9. oldal 1. ÁLTALÁNOS RÉSZ Anyagok emelésére, szállítására emelőgépeket, szál1ítóeszközöket és szállítógépeket, egyszóval kifejezve, "anyagmozgató gépeket" használunk. Tágabb értelemben anyagszállító gépek a szivattyúk, kompresszorok is, amelyek folyadékokat, illetve légnemű anyagokat szállítanak. tárgy keretében csak a szilárd halmazállapotú anyagokat szállító berendezésekkel foglalkozunk. Az anyagmozgató gépek az egyes munkahelyek, illetve raktárak között az anyagokat aránylag rövidebb távolságra mozgatják, általában néhány 10 vagy néhány 100 méterre. A nagyobb távolságra (több km-re) szállító eszközök, mint pl. a vasút, gépkocsi vagy vízi és légi úton történő szállítások eszközei, az ún. távolsági szállítóeszközök nem képezik vizsgálatunk tárgyát. A szállítandó anyagok (terhek) lehetnek egyes darabok, amelyek alak és tömeg szempontjából igen különbözőek; ezeket darabárunak nevezzük. ilyenek pl.: gépalkatrész, kész gép, zsákolt áru, láda stb. Továbbá lehetnek nagyszámú egynemű részecskéből vagy darabokból álló ömlesztett anyagok, ilyen pl.: szén, érc, gabona, homok, cement stb. Bővebben lásd 1.. pont alatt (11. o.). Az anyagmozgató gépek szerkezeti kialakításuk szerint igen különbözőek, egyrészt az esetenként szállítandó anyagok sokfélesége, másrészt a különböző szállítási irányok és távolságok következtében. A nagyszámú és sokféle szállítógép könnyebb megismerése érdekében az egyes gépeket bizonyos szempontok szerint rendszerbe kell foglalnunk. Mivel elsősorban a gépek szerkezeti felépítésével foglalkozunk részletesebben, azért legcélszerűbb az anyagmozgató gépeket szerkezeti felépítésük szerint csoportosítani [l], [6]. 1.1. AZ ANYAGMOZGATÓ GÉP TÍPUSAI 1.11. melőgépek csoportba tartozó gépeknél függőleges irányú szállítás minden esetben van. a) melők a terhet csak egy, függőleges irányban mozgatják. Pl. csavarorsós emelő. b) Daruk a terhet a függőleges irányú főmozgáson kívül egy vagy több irányú mellékmozgásban is szállítják. Ilyen mellékmozgások lehetnek: vízszintes irányú haladás vagy függőleges tengely körüli forgó mozgás. nnek megfelelően a darut futó-, vagy forgódarunak nevezzük. Pl. kocsira szerelt forgódaruval a teher emelésére szolgáló függó1eges irányú főmozgáson kívül a teher függőleges tengely körül is forgatható, és az aljkocsi mozgatásával a pálya irányában vízszintesen szállítható. A futódaruval a teher az emelő mozgáson kívül egymásra merőleges két vízszintes irányban a macskamozgatás és daruhídmozgatás útján is szállítható. c) Felvonók csak egy függőleges irány ú főmozgást végeznek, azonban a terhet vezeték között vezetik. A felvonók tulajdonképpen az a) csoportba volnának sorolhatók, azonban a felvonóüzemmel kapcsolatos különleges követelmények miatt különleges emelőgéptípust képeznek, amelyekkel áttekinthetően külön fejezet keretében foglalkozunk. csoportba tartoznak a vedres felvonók is, amelyek a szállítandó ömlesztett anyagot befogadó billenő vedret függőlegesen vagy megközelítően függőleges ferde pályán kötéllel vontatják. 1.1. Szállítógépek Az e csoportba tartozó gépek túlnyomóan ömlesztett anyagot és kisebb mértékben darabárut általában előre meghatározott pályán vízszintes, függőleges vagy ferde irányban szállítanak.
10. oldal a) Állandó üzemű szállítógépek. Folyamatosan, megszakítás nélkül anyagot továbbítanak az előre megszabott pályán. Az anyagáram lehet közel egyenlő adagokra bontva, egymást követő edényekben, vagy serlegekben elhelyezve. 1. Az áru továbbítása vonóelemmel történik. csoportba tartoznak például a hevederes szállítószalagok. A két végdob között kifeszített, végtelenített hevedert görgőkkel támasztják alá. A szállítandó árut a hevederen helyezik el. A hevedert a hajtódob súrlódás útján mozgatja. A serleges elevátorok függőleges vagy ferde irányú szállításra alkalmazhatók. Az áru a vonóelemre szerelt serlegben helyezkedik el. A függőkonvejorok szállító elemeit pálya vezeti és vonólánc vontatja.. Az áru továbbítása vonóelem nélkül történik. Szállítócsigákban az áru helyben maradó alátámasztáson helyezkedik el. Az áru továbbítását a forgótengelyre erősített csavarmenetszerűen kiképzett csigamenetek végzik. Lengővályúknál a szállítandó anyag alátámasztására lemezvályú szolgál. A vályú lengőmozgást végez. Az anyag mozgatását súrlódási erő idézi elő. csoporthoz sorolhatók még a nem mechanikai működésű pneumatikus és hidraulikus szállítóberendezések is, amelyek állandó üzemben, gáz-, illetve folyadékáramban továbbítják a szállítandó anyagot. b) Szakaszos üzemű szállítógépek. szállítógépek általában ismétlődően ide-oda, egyik irányban teherrel, a másik irányban teher nélkül működnek. gépek lehetnek: 1. Sínpályához kötöttek, mint például a függő sínpályák, siklók, tolópadok stb.. Sínpályához nem kötött szállítógépek. Például: targonca, kotróláda. 1.13. Rakodógépek Anyagtároló helyeken, építkezések helyén, közúti, vasúti és vízi teherszállító járművek átrakó helyein rakodási munkák gépesítésére rakodógépeket alkalmaznak. gépek általában különleges kialakítású emelő- és szállítógépek, ömlesztett vagy darabáru fel- vagy lerakodására alkalmasak. Lehetnek: a) Állandó üzemű rakodógépek, pl.: serleges rakodógép, amely a halomban tárolt ömlesztett anyagot folyamatosan felveszi, és egyenletes anyagáramot továbbít járműbe vagy állandó üzemű szállítógépre. Ilyenek még a hordozható szállítószalagok, röpítőszalag stb. b) Szakaszos üzemű rakodógépek jellegzetes gépei a darabáru rakodására szolgáló emelővillás targoncák. csoportba sorolhatók még a csillebuktatók, vasúti kocsik Ürítését végző kocsibuktatók. 1.14. Segédberendezések A szállítógépek önmagukban csak az anyag szállítását végzik, ezért a továbbításra kerülő anyag felrakására, egyenletes adagolására, valamint a rendeltetési helyen való elosztására különféle segédberendezéseket alkalmazunk. Például a vagonban érkező szén közvetlenül szállítószalagon nem továbbítható. Gépesített anyagmozgatás esetében a szenet egy arra alkalmas szerkezet (vagonbuktató, mechanikus lapát) segítségével egy nagyobb befogadóképességű tartályba öntjük, majd ebből egy adagoló szerkezet egyenletes anyagáramban adagolja a szállítószalagra. Segédberendezések tehát: a) Tartályok, raktárállványok, rakodólapok ömlesztett, illetve darabáru felvételére, továbbítására vagy tárolására. b) lzárók, az ömlesztett anyagot befogadó tartályok kiömlőnyílásához. c) Adagolók, amelyek az ömlesztett anyag egyenletes adagolását végzik. d) Surrantók, csúszdák, amelyek a darab- vagy ömlesztett árunak a nehézségi erő hatására a szállítógépekre, vagy onnan való elvezetésére szolgálnak. gy bizonyos anyagmozgatási feladat lebonyolítására rendszerint egymáshoz csatlakozó szállítógépekből és az azokat kiszolgáló és kiegészítő szerkezetekből összeállított gépcsoportot szállítóberendezésnek nevezzük. Az egyes gépek szerkezeti kialakítása és működési elve sok esetben egymástól igen eltérő, de még azonos csoportokon belül is a szállítandó áru tulajdonságai, a szállítás iránya és távolsága, a megkívánt szállítóképesség egymástól igen eltérő gépegységeket hozhat létre. Mindezek ellenére az egyes típusoknál sok azonos kialakítású szerkezeti elem található. A tankönyv első részében ezeket a különféle típusú gépeknél alkalmazott közös szerkezeti elemeket tárgyaljuk, majd azután vesszük sorra az ismertetett csoportosítás szerint a gyakrabban alkalmazott anyagmozgató gépeket és rakodógépeket. Az anyagmozgató gépeket az esetenként igen különböző szállítandó anyagfajták, helyszíni adottságok, szállítási irányok, teherbírás, teljesítmény, üzemviszonyok stb. következtében legtöbbször egyedenként kell tervezni. Az egyes feladatok elvégzésére alkalmas
11. oldal emelő- vagy szállítógépek szerkezeti felépítésükben, működési elvükben igen különbözőek, és számuk igen nagy. tárgy keretében e sokfajta gép ismertetésére lehetőség természetesen nincsen, csupán néhány jellegzetes, ma elterjedten használatos alaptípus szerkezeti kialakításával, méretezésével és alkalmazási területével foglalkozunk. zen alaptípusok ismerete lehetőséget ad különlegesebb emelő- és szállítógépek tervezésére. Az alaptípusok ismertetése előtt azonban először anyagmozgató gépeken szállítandó áruk (terhek) szállítás szempontjából fontosabb jellemzőit kell megismernünk. zután az anyagmozgató gépek gépi részeinek alátámasztására szolgáló tartószerkezetekben, acélszerkezetekben (pl.: daruhíd, macskaváz, függőpálya stb.) fellépő erők meghatározásával, szerkezeti elemeinek méretezésével és az acélszerkezetek kialakításával kell megismerkednünk. Majd az anyagmozgató gépekben gyakran alkalmazott gépelemekkel és gyakrabban ismétlődő kisebb szerkezeti egységekkel foglalkozunk, olyan részletességgel, hogy azokban az üzemben fellépő erőket megismerjük és annak megfelelően méretezhessünk. 1.. A SZÁLLÍTANDÓ ANYAGO LLMZŐI Az anyagmozgató gép helyes tervezéséhez és üzemeltetéséhez a továbbításra kerülő anyag pontos ismeretére van szükség. A szállítandó anyag fizikai jellemző tulajdonságainak figyelembevételével kell megválasztani az alkalmazásra kerülő anyagmozgató gép típusát, főméreteit, szállítósebességét stb. Magától értetődik, hogy más rendszerű és méretű anyagmozgató gépet használunk az igen könnyen ömlő, kis szemekből álló gabona, mint a nehéz, nagy darabos, de ugyanakkor igen koptató vasérc szállítására. A szállítandó áruk két nagy csoportra: a darabáruk és ömlesztett anyagok csoportjára oszthatók. 1.1. Darabáru Darabárunak nevezzük azokat az árufajtákat, amelyek egyedenként, darabonként kerülnek szállításra. A darabáruk általában különböző méretűek és súlyúak, kezelésük egyedenként történik. Szállítás szempontjából darabárunak minősülnek a különféle ömlesztett vagy darabárut tartalmazó szállítótartályok, ládák és gyűjtőedények, így pl. az öntödei formaszekrények is. A darabárut az alábbi jellemzői határozzák meg: a) Mérete. Szabályos alakú árut a három dimenzióban mért méretével, szabálytalan alakú testet legnagyobb és legkisebb méretével jellemzünk. b) Tömege tág határok között mozoghat. c) Alakja szerint a darabáru igen eltérő. Lehet szabályos alakú láda, doboz, rekesz, kanna, ballon vagy nem szabályos alakú zsák, bála, köteg, bútor, gép, gépalkatrész stb. d) A felület minőségét általában az áru vagy a burkolat szabja meg, eszerint lehet fém, fa, műanyag, kartonlemez, textil, gumi stb. felületű áru. e) ülönleges tulajdonságok. Magas hőfok, törékenység, gyúlékonyság, robbanékonyság stb. gyes árufajták, pl. kannák, ballonok, de akár ládázott áruk is, csak egy meghatározott helyzetben szállíthatók, ilyen esetben a szállítógépet ennek figyelembevételével kell megválasztani. 1.. Ömlesztett anyag Ömlesztett anyagnak nevezzük azokat az általában egynemű anyagokat, amelyek szállítását és rakodását nagyobb tömegben rendezetlenül és csomagolatlanul végzik. Ilyen pl. a homok, kavics, érc, szén, salak stb. zenkívül ömlesztett anyagnak minősül a tömegben szállított csavar, apró gépalkatrész stb. Az ömlesztett anyagok jellemző tulajdonságai az alábbiak: a) Az ömlesztett anyag szemcsenagysága tág határok között változik, és ez nem mindig az anyag sajátosságától függő jellemző, hanem valamely technológiai művelet eredménye is lehet. gyenlőtlen szemnagyságú anyag osztályozással egyenletesebbé tehető. Az ömlesztett anyag darabnagyságát a legnagyobb szemcse méretével (w) határozzuk meg. Az ömlesztett anyag szemösszetételén az anyagot alkotó szemcsék szemnagyság szerinti eloszlását értjük, és súlyszázalékban adjuk meg. zt szitálással határozzuk meg. A vegyes szemcsékből álló ömlesztett anyag különböző nyílású sziták vagy rosták segítségével szét-
1. oldal 1.1. ábra. Szemeloszlási görbék, szemnagyságok megnevezése választható frakciókra. A szitálás eredményeit az ún. szemeloszlási görbén ábrázoljuk (1.1. ábra). A szemeloszlási görbe egy-egy pontja megmutatja azt, hogy egy bizonyos szitanyíláson át nem hullott anyag, a teljes anyag tömegszázalékában kifejezve, mennyi. A görbe tehát összegző, integráló görbe. A szemeloszlási görbét úgy készítjük, hogy az abszcisszára a szitanyílást, az ordinátára pedig az át nem hullott anyag, az ún. szitamaradék tömegszázalékát mérjük fel. A jobb áttekinthetőség érdekében a szitanyílás logaritmusát tüntetjük fel, a tömegszázalékot pedig aritmetikusan ábrázoljuk. Az a pont, ahol a görbe az S= 100%-nak megfelelő vízszintes egyenesből kiindul, megadja az ömlesztett anyagban előforduló legkisebb szemcse méretét (w min ), az S=0 vízszintes tengelyen levő végpont pedig a legnagyobb szemcse méretét (w max ). Az 1.1. ábrán az ömlesztett anyagok egyes frakcióinak elnevezését is feltüntettük. gyes anyagféleségek pl. gabona, brikett, burgonya szemnagysága általában egyenletes. Az érc, szén és ásványféleségek szemcseösszetétele viszont a legváltozatosabb lehet. Az anyagot az előforduló legnagyobb és legkisebb darabok méretei jellemzik. Ha w max,5w min, akkor az ömlesztett anyag osztályozott, ha w max és w min közti viszony nagyobb, mint,5, akkor az anyag osztályozatlan. b) Az ömlesztett anyag halmazsűrűségén (r h ) a térfogategységben elhelyezhető anyag tömege értendő. A halmazsűrűséget kg/m 3 vagy t/m 3 értékben adják meg. Nem tévesztendő össze az anyag testsűrűségével, amely alatt a térfogategységben elhelyezhető tömör anyag tömege értendő. Pneumatikus szállítás számításakor az anyag testsűrűségét kell ismernünk. Az ömlesztett anyag halmazsűrűsége a tömör anyag sűrűségéhez (r h ) képest annál kisebb, minél nagyobbak a szemcsék közti hézagok. zenkívül a nedvességtartalom, a szemnagyság, a szemcseösszetétel, a tömörödés, az anyagra ható nyomás és annak időtartama stb. mind befolyásolják ugyanazon anyag halmazsűrűségét is. zért a különféle anyagok halmazsűrűségét tartalmazó táblázatok adatai csak mint két szélső határérték közé eső átlagértékek tekinthetők, melyek a fentiek miatt nagymértékben változhatnak (lásd 1.táblázatot). A méretezés biztonsága érdekében a várható terhelések és munkaszükséglet számításánál a kedvezőtlenebb értéket, a halmazsűrűség felső határértékét (nedves, tömörödött anyag) kell alapul venni. lőírt szállítóképesség és befogadóképesség számításánál pedig az alsó határérték a mértékadó (száraz, laza anyag). Az ömlesztett anyagok halmazsűrűségük szerint a következőképpen csoportosíthatók: Igen könnyű anyagok (pl. faforgács) könnyű anyagok (koksz) középnehéz anyagok (szén) nehéz anyagok (homok, mészkő) igen nehéz anyagok (ércek) r h < 0,3 t/m 3 r h = 0,3-0,6 t/m 3 r h = 0,6-1, t/m 3 r h = 1, -,0 t/m 3 r h >,0 t/m 3 c) Az ömlesztett anyagok kemény felületekkel való súrlódási tényezője kísérleti úton határozható meg. Nyugalmi állapotban mért (m 0 ) és mozgás közbeni
13. oldal Anyag Agyag, darabos, száraz Föld, száraz Homok, száraz Homok, nedves Homok, formázó, ömlesztve avics Mészkő, darabos Mészkő, tört Pirit, darabos Terméskő, darabos Vasérc, barna Szén, antracit Szén, akna- Szén, dió- Barnaszén, száraz Barnaszén, nedves Szénpor Lignit, száraz Tőzeg oksz Hamu, kazánházi Pernye, kazánházi Salak, kazánházi ement ement, klinker ohósalak Szuperfoszfát műtrágya Timföld (alum. oxid) Árpa Búza Zab Gabonaliszt Hüvelyesek, fejtve ukorica, morzsolt onyhasó, őrölt Ömlesztett anyagok jellemzői Halmazsűrűsség kg/m 3 r h 100-1600 100-1600 1400-1700 1600-000 1150-1300 1700-000 1600-1800 100-1500 600-3000 1600-000 100-400 800-950 800-1300 900-1000 700-850 900-1000 500-600 650-850 400-600 350-550 500-650 1600-00 550-1400 1000-1500 100-1400 800-1400 1000-1400 950-1000 650-750 750-850 400-560 500-650 700-800 700-750 800-1300 Természetes Rézsűszög a 40-45 >45 >50 30-50 40-50 45-55 45-50 40-50 30-45 40-45 30-50 30-40 40-50 30-40 30-45 45-50 40-55 30-45 0-30 30-50 35-50 35-40 5-35 30-35 30-35 40-50 5-30 5-35 optató hatás gyéb tulajdonságok Nedvesen tapad, összeáll Nedvesen tapad, összeáll Összeáll Igen tapadó, összeáll Nehéz lapátolni Pora különösen koptató Törékeny P, törékeny Öngyulladásra hajlamos P Törékeny, nehéz lapátolni o Igen ömlékeny o N, összeáll, erősen porzik o N, o Finom por ukor, szemcsés 800-900 35-40 Sz Jelmagyarázat: - igen erős, - erős, - közepes, - csekély, N - nedvszívó, P - pora robbanékony, o - nedvesen korrodáló hatású, Sz - szennyezés rontja a minőséget. P P, Sz P N, P, Sz P, Sz P N, o, Sz, összeáll súrlódási tényezőt (m) különböztetünk meg, a kettő aránya általában µ 0, 7 0,9 µ = 0 A súrlódási tényező azon lejtőhajlásszögnek a tangense, amelyen a nevezett anyag nyugalmi állapotából éppen megcsúszik (r 0 ) vagy mozgás közben még egyenletes sebességgel tovább csúszni képes (r): µ = tgρ, µ = tgρ 0 0 d) Az ömlesztett anyagok egyéb jellemzői: Nedvességtartalom; egy része vegyileg kötött lehet. Mint az anyag alkotója, annak mechanikai tulajdonságát nem változtatja. Az anyag felületén tapadó vagy a szemcsék közötti hézagot kitöltő víz az anyag jellemzőit, térfogatsúlyát,
14. oldal ömleszthetőségét, rézsűszögét, belső súr1ódását stb. nagymértékben megváltoztathatja. A nedvességtartalmat az anyag kiszárítása előtt és utána mért tömege összehasonlításával a száraz anyag tömegszázalékában adjuk meg: G1 G N = 100%, ahol G1 az anyag tömege G szárítás előtt, és G szárítás után. Tapadás; főleg porszerű ömlesztett anyagoknál fordul elő, a nedvességtartalom a tapadást növeli. Szárazon is tapadó anyag a mészkőpor, kénpor stb. Törékenység; pl. koksz, szén. Nedvszívó képesség (higroszkopikus anyag). Az ilyen tulajdonságú anyagok a levegő nedvességtartalmát szívják magukba (sók, műtrágyák stb.). optató hatás (abrazivitás); elsősorban az anyag keménységétől függ. Nagymértékben koptató anyagok a kvarc, homok, vasérc, pirit, cement stb. orrodáló tulajdonságú anyagok a velük érintkező fémfelületeken, anyagokon fejtik ki hatásukat, pl. nedves hamu, konyhasó, nedves kén, nedves műtrágya stb. Magas hőmérséklet, pl.: izzó koksz, forró salak és hamu, izzó cementklinker. Összefagyás; Nagy nedvességtartalmú anyagoknál 0 o alatt előálló jelenség, pl.: nedves szén, érc. Robbanékonyság; gyes anyagok (liszt, szénpor, fűrészpor) levegővel keveredve robbanásszerűen gyulladnak meg. Öngyúlékonyság; azon anyagok tulajdonsága, melyekben huzamosabb ideig való tárolás közben vegyi reakciók hatására nagy mennyiségű hő fejlődik (nedves szén, kén, faforgács, olajos acélforgács stb.). gészségre ártalmas anyagok. gyes anyagok pora a légzőszervekre ártalmas (szilikózis), mások kifejezetten mérgező tulajdonságúak. Ilyen anyagokat porzásmentesen, gondosan elzárt és tömített anyagmozgató géppel kell szállítani. 1.3. Az ömlesztett anyag belső ellenállásai Szabadtéri tárolón elhelyezett ömlesztett anyagok szabad rézsűinek megállapításakor, tartályok, silók oldalfalára ható nyomás meghatározásakor, az ömlesztett anyag szállításakor, az anyagban fellépő ellenállások vizsgálatakor az ömlesztett anyagban ébredő belső ellenállások ismeretére szükségünk van. Vizsgálnunk kell azokat a belső erőket, amelyek lehetővé teszik, hogy az ömlesztett anyag egy bizonyos határig a külső erőhatásoknak, az anyag tömegének erőhatásából eredő terhelések hatásának ellenáll, és vizsgáljuk azokat a törvényeket, amelyek meg szabják az anyag megcsúszásának (törésének) feltételeit. Ha az ömlesztett anyag belső feszültsége külső erők hatására annyira megnövekszik, hogy legyőzi az anyag belső ellenállásait, az anyag megcsúszik, vagyis alakváltozást szenved. Azt a feszültséget, amelynél ez az állapot bekövetkezik, határfeszültségnek nevezzük. Szilárdsági számításainkban több irányú feszültségállapot esetén a törési veszély megítélésére a Mohr-féle elméletet alkalmazzuk. A törést előidéző feszültségi állapotokra megrajzoljuk a legnagyobb és legkisebb főfeszültségek Mohr-köreit. feszültségi köröknek közös burkolója van, amelynek alakja és nagysága az anyagra jellemző (1.. ábra). A határgörbe alakját kísérleti vizsgálatok alapján állapíthatjuk meg. Mohr szerint az elcsúszás síkjában ébredő s és t feszültségek a t=f(s) összefüggést kielégítik, így a csúszás síkjához tartozó képpont a határgörbén fekszik. A talajmechanikában a Mohr-féle elméletnek ou1omb szerinti egyszerűsített alakja használatos, amely a t=f(s) összefüggésnek lineáris értelmet tulajdonít (1.3. ábra). A kísérletek szerint az ömlesztett (szemcsés) anyagokra a gyakorlatban előforduló feszültségi állapotok túlnyomó részében a megfelelő határ- 1.. ábra. A Mohr-féle feszültségelmélet határgörbéje 1.3. ábra. oulomb-egyenes
15. oldal görbeszakasz közelítő alakja egyenes. oulomb szerint az anyag törését az idézi elő, hogy az anyag szemcséi között fennálló belső súrlódást és kohéziót a nyírófeszültség túllépi: τ = tgϕ+ c képletben f az ömlesztett anyag egyes szemcséi között fellépő súrlódási szöget, az ún. belső súrlódási szöget, c a kohéziónak a felületegységre jutó értékét jelenti. Azt a felületet, amelyen az anyag törése (elmozdulása) bekövetkezik, csúszólapnak nevezzük. Így tehát az ömlesztett anyag nyírószilárdságán a nyírófeszültségekkel szemben tanúsított legnagyobb ellenállást értjük. Ha ezt a belső ellenállást a külső erőhatás túllépi, csúszás (törés) következik be. A nyírószilárdság két összetevője: 1. A belső súrlódás t 1 =stgf, amely feszültség az egymással érintkező szemcsék között a mozgással szemben lép fel.. A kohézió t =c, amely a szemcséknek egymást kölcsönösen vonzó hatása következtében keletkezik, s a szemcséket tömör tömegként összetartja. Az egyenlet szerint a kohézió a normálfeszültségtől független. Értékét a zérus normálfeszültség melletti nyíró szilárdság adja meg. A nyírószilárdság még számos más, az egyenletben nem szereplő tényezőnek is függvénye, és így a valóságos viszonyokat hűen nem adja meg. Mindezek ellenére a oulomb-egyenlet általánosan használt segédeszköz ömlesztett anyagok stabilitási határhelyzetének vizsgálatában. Az 1.3. ábra a oulomb-egyenes (AB) egy általános alakját ábrázolja, amikor az ömlesztett anyag mind súrlódással, mind kohézióval rendelkezik. A kohéziós anyagok nehezen ömleszthetők, összeálló, tapadó tulajdonságúak (pl. nedves agyag, salak). A visszamaradó anyag függőleges falat képes alkotni. Szállítás szempontjából kellemetlen tulajdonságú anyagok. Ha c=0, akkor nyíró szilárdság csak súrlódásból származik, tehát nincs normálfeszültség, s ekkor a súrlódás zérus (1.4. ábra). különleges esethez tartozó anyagok könnyen ömleszthetők, nem formálhatók, jól szállíthatók. Ilyen anyagok a gabona, kavics, száraz homok, osztályozott kazánszén stb. Az e csoportba tartozó anyagok jellemezhetők a természetes rézsűszöggel is: α φ (1.5. ábra). Természetes rézsűszögnek az ömlesztett, szabad anyagkúp alkotójának a vízszintes síkkal bezárt legnagyobb hajlásszögét értjük. ülönleges ömlesztettanyag-típusba tartoznak a (f 0-val és c 0-val jellemzett kohéziós anyagok, amelyeknél a nyírószilárdság közel állandó és a normálfeszültséggel alig változik (1.6. ábra). z a típus szállítás szempontjából igen kellemetlen anyag, könnyen formálható, nem ömleszthető. Ilyen anyagok pl. a nedves agyag, bentonit, zsír stb. A nyírószilárdság meghatározása legegyszerűbben közvetlen nyíró kísérlettel történhet, amelyet az 1.7. ábrán vázolt készülékkel, az ún. nyíródobozzal végeznek. gy álló és egy mozgó keret között elhelyezett ömlesztett anyagmintára N függőleges 1.4. ábra. oulomb-egyenes kohézió nélküli ömlesztett anyagra ömlesztett anyagmintára 1.5. ábra. Természetes rézsűszög meghatározása 1.6. ábra. oulomb-egyenes csak kohézióval rendelkező anyagra 1.7. ábra. Nyíródoboz 1 - mozgó keret; - ömlesztett anyagminta; 3 - nyomótest; 4 - a nyírás síkja
16. oldal és T vízszintes erőt adunk át, s a vízszintes terhelést a csúszás bekövetkezéséig növeljük. A kísérletet különböző N értékek mellett megismételve, meghatározhatók a különböző normálfeszültségek mellett fellépő nyírófeszültségek; ezek értékét a normálfeszültség függvényében ábrázolva, a oulomb-egyenest kapjuk. Az így felrajzolt oulomb-egyenes kohéziós anyagok esetén a s = 0 helyen kimetszi a kohézió értékét. [14] A minta mérete kb. 9x1cm, vastagsága 3-4 cm 0...1cm szemcseméretre. Nagyobb szemcséjű anyagok nyírási ellenállásának mérésére nagyobb nyírási felületű készüléket használnak. A mérés kifogásolható hibái: A nyírt felület a mérés alatt változik. A s és t feszültségek eloszlása ismeretlen, csak durva átlagértéket ad. Nehézséget okoz az erők síkjának pontos beállítása. Ha nem sikerül a nyíróerőt a kijelölt nyírási síkban működtetni, a feszültségeloszlás egyenlőtlen lesz. 1.4. Nyomásviszonyok a tartályban Folyadékkal telt tartály oldalfalára ható vízszintes nyomás a vizsgált pont feletti folyadékoszlop magasságától függ, és az a függőleges nyomással azonos. Ömlesztett anyaggal telt tartály esetén, az anyagszemcsék súrlódása következtében, az oldalfalakra ható nyomás azonban kisebb lesz, mint a vizsgált pont feletti anyagoszlop nyomása. Nem magas tartályokban tárolt ömlesztett anyagok oldal- és fenéknyomása közelítően a következő módon határozható meg. A függőleges nyomás (s 1 ) és a vízszintes irányú (s ) nyomás a főfeszültségi irányokba esik. Felhasználva a Mohr-feszültségelmé1et megállapításait, amely szerint a megcsúszás (törés) nem ott következik be, ahol a csúszó síkok mentén a s vagy a t feszültség értéke a legnagyobb, amely tehát 45 szöget zár be a főfeszültség irányával, hanem ott, ahol az eredő feszültség a lehetséges legnagyobb szöget zárja be a felületelem normálisával. súszás tehát akkor következik be, ha a megcsúszás síkját ábrázoló képpont nemcsak a főfeszültségi körön, hanem a határgörbén is rajta fekszik, azaz a Mohr-féle főfeszültségi kör érinti a oulomb-egyenest (1.8. ábra). Az ábrán a csúszó lap irányát az a P egyenes adja meg, amely a főfeszültség irányával ϕ α = 45 + szöget zár be. Jól ömleszthető anyagokra (c = 0) a oulomb-elmélet szerint a két főfeszültség viszonya törés esetén az 1.8. ábra alapján felírható. 1.8. ábra. Rankin-féle tényező meghatározása A Mohr-féle feszültségi kör sugara 1 A főfeszültségek és φ között a következő összefüggés áll fenn: az ahol derékszögű háromszögből 1 ( 1 ) 1 sinϕ = = 1 1 ( 1+ + ) ebből következik 1 1+ sinϕ 1 cos( 90 ϕ ) ϕ = = = tg 45 + 1 sinϕ 1+ cos( 90 + ϕ) A két főfeszültség viszonya csúszás esetén ϕ = tg 45 = k a 1 tehát a vízszintes és függőleges nyomás viszonyszáma, az ún. Rankin-tényező értéke egyedül az ömlesztett anyag belső súrlódási szögétől függ. isebb súrlódási szögű anyag esetén az oldalnyomás növekszik. ohézióval bíró ömlesztett anyag esetén pedig (c 0) (1.3. ábra) ϕ ϕ = 1tg 45 c tg 45 Az e fejezetben leírt oldalnyomást, amikor az anyagoszlop az álló oldallapra fejt ki nyomást, "aktív nyomás" -nak nevezik (k a ). Szállítógépeknél előfordul (kaparólánc, rédler), hogy a mozgó fal nyomja az álló anyagot. A mozgó továbbítólapon fellépő vízszintes irányú ún. "passzív falnyomás" értéke nagyobb az aktív nyomásnál. z esetben a Rankin-tényező ϕ k p = tg 45 +
17. oldal Silónyomás. Szemcsés, jól ömleszthető anyagok nagy mennyiségben való tárolására nagy magasságú, viszonylag kis alapterületű tartályok, ún. silók szolgálnak. A silóban felhalmozott anyag a fenéklemezre, az oldalfalak súrlódása miatt, a hidrosztatikai nyomásnál kisebb nyomást gyakorol. Janssen mutatott rá arra, hogy az ömlesztett anyag tömegének erőhatása egy részét a falsúrlódás veszi fel. A silóban az anyagnyomás logaritmikus görbe szerint növekszik. A tárolt anyag egy meghatározott rétegmagasságán felül gyakorlatilag nyomásnövekedés nem következik be, a silónyomások már állandónak tekinthetők. Janssen (1895) és oenen (1896) szerint a kör keresztmetszetű silóban terheletlen felszínű, kohézió nélküli szemes anyagban a dz vastagságú elemi hasábra (l.9. ábra) a felső és alsó lapján s z, ill. s z +ds z 1.9. ábra. Nyomáseloszlás a silóban függőleges feszültség működik, az oldalfelületen pedig s x vízszintes és t függőleges irányú feszültség hat, és emellett figyelembe kell venni az elemi hasáb tömegének erőhatását is. Az egyensúly feltételét kifejező differenciálegyenlet: Az + Aρhdz A( z + dz) τudz = 0 ahol A a siló keresztmetszetének területe, U a siló keresztmetszetének kerülete, s z a fenéknyomás, s x az oldalnyomás, t falsúrlódás, r h halmazsűrűség. A s x vízszintes irányú feszültséggel kapcsolatban felteszik, hogy s z és s x viszonya a főfeszültségnek az anyag megcsúszása esetén fennálló összefüggésévei azonos: x ϕ = tg 45 z Feltételezik továbbá, hogy az elmozdulások a siló teljes hosszán bekövetkeznek. Bevezetve a falsúrlódás tényezőjét τ µ f = tgδ = x és a τ x ϕ = tgδ = tg 45 tgδ = χ z z viszonyszámot, az előbbi differenciálegyenletet a következő egyszerű alakra hozhat juk: d z U + χ z = ρh dz A A fenti elsőfokú differenciálegyenlet megoldása z=0, s z =0 határfeltétel esetén: U A ρ χ z h A z = 1 e U χ U A ρ χ z h A x = 1 e U tgρ Ha z, akkor Aρh Aρh z max = és xmax = Uχ Utgρ A silóban tárolt anyagban az előbbiek alapján számított feszültségek eloszlását mutatja az 1.10. ábra. Az átmérő négy-hatszoros mélységében már alig különböznek a fentiek szerint számított maximális értékektől, és gyakorlatilag állandónak vehetők. Silókban végzett mérések jó egyezést mutattak a mért és az előbbiek szerint számított értékek között. 1.10. ábra. A függőleges és vízszintes irányú nyomáseloszlás a gabonasilóban
18. oldal 1.11. ábra. Szállítócsatorna Példa. gy anyagmozgató gép l hosszúságú álló, függőleges oldalfalakkal ellátott csatornájában jól ömleszthető (c=0) anyagot oly módon helyezünk el a szállítóelemen, hogy az a csatorna szélességéhez viszonyítva kis rétegmagasságú [h(m)] (1.11. ábra). Megállapítandó az anyag és az oldalfalak között ébredő súrlódási ellenállás nagysága? Az ömlesztett anyag belső súrlódási tényezője m=tgf, halmazsűrűsége r h (kg/m 3 ). Az ömlesztett anyag függőleges falon kifejtett oldalnyomása a ϕ Rankin-tényező, ( ) k = tg 45 segítségével számítható. A a függőleges irányú nyomás a szállítóelemen egyenletesen oszlik el s z.=hr h g (N/m ). A vízszintes irányú oldalnyomás (s x ) az anyagrétegmagasságával arányosan változik, legnagyobb értéke a szállítóelem síkjában = khρ g ( N/m ) xmax a h Az oldalfal egységnyi hosszúságú szakaszára ható oldalerő x max h F = A = h = k ρ g ( N/m), 0 xátl. 0 a h x max ahol = (N/m ) az oldalnyomás középértéke. x átl. Ha az anyag és a fal közti mozgó súrlódási tényező m f a két oldalfalon l hosszban ébredő súrlódási ellenállás nagysága S = µ Fl = µ k h ρ l N f 0 f a h ( ) 1.5. Áramlási viszonyok a tartályban Az ömlesztett anyag kifolyása a tartályból llentétben a folyadékok ismert kifolyásával, az ömlesztett anyagnak először közvetlenül a tartály kiömlőnyílása felett levő része folyik ki. Azután a felette levő rétegekből áramlik az anyag utána. Lufft rétegenként festett homokkal, tehát kohézió nélküli szemcsés anyaggal végrehajtott kísérletei (1.1. ábra) szemléltetően mutatják a tartály tartalom kiürülését. Az anyagfelszín síkja nem süllyed egyenletesen, amint az a folyadék esetében történik, hanem a kiömlőnyílás fölött behorpad. [15] 1.1. ábra. A tartály ürítésének különböző fázisai 1.13. ábra. A tartály kiürülésének vázlata Az anyagfelszín behorpadását követően a tartályban levő anyagban tölcsér és egy anyaggal telt függőleges csatorna képződik, amelyben az anyag lefolyik. A továbbiakban az anyag felülről a tárolt anyag felső részén képződő síkon csúszva és csörgedezve középre, majd függőlegesen lefelé haladva kifolyik. Az 1.13. ábra vázlatosan szemlélteti ezt a folyamatot. lőször az 1-gyel jelölt rész ömlik ki, ezt követi a rész, majd a két 3 rész a 3 és a 4 rész közötti határfelületen, végül a 4 rész csúszik le. Legtöbb esetben ezt követően az 5 rész megcsúszik a ferde tartályfalon és a tartály kiürül. Az utolsó fázis kiömlési módja nagymértékben függ a tartály alakjától és az anyag tulajdonságaitól. A teljes kiürülési folyamat természetesen nem ilyen élesen elhatárolt fázisokban történik, hanem azok részben egybefolynak. Rudolf vapil [15] nagyszámú kísérletet végzett különféle ömlesztett anyagok tartályból való kiömlése mozgástörvényeinek megállapítására. Szerinte a tartály kiürülésekor a kiömlőnyílás felett, a nyílástól
19. oldal kiinduló forgási ellipszoidon belül jön mozgásba az anyag (1.14. ábra). Megállapítása szerint a tartályban levő ömlesztett anyag a kiömlés során primer és szekunder mozgásokat végez. A primer mozgás függőleges irányú, és a laza ömlesztett anyag tömörödését okozza. A szekunder mozgás ezzel szemben lehetővé tesz keveredést vízszintes irányban, és csökkenti az egyes szemcsék közötti távolságot, ezáltal szintén tömöríti a tárolt anyagot. Általában finom szemcséjű anyag nyújtott ellipszoidot, míg a durva szemcséjű anyag rövid, széles ellipszoidot ad. A primer mozgást burkoló ellipszoid térfogata 15-szöröse a szekunder mozgást végző anyag ellipszoidjának: V 1 = 15V Az ellipszoidtérfogatok és az ellipszoid-nagy tengelyek értékei az anyagjellemzőktől (szemnagyság, nedvességtartalom stb.) függenek. A meredekebb hajlásszög előnyösebb, mert a folyási viszonyokat lényegesen javítja, annak ellenére, hogy a laposabb boltozat könnyebben tud a fenéklemezen megtámaszkodni. A kiömlőnyílás mérete ifolyáskor az ömlesztett anyag viselkedése a tartály szerkezeti kialakításától és az ömlesztett anyag tulajdonságaitól függ. Jó kifolyási tulajdonságúnak nevezzük azt a tartályt, amelyből az ömlesztett anyag torlódás nélkül egyenletesen ürül ki. lérésére nagy keresztmetszetű kiömlőnyílást kell tervezni. nnek azonban határt szabnak a csatlakozó berendezések pl. az adagoló vagy elzáró méretei. Gyakorlati tapasztalat szerint még jól folyó ömlesztett anyag esetén is a kiömlőnyílás legkisebb résszélessége a szemcseméret (w) hatszorosa. vapil szerint a szükséges legkisebb négyzetes nyílás biztonságos keresztmetszete A= b(5w) [15], ahol b a kifolyási biztonsági tényező = 1,4, w a szemcseméret. A tartályok kiürítésének egy további problémája a boltozódás. zen azt a jelenséget értjük, amikor a tartály kiürítésekor az ömlesztett anyagban olyan boltozatok képződnek, amelyek a tárolt anyag kifolyását megakadályozzák. A boltozódásra való hajlam nagymértékben függ az anyag szemnagyságától, a szemek alakjától, az anyag nedvességtartalmától, belső súrlódásától, az ömlesztett anyag és a tartályfal közti súrlódástól. zenkívül befolyásolja a boltozódást a tartály alakja és kiömlőnyílása is. Fenti tényezők közül előnyös a mennél nagyobb kiömlőnyílás, és a megfelelő fenéklemez-hajlásszög. 1.14. ábra. iömlési ellipszoidok vapil [15] szerint 1 - kiömlőnyílás; - lefolyótölcsér; 3 - primer mozgás ellipszoidja; 4 - szekunder mozgás ellipszoidja; 5 - az ömlesztett anyag rézsütölcsére A tartály kiürítésekor lejátszódó folyamatok az ömlesztett anyag fajtázódására adnak lehetőséget. ülönböző összetevőkből álló ömlesztett anyagok átrakodásakor fajtázódási jelenség figyelhető meg. A fajtázódás eredményeként az egynemű ömlesztett tömeg átrakodásakor a keverékből az összetevő anyagok kiválnak és külön rakódnak le. A kiválasztódásnak két módja van: 1. Az ömlesztett anyagösszetevők szemnagyság szerinti osztályozódása.. Az ömlesztett anyagösszetevők fajsúly szerinti fajtázódása. Szemnagyság szerinti szétválasztódáskor a nagyobb szemnagyságok igyekeznek az ömlesztett anyaghalom külső szélére jutni, míg a fajsúly szerinti fajtázódáskor a súlyosabb anyagrészek az ömlesztett tömeg magjába igyekeznek jutni. Ha a tartályt tartósan telve tartják, akkor fennáll annak a veszélye, hogy a később beszállított anyag azonnal kifolyik, és a régebben tárolt anyag a tartály-
0. oldal ban marad. A visszamaradt rész csak akkor újulhat meg, amikor a tartályt teljesen kiürítették. Öngyulladásra hajlamos kazánszén esetén gondosan kell ügyelni arra, hogy a tartályt rövid időközökben teljesen kiürítsék. Az eddig ismertetett tartálykifolyási mód szerint látható, hogy az ömlesztett anyag nem olyan összetételben folyik ki, amilyenben azt a tartályba töltötték. A változatlan anyagösszetétel gyakran lényeges követelmény a további termelési folyamat számára. probléma megoldásával a gyakorlatban sokszor foglalkoznak, és különféle módszerekkel e kérdést részben megoldják [1], [16]. 1.15. ábra. Tartály, beépítet elosztókúppal gyik módja a kérdés megoldásának a tartály kiömlőnyílása felett, meghatározott magasságban egy elosztókúp beépítése (1.15. ábra), ez a teljes bunkerkeresztmetszetben viszonylag egyenletes anyagáramot létesít. Még előnyösebb két kiömlőnyílás alkalmazása elosztókúppal. így jobban biztosítható az egyes tartályzónák egyenletes kiürítése.