糧食結(jié)拱機(jī)理及防范技術(shù)研究現(xiàn)狀

任杰 韓陽

(河南工業(yè)大學(xué),河南 鄭州 450000)

糧食結(jié)拱機(jī)理及防范技術(shù)研究現(xiàn)狀

任杰 韓陽

(河南工業(yè)大學(xué),河南 鄭州 450000)

本文敘述了糧倉內(nèi)糧食結(jié)拱機(jī)理的研究歷史、研究成果及發(fā)展現(xiàn)狀,同時(shí)詳細(xì)介紹了結(jié)拱類型、結(jié)拱原因及破拱防范技術(shù)。為了更好地提高實(shí)際工作連續(xù)性和安全性,需要進(jìn)一步對結(jié)拱機(jī)理、防拱破拱技術(shù)進(jìn)行研究和探討。

結(jié)拱;類型;機(jī)理;破拱

我國是產(chǎn)糧和儲糧的大國,所以在糧食存儲和運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的問題一直都是研究人員研究的重點(diǎn)。特別是倉內(nèi)糧食在儲藏和出糧過程中經(jīng)常發(fā)生結(jié)拱,嚴(yán)重影響糧食的正常輸送和加工,并引起糧堆塌陷事故。如2002年12月17日下午,黑龍江省海倫市海興糧庫在處理烘前倉內(nèi)玉米結(jié)拱問題時(shí)違反操作規(guī)程,發(fā)生人員傷亡事故,造成3人死亡；2007年8月31日,山東新糧油脂有限公司倉內(nèi)儲存的大豆因夏季氣溫原因,在個(gè)別部位形成了結(jié)拱現(xiàn)象,工人在進(jìn)行破拱處理的過程中違反操作規(guī)程,2名工人被埋沒在大豆堆中死亡……類似事故的發(fā)生,對國家造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失,也嚴(yán)重危害了工作人員的人身安全。

目前,對糧食結(jié)拱的研究主要集中在筒倉儲料結(jié)拱原因的定性分析及防拱、破拱的經(jīng)驗(yàn)措施［1］。一般是以靜力平衡經(jīng)驗(yàn)公式定性分析糧食結(jié)拱的各影響因素,用數(shù)值模擬技術(shù)研究散粒體二維結(jié)拱的力學(xué)機(jī)理,缺少對糧食結(jié)拱、塌陷機(jī)理的系統(tǒng)試驗(yàn)研究及影響因素的定量分析,特別是缺少基于糧食結(jié)拱及塌陷機(jī)理的科學(xué)的防范技術(shù)措施,糧食結(jié)拱和塌陷的風(fēng)險(xiǎn)仍然在時(shí)刻威脅著糧食生產(chǎn)安全和人身安全［2］。

因此,開展對糧食結(jié)拱、塌陷機(jī)理和防控技術(shù)的研究,對提高糧食行業(yè)安全生產(chǎn)和防災(zāi)減災(zāi)能力,具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1 結(jié)拱的分類和特征

料倉內(nèi)的顆粒流容易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象。每當(dāng)顆粒流必須通過一個(gè)瓶頸時(shí),都有可能形成一個(gè)拱并且將使顆粒物運(yùn)動(dòng)停止,即在出料口下方形成“料拱”,稱之為“結(jié)拱”。料拱形成的主要原因有細(xì)小顆粒物料之間或者物料與倉壁之間存在著相互粘結(jié)的作用力、大塊物料在出料時(shí)偶然黏結(jié)、物料在儲存期間吸水導(dǎo)致結(jié)塊和料倉的結(jié)構(gòu)類型導(dǎo)致物料流通阻礙結(jié)拱等［3］。拱的形成存在著很大的危害性,不僅會破壞料倉工作的穩(wěn)定可靠性,也會導(dǎo)致正常卸料的中斷,并且在利用人工或者其他方法進(jìn)行破拱時(shí),很可能會危害工作人員的人身安全,物料在拱破壞瞬間下落也會對倉壁產(chǎn)生巨大的壓力,這也嚴(yán)重威脅了筒倉結(jié)構(gòu)的安全。

料倉結(jié)拱的主要類型有四種(見圖1)：

1.1 壓縮拱

糧食顆粒因受到壓力的作用,糧食顆粒之間的固結(jié)力增大,顆粒之間相互黏結(jié)在出口孔處形成橋拱的形狀,致使糧食卸料過程停止,如圖1a；

1.2 砌塊拱

糧食在卸料過程中,由于糧食顆粒相互嚙合形成如砌塊一樣形狀而達(dá)到一種力平衡狀態(tài),從而導(dǎo)致流動(dòng)停止,如圖1b；

1.3 黏結(jié)黏附拱

糧食卸料過程中,由于糧食顆粒所含水分過大,顆粒之間黏結(jié)性過強(qiáng),即顆粒儲藏時(shí)吸潮或靜電作用,糧食顆粒之間及糧食顆粒和倉壁之間的黏附力增加,粘結(jié)成塊從而形成的料拱導(dǎo)致流動(dòng)停止,如圖1c；

1.4 氣壓平衡拱

由于料倉回轉(zhuǎn)卸料器氣密性差,卸料過程中,當(dāng)糧食物料上下氣壓達(dá)到平衡時(shí)就會所形成的一個(gè)平衡料拱導(dǎo)致流動(dòng)停止,如圖1d。

圖1 拱的類型

2 結(jié)拱機(jī)理研究

料倉中物料結(jié)拱的原因,一是由于料倉設(shè)計(jì)本身不合理或者是安裝位置受限而導(dǎo)致物料流動(dòng)堵塞停止形成拱；二是物料經(jīng)過長時(shí)間儲存會使物料的壓實(shí)度加強(qiáng),物料內(nèi)部的濕度逐漸增加,物料與倉壁的摩擦力及物料之間的黏結(jié)力也逐漸增大,從而致使物料的流動(dòng)性變差產(chǎn)生固結(jié)而形成拱；三是出料口下部氣壓增大導(dǎo)致氣壓拱。

此外,國內(nèi)外也有不少學(xué)者對結(jié)拱機(jī)理進(jìn)行了研究。張靜［1］翻譯了日本學(xué)者青木隆一的文章,文章認(rèn)為結(jié)拱的程度與粉粒體的應(yīng)力有關(guān),因此可以減小粉粒體在料倉中產(chǎn)生的應(yīng)力來防止結(jié)拱。為此,在料斗內(nèi)部設(shè)置圓錐體和垂直隔板,計(jì)算并實(shí)測得到粉粒料的垂直靜應(yīng)力,表明隔板與圓錐體對減小粉粒體垂直應(yīng)力、防止結(jié)拱是有效的。高放［2］認(rèn)為筒倉結(jié)拱是由于倉斗單位高度上截面收縮率沿倉斗深度增大以及卸料口沒有達(dá)到結(jié)拱的臨界尺寸,據(jù)此給出了幾種合理倉形,同時(shí)指出對于流動(dòng)性較好和流動(dòng)性差的物料,筒倉內(nèi)不結(jié)拱時(shí)卸料口的寬度范圍。薛勇［3］根據(jù)彈性力學(xué)的薄殼理論,通過建立拱中面中微元的力的平衡方程,得到了筒倉中貯料結(jié)拱的拱中面方程,三維空間中拱曲面微分方程如下：

并將其用于計(jì)算圓筒倉和矩形筒倉。同時(shí)也給出求解貯料結(jié)拱后,作用于倉壁的拱腳水平推力的表達(dá)式。

20世紀(jì)60年代,Jenike和Johanson及Walters等人經(jīng)過大量研究建立了料倉中物料流動(dòng)的基本理論,分析了料倉中物料不結(jié)拱、整體流的壓力分布,并提出了發(fā)生物料整體流動(dòng)、物料將結(jié)拱、物料閉塞不流動(dòng)等狀態(tài)的條件；提出了物料在料倉內(nèi)的流動(dòng)函數(shù)及流動(dòng)因素理論及物料堵塞的臨界條件；得到了物料在料倉內(nèi)整體流與漏斗流的試驗(yàn)結(jié)果。其理論在歐美及日本等國家得到了廣泛的承認(rèn)。J.Matchett［4］發(fā)展了黏性拱模型,建立了二維拱模型,通過受力分析,預(yù)測了拱的形狀并驗(yàn)證了由Enstad(1975)提出的圓弧形拱的假設(shè),計(jì)算出了卸料口的臨界尺寸。Francisco Vivanco(2012)等［5］利用粒子徑跡法和光彈法研究了二維料斗中的顆粒流動(dòng),觀察到接觸力的間歇性網(wǎng)絡(luò)包括力鏈和拱,認(rèn)為這是引起了平均豎向速度的波動(dòng)的原因；理論和實(shí)驗(yàn)表明糧粒沿主壓應(yīng)力方向結(jié)拱。C.M.Carlevaro(2012)等［6］假設(shè)物料形成的拱可以其上方物料的重力并且承受了整體的大部分應(yīng)力,通過分析研究拱內(nèi)和拱外顆粒壓力分布驗(yàn)證了這一假設(shè),得到了拱內(nèi)顆粒會比其他位置的顆粒承受更大的壓力,并且發(fā)現(xiàn)拱內(nèi)顆粒各向同性壓力往往比拱外顆粒的大,然而兩者之間的各向異性只有略微的區(qū)別。同時(shí),還發(fā)現(xiàn)了相互接觸顆粒和非相互接觸顆粒的接觸力的分布都符合指數(shù)衰減規(guī)律,相互接觸顆粒的指數(shù)衰減速度更快。R.C.Hidalgo(2013)等［7］研究了一個(gè)結(jié)拱的準(zhǔn)2D筒倉下直徑d=1/32m單分散的球體離散單元模型(DEM)系統(tǒng)。通過對比實(shí)驗(yàn)中的成拱形態(tài),驗(yàn)證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性；研究了拱內(nèi)的力與筒倉內(nèi)的力的分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)拱內(nèi)粒子的平均法向力要遠(yuǎn)大于其他地方粒子的平均法向力。同時(shí),對于缺陷,角度越大,切向力越高法向力越低。此外,該研究還探討了拱內(nèi)法向力和切向力的分布,并與力作用在拱凸起部分顆粒的力分布作對比。對于成拱的堵塞情況,這兩個(gè)分布都揭示了一個(gè)確定的最大值來顯示他們之間的連鎖性質(zhì)。然而,對于凸起部分的分布是寬廣的,揭示了顆粒材料在沒有達(dá)到屈服力之前有一個(gè)典型的單調(diào)指數(shù)衰減。這些結(jié)果表現(xiàn)了堵塞出口孔拱的獨(dú)特特性,并揭示了堵塞方程的局部特點(diǎn)。CeliaLozano(2014)等［8］分析了不同尺寸卸料口下,倉內(nèi)破拱裝置的效果,研究了裝置位置對顆粒流速和成拱形態(tài)的影響,驗(yàn)證了破拱裝置能夠減小倉內(nèi)壓力,給出了平均塌陷尺寸和流速波動(dòng)之間關(guān)系的表達(dá)式。

3 破拱等防范技術(shù)研究

拱的防范技術(shù)就是通過采取各種措施將防止拱的形成或者破壞拱的狀態(tài)從而消除拱的影響,使料倉出料恢復(fù)流通狀態(tài)。

3.1 采取的措施

3.1.1 通過選用摩擦因數(shù)較小,具有不粘黏性,潤滑性好,耐腐耐磨耐低溫抗沖擊性能較好的材料作為糧倉內(nèi)壁,從而使內(nèi)壁盡可能的光滑,這樣糧食顆粒與倉壁之間的摩擦力就越小,物料更容易流動(dòng),有效降低拱形成的概率。

3.1.2 糧倉盡量選用圓形筒倉,可以消除交接處死角的問題,料斗傾斜角及出口尺寸在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下盡可能大,出口尺寸盡量設(shè)計(jì)成方形等,這些糧倉設(shè)計(jì)方面的改良在一定程度上提高了糧食顆粒的流通程度,更易防止拱的形成。

3.1.3 通過在糧倉內(nèi)部增加各種類型的輔助裝置也是一種很有效的防拱技術(shù),在倉內(nèi)設(shè)置不同方向隔板將料斗流動(dòng)分成若干個(gè)區(qū)域,即通過改變糧食顆粒的流動(dòng)形態(tài)來防范拱的形成。

3.2 常見的破拱方法

3.2.1 人工破拱是最原始的破拱方法,即在料倉上安裝一些輔助裝置如搖桿等,工人通過轉(zhuǎn)動(dòng)搖桿等輔助裝置搗捅倉內(nèi)物料,打破拱的平衡狀態(tài)進(jìn)行破拱。

3.2.2 機(jī)械破拱是目前較常用的破拱方法,即在料倉內(nèi)安裝攪拌設(shè)備,對物料進(jìn)行攪拌,減弱物料之間的作用力和物料與倉壁摩擦力進(jìn)行破拱,目前也是破拱效果相當(dāng)好的方法之一。

3.2.3 破拱方法還有氣體破拱,即利用噴氣裝置向料倉內(nèi)結(jié)拱位置噴入壓縮空氣,利用壓縮空氣的沖擊力進(jìn)行破拱。

總之,料倉中物料的結(jié)拱現(xiàn)象比較普遍,這種現(xiàn)象不僅阻礙了連續(xù)性工作,而且偶爾會發(fā)生因?yàn)槠乒胺椒ú划?dāng)而產(chǎn)生的意外事故,給國家和人民都帶來了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和安全威脅。針對結(jié)拱機(jī)理的探討研究已經(jīng)有一段歷程,但是結(jié)拱形成的過程與原因都較為復(fù)雜,需要進(jìn)一步全面的進(jìn)行研究,根據(jù)不同的結(jié)拱原因選擇更高效、簡單、安全、可靠的破拱措施。因此,需要更加深入的進(jìn)行結(jié)拱機(jī)理、防拱破拱技術(shù)的研究探討。

［1］張靜.料倉設(shè)置隔板及圓錐體防止結(jié)拱的試驗(yàn)研究［J］.飼料機(jī)械,1983(1):47一51.

［2］高放.料倉“結(jié)拱”機(jī)理與解決辦法初探［J］.糧食與飼料工業(yè),1989(4):47一49.

［3］薛勇.筒倉中貯料結(jié)拱原因及其理論分析［J］.鄭州旅食學(xué)院學(xué)報(bào),1991(3):95一99.

［4］A.J.Matchett.The shape of the cohesive arch in hoppers and silos—Some theoretical considerations［J］.Powder Technology, 2007(171):133一145.

［5］Francisco Vivanco,Sergio Rica,Francisco Melo.Dyna mical arching in a two dimensional granular flow［J］.Granular Matter,2012(14):563一576.

［6］C.M.Carlevaro,L.A.Pugnaloni.Arches and contact forc es in a granular pile［J］.The European Physical Journal E,2012 (35):44.

［7］R.C.Hidalgo,C.Lozano,I.Zuriguel,et al.Force analysis of clogging arches in a silo［J］.Granular Matter,2013(15):841一848.

［8］Lozano C,Janda A,Garcimartín A,et al.Flow and clogging in a silo with an obstacle above the orifice［J］.Physical Review E,2012,86(3):1275一1292.

Research Status of Grain Arching Mechanism and Prevention Technology

Ren Jie Han Yang
(Henan University of Technology,Zhengzhou Henan 450000)

The paper describes the research history,research achievement and development status about grain arching mechanism in the silo.At the same time,the types of arch,causes of arch,technology of arch breaking and arching prevention are introduced in detail.In order to better improve the safety and continuity of the practical work,arching mechanism and the technology of arching prevention and arch breaking should be further studied and discussed.

Arching；Type；Mechanism；Arch breaking

X954

A

1003一5168(2015)07一0102一3

2015一6一9

任杰(1989.6一),男,在讀碩士,研究方向:防災(zāi)減災(zāi)。