粮食结拱机理及防范技术研究现状

任杰 韩阳

(河南工业大学,河南 郑州 450000)

粮食结拱机理及防范技术研究现状

任杰 韩阳

(河南工业大学,河南 郑州 450000)

本文叙述了粮仓内粮食结拱机理的研究历史、研究成果及发展现状,同时详细介绍了结拱类型、结拱原因及破拱防范技术。为了更好地提高实际工作连续性和安全性,需要进一步对结拱机理、防拱破拱技术进行研究和探讨。

结拱;类型;机理;破拱

我国是产粮和储粮的大国,所以在粮食存储和运输过程中产生的问题一直都是研究人员研究的重点。特别是仓内粮食在储藏和出粮过程中经常发生结拱,严重影响粮食的正常输送和加工,并引起粮堆塌陷事故。如2002年12月17日下午,黑龙江省海伦市海兴粮库在处理烘前仓内玉米结拱问题时违反操作规程,发生人员伤亡事故,造成3人死亡；2007年8月31日,山东新粮油脂有限公司仓内储存的大豆因夏季气温原因,在个别部位形成了结拱现象,工人在进行破拱处理的过程中违反操作规程,2名工人被埋没在大豆堆中死亡……类似事故的发生,对国家造成了严重的经济损失,也严重危害了工作人员的人身安全。

目前,对粮食结拱的研究主要集中在筒仓储料结拱原因的定性分析及防拱、破拱的经验措施［1］。一般是以静力平衡经验公式定性分析粮食结拱的各影响因素,用数值模拟技术研究散粒体二维结拱的力学机理,缺少对粮食结拱、塌陷机理的系统试验研究及影响因素的定量分析,特别是缺少基于粮食结拱及塌陷机理的科学的防范技术措施,粮食结拱和塌陷的风险仍然在时刻威胁着粮食生产安全和人身安全［2］。

因此,开展对粮食结拱、塌陷机理和防控技术的研究,对提高粮食行业安全生产和防灾减灾能力,具有重要的理论意义和现实意义。

1 结拱的分类和特征

料仓内的颗粒流容易产生堵塞现象。每当颗粒流必须通过一个瓶颈时,都有可能形成一个拱并且将使颗粒物运动停止,即在出料口下方形成“料拱”,称之为“结拱”。料拱形成的主要原因有细小颗粒物料之间或者物料与仓壁之间存在着相互粘结的作用力、大块物料在出料时偶然黏结、物料在储存期间吸水导致结块和料仓的结构类型导致物料流通阻碍结拱等［3］。拱的形成存在着很大的危害性,不仅会破坏料仓工作的稳定可靠性,也会导致正常卸料的中断,并且在利用人工或者其他方法进行破拱时,很可能会危害工作人员的人身安全,物料在拱破坏瞬间下落也会对仓壁产生巨大的压力,这也严重威胁了筒仓结构的安全。

料仓结拱的主要类型有四种(见图1)：

1.1 压缩拱

粮食颗粒因受到压力的作用,粮食颗粒之间的固结力增大,颗粒之间相互黏结在出口孔处形成桥拱的形状,致使粮食卸料过程停止,如图1a；

1.2 砌块拱

粮食在卸料过程中,由于粮食颗粒相互啮合形成如砌块一样形状而达到一种力平衡状态,从而导致流动停止,如图1b；

1.3 黏结黏附拱

粮食卸料过程中,由于粮食颗粒所含水分过大,颗粒之间黏结性过强,即颗粒储藏时吸潮或静电作用,粮食颗粒之间及粮食颗粒和仓壁之间的黏附力增加,粘结成块从而形成的料拱导致流动停止,如图1c；

1.4 气压平衡拱

由于料仓回转卸料器气密性差,卸料过程中,当粮食物料上下气压达到平衡时就会所形成的一个平衡料拱导致流动停止,如图1d。

图1 拱的类型

2 结拱机理研究

料仓中物料结拱的原因,一是由于料仓设计本身不合理或者是安装位置受限而导致物料流动堵塞停止形成拱；二是物料经过长时间储存会使物料的压实度加强,物料内部的湿度逐渐增加,物料与仓壁的摩擦力及物料之间的黏结力也逐渐增大,从而致使物料的流动性变差产生固结而形成拱；三是出料口下部气压增大导致气压拱。

此外,国内外也有不少学者对结拱机理进行了研究。张静［1］翻译了日本学者青木隆一的文章,文章认为结拱的程度与粉粒体的应力有关,因此可以减小粉粒体在料仓中产生的应力来防止结拱。为此,在料斗内部设置圆锥体和垂直隔板,计算并实测得到粉粒料的垂直静应力,表明隔板与圆锥体对减小粉粒体垂直应力、防止结拱是有效的。高放［2］认为筒仓结拱是由于仓斗单位高度上截面收缩率沿仓斗深度增大以及卸料口没有达到结拱的临界尺寸,据此给出了几种合理仓形,同时指出对于流动性较好和流动性差的物料,筒仓内不结拱时卸料口的宽度范围。薛勇［3］根据弹性力学的薄壳理论,通过建立拱中面中微元的力的平衡方程,得到了筒仓中贮料结拱的拱中面方程,三维空间中拱曲面微分方程如下：

并将其用于计算圆筒仓和矩形筒仓。同时也给出求解贮料结拱后,作用于仓壁的拱脚水平推力的表达式。

20世纪60年代,Jenike和Johanson及Walters等人经过大量研究建立了料仓中物料流动的基本理论,分析了料仓中物料不结拱、整体流的压力分布,并提出了发生物料整体流动、物料将结拱、物料闭塞不流动等状态的条件；提出了物料在料仓内的流动函数及流动因素理论及物料堵塞的临界条件；得到了物料在料仓内整体流与漏斗流的试验结果。其理论在欧美及日本等国家得到了广泛的承认。J.Matchett［4］发展了黏性拱模型,建立了二维拱模型,通过受力分析,预测了拱的形状并验证了由Enstad(1975)提出的圆弧形拱的假设,计算出了卸料口的临界尺寸。Francisco Vivanco(2012)等［5］利用粒子径迹法和光弹法研究了二维料斗中的颗粒流动,观察到接触力的间歇性网络包括力链和拱,认为这是引起了平均竖向速度的波动的原因；理论和实验表明粮粒沿主压应力方向结拱。C.M.Carlevaro(2012)等［6］假设物料形成的拱可以其上方物料的重力并且承受了整体的大部分应力,通过分析研究拱内和拱外颗粒压力分布验证了这一假设,得到了拱内颗粒会比其他位置的颗粒承受更大的压力,并且发现拱内颗粒各向同性压力往往比拱外颗粒的大,然而两者之间的各向异性只有略微的区别。同时,还发现了相互接触颗粒和非相互接触颗粒的接触力的分布都符合指数衰减规律,相互接触颗粒的指数衰减速度更快。R.C.Hidalgo(2013)等［7］研究了一个结拱的准2D筒仓下直径d=1/32m单分散的球体离散单元模型(DEM)系统。通过对比实验中的成拱形态,验证了数值模拟的准确性；研究了拱内的力与筒仓内的力的分布规律,发现拱内粒子的平均法向力要远大于其他地方粒子的平均法向力。同时,对于缺陷,角度越大,切向力越高法向力越低。此外,该研究还探讨了拱内法向力和切向力的分布,并与力作用在拱凸起部分颗粒的力分布作对比。对于成拱的堵塞情况,这两个分布都揭示了一个确定的最大值来显示他们之间的连锁性质。然而,对于凸起部分的分布是宽广的,揭示了颗粒材料在没有达到屈服力之前有一个典型的单调指数衰减。这些结果表现了堵塞出口孔拱的独特特性,并揭示了堵塞方程的局部特点。CeliaLozano(2014)等［8］分析了不同尺寸卸料口下,仓内破拱装置的效果,研究了装置位置对颗粒流速和成拱形态的影响,验证了破拱装置能够减小仓内压力,给出了平均塌陷尺寸和流速波动之间关系的表达式。

3 破拱等防范技术研究

拱的防范技术就是通过采取各种措施将防止拱的形成或者破坏拱的状态从而消除拱的影响,使料仓出料恢复流通状态。

3.1 采取的措施

3.1.1 通过选用摩擦因数较小,具有不粘黏性,润滑性好,耐腐耐磨耐低温抗冲击性能较好的材料作为粮仓内壁,从而使内壁尽可能的光滑,这样粮食颗粒与仓壁之间的摩擦力就越小,物料更容易流动,有效降低拱形成的概率。

3.1.2 粮仓尽量选用圆形筒仓,可以消除交接处死角的问题,料斗倾斜角及出口尺寸在满足设计要求的前提下尽可能大,出口尺寸尽量设计成方形等,这些粮仓设计方面的改良在一定程度上提高了粮食颗粒的流通程度,更易防止拱的形成。

3.1.3 通过在粮仓内部增加各种类型的辅助装置也是一种很有效的防拱技术,在仓内设置不同方向隔板将料斗流动分成若干个区域,即通过改变粮食颗粒的流动形态来防范拱的形成。

3.2 常见的破拱方法

3.2.1 人工破拱是最原始的破拱方法,即在料仓上安装一些辅助装置如摇杆等,工人通过转动摇杆等辅助装置捣捅仓内物料,打破拱的平衡状态进行破拱。

3.2.2 机械破拱是目前较常用的破拱方法,即在料仓内安装搅拌设备,对物料进行搅拌,减弱物料之间的作用力和物料与仓壁摩擦力进行破拱,目前也是破拱效果相当好的方法之一。

3.2.3 破拱方法还有气体破拱,即利用喷气装置向料仓内结拱位置喷入压缩空气,利用压缩空气的冲击力进行破拱。

总之,料仓中物料的结拱现象比较普遍,这种现象不仅阻碍了连续性工作,而且偶尔会发生因为破拱方法不当而产生的意外事故,给国家和人民都带来了严重的经济损失和安全威胁。针对结拱机理的探讨研究已经有一段历程,但是结拱形成的过程与原因都较为复杂,需要进一步全面的进行研究,根据不同的结拱原因选择更高效、简单、安全、可靠的破拱措施。因此,需要更加深入的进行结拱机理、防拱破拱技术的研究探讨。

［1］张静.料仓设置隔板及圆锥体防止结拱的试验研究［J］.饲料机械,1983(1):47一51.

［2］高放.料仓“结拱”机理与解决办法初探［J］.粮食与饲料工业,1989(4):47一49.

［3］薛勇.筒仓中贮料结拱原因及其理论分析［J］.郑州旅食学院学报,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,在读硕士,研究方向:防灾减灾。