гибкий бункер

Формула изобретения

1. Гибкий бункер, содержащий емкость, выполненную в виде гибкой криволинейной оболочки, крепление которой осуществлено в ее верхней части, отличающийся тем, что оболочка выполнена свободно подвижной и закреплена верхними продольными краями на горизонтальном распределителе нагрузки, соединенном с опорами таким образом, что в рабочем положении нижний криволинейный участок оболочки в поперечном сечении имеет форму полуокружности, а верхние продольные участки оболочки имеют форму вертикальных прямых.

2. Гибкий бункер по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит поперечный горизонтальный распределитель нагрузки, представляющий собой гибкий элемент, выполненный, например, в виде троса, гибко закрепленного относительно вертикальных стоек.

3. Гибкий бункер по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что содержит дополнительные опорные элементы, которые равномерно закреплены на горизонтальных распределителях нагрузки и выполнены в виде тросов или канатов, противоположные концы которых закреплены относительно опорных стоек.

4. Гибкий бункер по любому из пп.1, 2, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными фиксирующими связями, которые представляют собой гибкие тросы, установленные радиально относительно полуокружности оболочки, при этом один конец троса шарнирно закреплен на внешней стороне криволинейного участка оболочки, а противоположный ему конец жестко закреплен относительно опорных стоек.

5. Гибкий бункер по п.1, отличающийся тем, что оболочка снабжена по меньшей мере одной гибкой поперечной перегородкой, разделяющей ее на изолированные секции.

6. Гибкий бункер по п.5, отличающийся тем, что оболочка снабжена гибкими поперечными перегородками, разделяющими ее на изолированные секции, а верхние продольные края оболочки снабжены упрочняющими элементами в виде жестких участков, которые последовательно установлены и шарнирно соединены между собой и с опорами посредством связей, которые опираются на подвижные колесные опоры, снабженные направляющими.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к области гидромеханизации и может быть использовано при очистке водоемов от донных отложений, при добыче полезных ископаемых способами гидромеханизации и транспортировке их на большие расстояния потребителю.

Гибкие бункеры используются в горнодобывающей промышленности для накопления полезного ископаемого с последующей его выгрузкой в грузовой транспорт. Бункеры имеют емкость, выполненную в виде гибкой криволинейной оболочки, имеющей в поперечном разрезе форму параболы, что позволяет эффективно использовать их при накоплении и выгрузке сыпучих материалов, таких как песок, гравий, щебень, руда, уголь. Для предотвращения зависания продукта на стенках бункера оболочку и изготавливают в форме параболы. При этом емкость бункера в виде параболы сохраняет свою фиксированную параболическую форму на всем протяжении эксплуатации бункера. Обеспечивается этот эффект установкой дополнительных ребер жесткости на стенках оболочки и жесткостью поперечных стенок. Данная конструкция более эффективна по сравнению с обычными бункерами, в которых вертикальные и наклонные элементы емкости выполнены в виде прямых плоскостей и требуют большего усиления жесткости, чем кривые поверхности параболической оболочки. Чем больше объем бункера, тем более эффективно применение в них гибких оболочек.

Однако гибкие бункеры, емкость которых выполнена в виде параболы, неэффективно применять для отстоя гидросмесей и накопления осадка, т.к. гидросмесь не имеет угла внутреннего трения в отличие от сыпучих материалов и оказывает большое гидростатическое давление на параболические стенки оболочи, деформирует их наружу и требует установки дополнительных ребер жесткости.

Известен гибкий металлический бункер (А.С. SU №1063721, кл. В65D 88/16, 1982 г.). Конструкция указанного бункера содержит гибкую оболочку и вертикальные жесткие стенки, которые соединены с торцевыми стенками бункера посредством жестких связей. Торцевые стенки приварены к оболочке, а стык вертикальных стенок с оболочкой снабжен уплотняющими гибкими крепежными элементами. Оболочка в поперечном сечении имеет форму параболы.

Недостатком такого бункера при работе с гидросмесью является тот факт, что вертикальные жесткие и торцевые стенки будут испытывать и передавать на каркас большие распорные усилия от давления жидкости и ее силы тяжести, поэтому требуют значительного усиления конструкции. Конструкция является металлоемкой и неэффективной при работе с гидросмесью.

Известны гибкие металлические бункеры, описанные в книге Розенблит Г.А. "Стальные конструкции зданий и сооружений угольной промышленности", Москва, Углетехиздат, 1953, стр.149, рис.192, "а" и "б". В указанной конструкции емкостная часть гибкого бункера может быть ограничена не только криволинейной поверхностью днища в виде параболы, как в схеме "а", но также может быть образована криволинейным параболическим днищем и двумя вертикальными жесткими стенками сверху, что увеличивает рабочий объем бункера. При этом сама криволинейная оболочка подвешена под вертикальными жесткими стенками бункера. Такие бункеры имеют хорошие эксплуатационные показатели, просты, требуют малого расхода металла. Но при работе с гидросмесью при больших объемах гидродобычи такие бункеры не надежны, так как испытывают большие внутренние напряжения распора на каркас через жесткие вертикальные стенки. Внутреннее давление гидросмеси также требует усиления конструкции бункера.

Известен гибкий параболический металлический бункер, содержащий гибкую оболочку, продольные балки, поперечные балки-распорки, жесткие торцевые стенки, тяжи, течки и колонны, описанный в книге Мельникова Н.П. "Металлические конструкции", 2 изд., Москва, Стройиздат, 1980, рис.23.7. В указаной конструкции криволинейная оболочка емкости бункера в поперечном сечении описывается параболической кривой, как правило, по формуле: , где b - ширина бункера.

Однако при загружении бункера гидросмесью оболочка бункера деформируется, раздвигается за пределы торцевой стенки и материал вываливается. Данную конструкцию бункера нельзя использовать для приема гидросмеси вследствие того, что через стык оболочки с торцевой стенкой происходит подтекание жидкости. Кроме того, как и все параболические оболочки, данный бункер будет испытывать сильные распорные нагрузки, которые увеличиваются пропорционально весу содержимого в бункере материала и пропорционально его ширине.

В качестве прототипа выбран гибкий бункер объемом 10000 т для руды, описанный в книге Васильева А.А. "Металлические конструкции", Москва, Стройиздат, 1979, стр.408-409. В этом известном устройстве гибкий бункер содержит емкость, выполненную в виде гибкой криволинейной оболочки, которая закреплена в ее верхней части. Для того, чтобы оболочка бункера работала главным образом на растяжение, она имеет форму параболы, рассчитываемой по уравнению: , где l - половина ширины бункера.

Недостатком выше описанных оболочек бункеров является форма их поперечного сечения - параболы. При загрузке бункера в несущей конструкции (в каркасе) бункера возникает сильный распор, увеличивающийся прямо пропорционально весу содержимого и квадрату ширины бункера, что приводит к потере устойчивости верхних краев оболочки. Кроме того, в оболочке возникают значительные распирающие усилия от давления содержащегося в нем мвтериала, которые требуют усиления жесткости конструкции оболочки, установки дополнительных ребер жесткости, т.е. увеличения веса, металоемкости, а значит, удорожания бункера.

В основу настоящего изобретения положена задача разработать высокоэффективную, облегченную, простую в изготовлении и монтаже, удобную при эксплуатации, многофункциональную в применении конструкцию гибкого бункера с использованием гибкой свободно подвижной оболочки, позволяющую сократить металлоемкость конструкции, сократить трудозатраты при изготовлении и расширить ее эксплуатационные возможности.

Поставленная задача решается тем, что емкость гибкого бункера содержит, по меньшей мере, одну накопительную секцию, оболочка которой выполнена свободно подвижной, ее нижний криволинейный участок в рабочем положении в поперечном сечении имеет форму полуокружности, кривизна которой определяется формулой: , где R - радиус полуокружности, х - значение абсциссы, лежащей в пределах от -(R) до +(R), при этом площадь F поперечного сечения бункера, ограниченная полуокружностью криволинейного участка, соответствует формуле: , где L=2R - ширина бункера, а ее верхние прямолинейные участки имеют форму вертикальных прямых. Один из вертикальных участков оболочки снабжен, по меньшей мере, одним сигнальным датчиком отклонения прямолинейного участка стенки от вертикальной оси. Продольные края оболочки закреплены на горизонтальном распределителе нагрузки, который выполнен в виде жестких балок или ферм, опирающихся на вертикальные опорные стойки, а поперечный горизонтальный распределитель нагрузки представляет собой гибкий элемент, выполненный, например, в виде троса. Оболочка, опирающаяся на вертикальные опорные стойки, содержит дополнительные опорные элементы, которые равномерно закреплены на ее продольных краях и выполнены в виде тросов или канатов, противоположные концы которых закреплены относительно опорных стоек. Бункер может быть снабжен дополнительными фиксирующими связями, которые представляют собой гибкие тросы, установленные радиально относительно полуокружности оболочки, при этом один конец троса шарнирно закреплен на внешней стороне криволинейного участка оболочки, а противоположный ему конец жестко закреплен относительно опорных стоек. Внутренняя полость емкости снабжена гибкими поперечными перегородками, разделяющими ее на изолированные секции, а верхние продольные края оболочки снабжены упрочняющими элементами в виде жестких участков, которые последовательно установлены и шарнирно соединены между собой и с опорами посредством связей, которые операются на подвижные колесные опоры, снабженные направляющими.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых дано его схемное решение:

фиг.1 - дан вид стационарного бункера спереди;

фиг.2 - дано поперечное сечение А-А фиг.1;

фиг.3 - дан вариант гибких опор для стационарного бункера большой длины;

фиг.4 - дано поперечное сечение В-В фиг.3;

фиг.5 - дан вариант выполнения передвижного бункера;

фиг.6 - показано поперечное сечение С-С фиг.5;

фиг.7 - дан вариант оболочки с поперечными перегородками;

фиг.8 - дана схема бункера при начальной нагрузке;

фиг.9 - дана схема бункера при полной рабочей нагрузке;

фиг.10 - дана схема бункера при его перегрузке.

Гибкий бункер для отстоя гидросмесей содержит гибкую свободно подвижную оболочку 1 (фиг.1, 2) с торцевыми стенками 2, которые содержат верхние края 3 продольные прямолинейные и криволинейные участки 4 в донной части. Оболочка 1 закреплена верхними краями 3 прямолинейных продольных участков к горизонтальным распределителям 5 нагрузок, которые опираются на вертикальные опорные стойки 6. В криволинейном участке 4 (фиг.2) оболочки 1 предусмотрены выгружные устройства 7 для выгрузки осажденного из гидросмеси 8 твердого материала 9 в транспортные средства 10.

Гибкий бункер может иметь, по меньшей мере, одно входное загрузочное устройство 11 для подачи гидросмеси в бункер и, по меньшей мере, одно выходное сливное устройство 12 для слива осветленной воды 13.

На одном из вертикальных участков оболочки в нижней его части установлен сигнальный датчик 14 отклонения прямолинейного участка стенки от вертикальной оси.

Поперечный горизонтальный распределитель нагрузок 15 торцевых стенок 2 выполнен в виде троса или каната, который гибко закреплен относительно вертикальных опорных стоек 6.

При большой длине бункера (фиг.3, 4) оболочка 1 состоит из отдельных полотен 16, соединенных в стыках 17, и содержит дополнительные опорные элементы 18, которые равномерно закреплены на ее горизонтальных распределителях 5 и выполнены в виде тросов или канатов, противоположные концы которых закреплены относительно опорных стоек 6.

Гибкий бункер может быть снабжен дополнительными фиксирующими связями 19 (фиг.3, 4), которые представляют собой гибкие тросы, установленные радиально относительно полуокружности донной части оболочки 1, при этом один конец троса шарнирно закреплен на внешней стороне криволинейного участка 4 оболочки 1, а противоположный ему конец жестко закреплен относительно опорных стоек 6.

Внутренняя полость емкости снабжена гибкими поперечными перегородками 20 (фиг.5, 6, 7), разделяющими ее на изолированные секции 21. Верхние продольные края 3 оболочки 1 снабжены упрочняющими элементами в виде жестких участков 22 (фиг.5, 6), которые последовательно установлены и соединены между собой шарнирными связями 23 и с опорами посредством гибких связей 24, которые опираются на подвижные колесные опоры 25. Опоры 25 снабжены направляющими 26.

Монтаж бункера осуществляют следующим образом. В продольном направлении, в два ряда устанавливают опорные стойки 6 с определенным расчетным шагом в каждом ряду и с расчетным пролетом L в поперечном направлении, т.е. между рядами. После этого на стойках 6 каждого ряда производят установку горизонтальных распределитей 5 нагрузок, к которым поочередно крепят верхние края 3 полотен 16 оболочки 1, набирая таким образом нужную длину оболочки 1. Полотна 16 изготовлены на заводе (сварены из стандартого стального листового проката), свернуты в рулон на катушку и привезены на строительную площадку, где они разворачиваются с катушки и с помощью траверсы и крана крепятся на распределителе 5 нагрузок с помощью болтов и сварки. После закрепления и выверки полотен 16 производят заделку стыков 17 между соседними полотнами 16. После чего внутри оболочки устанавливают гибкие торцевые стенки 2, снабженные входным загрузочным устройство 11 для подачи гидросмеси в бункер и выходным сливным устройством 12 для слива осветленной воды 13. Затем устанавливают выгружные устройства 7, обеспечивающие выгрузку готового продукта 9. В верхней части 3 оболочки 1 устанавливают сигнальный датчик 14 отклонения прямолинейного участка стенки от вертикальной оси. После монтажа оболочка 1 свободно висит под действием собственного веса и имеет в поперечном сечении удлиненную параболическую форму.

Устройство работает следующим образом.

Сначала гибкая оболочка 1 через входное загрузочное устройство 11 заполняется водой, не содержащей твердые примеси. В процессе наполнения оболочки 1 водой происходит постепенный рост напряжений в конструкции бункера за счет силы тяжести гидросмеси и давления жидкости на стенки оболочки 1. Весом самого полотна оболочки 1 бункера в данном случае можно пренебречь ввиду незначительности его веса по сравнению с весом жидкости.

В начале загрузки бункера жидкостью, когда радиус R нижнего криволинейного участка 4 мал по сравнению с шириной L бункера (фиг.8), полотно оболочки 1 имеет форму параболы. Растягивающие усилия Т от верхних участков оболочки 1 передают на опорные стойки 6 как вертикальную нагрузку от вертикальной составляющей V, так и горизонтальную нагрузку от распорного усилия Н, направленного горизонтально внутрь бункера.

H - это горизонтальная составляющая растягивающего усилия Т, действующего на оболочку 1, направленная наружу бункера. При этом горизонтальная реакция опор от этой горизональной составляющей Н всегда направлена в противоположную сторону, т.е. вовнутрь бункера. Поэтому при условии R<L распор Н стремится опрокинуть опорные стойки 6 вовнутрь бункера.

По мере роста уровня жидкости в оболочке 1 начинает увеличиваться гидростатическое давление жидкости на стенки. Благодаря тому, что оболочка 1 не имеет ребер жесткости ни на дном из ее участков, она свободно подвижна по всей своей поверхности. За счет роста давления жидкости внутри емкости бункера радиус R криволинейного участка 4 оболочки 1 увеличивается. Длина криволинейного участка 4 оболочки 1 и внутренний объем емкости увеличиваются. Нижняя гранница криволинейного участка 4 оболочки 1 поднимается вверх относительно основания опорных стоек 6. В тот момент, когда давление жидкости внутри оболочки 1 возрастает на столько, что раздвинет стенки оболочки 1 до ширины L бункера, верхние прямолинейные участки 3 оболочки 1 займут вертикальное положение (фиг.9). В системе наступает равновесие: внутреннее давление жидкости на стенки оболочки 1, направленное наружу бункера, компенсирует опрокидывающее усилие, направленное внутрь емкости. В результате этого оболочка 1 через свои вертикальные верхние участки 3 будет передавать на опорные стойки 6 только вертикальные нагрузки V от веса оболочки 1 и веса содержащейся в ней жидкости. При этом нижний криволинейный участок 4 оболочки 1 примет форму полуокружности с радиусом R, который будет равен половине ширины L бункера.

В случае дальнейшего заполнения оболочки водой выше оптимального уровня в конструкции бункера опять возникает распорное усилие Н (фиг.10), направленное изнутри наружу. При этом радиус R криволинейного участка 4 оболочки 1 начнет увеличиваться и будет больше половины ширины L бункера. При таком рабочем уровне загрузки бункера потребуется дополнительное усиление жесткости конструкции по сохранению его устойчивости.

Вертикальные участки, верхние края 3 прямолинейных участков оболочки 1, снабжены одним или несколькими сигнальными датчиками 14 отклонения боковых участков оболочки 1 от вертикальной оси. Они подают сигналы на загрузочно-сливные устройства 11, 12 бункера в случае отклонения стенок от вертикали, позволяя контролировать оптимальный уровень рабочей среды (гидросмеси).

После того, как установлено рабочее положение бункера, т.е. достигнуто вертикальное положение верхних краев 3 прямолинейных участков и полуокружности участка 4, из пульпопровода через входное загрузочное устройство 11 в бункер подается гидросмесь 8 (смесь воды и твердого материала). При попадании в бункер скорость движения гидросмеси 8 резко падает (например, с 5 до 0,045 м/сек), так как площадь поперечного сечение оболочки 1 во много раз превышает площадь поперечного сечения входного загрузочного устройства 11. Вследствие падения скорости движения гидросмеси и действия силы тяжести происходит выпадание в осадок твердых частиц 9, содержащихся в гидросмеси. В процессе дальнейшего продвижения вдоль оболочки 1 твердые частицы 9 оседают на днище криволинейного участка 4, образуя осадок 9, а осветленная вода 13, освободившаяся от твердых частиц, сливается из бункера через выходное сливное устройство 12. Для ускорения процесса осаждения твердых частиц может применяться электрофорез с помощью различных известных электрофоретических устройств, которые могут быть установлены внутри бункера (не показано).

При выгрузке осадка 9 из бункера через выгружные устройства 7 может происходить понижение уровня жидкости в емкости бункера, что может вызвать отклонение верхних краев 3 прямолинейных участков оболочки 1 от вертикали, вследствие чего начнет возникать распор - стягивание опорных стоек 6 внутрь, т.е. их завал. Для предотвращения этого эффекта при выгрузке готового продукта 9 необходимо обеспечить оптимальный уровень воды в емкости бункера. Для этого уменьшают объем слива осветленной воды 13, что и компенсирует уменьшение объема гидросмеси в бункере при его выгрузке.

Торцевые стенки 2 бункера выполняют гибкими, выпуклыми наружу. Причем в нижней части оболочки торцевые стенки принимают вид четверти сферы с таким же радиусом R, как и продольная часть, а в верхней части - вид боковой поверхности вертикального полуцилиндра с таким же радиусом R. Такая конструкция торцевых стенок убирает торцевые деформации в конструкции оболочки, возникающие на стыке жестких торцевых стенок с гибкой оболочкой, и позволит оболочке работать только на растяжение во всех ее точках. Для упрощения изготовления торцевую стенку 2 можно выполнить из прочной синтетической водонепропускаемой ткани, например, PVDF, акрила или тефлона, которая легко поддается раскройке и соединению (прошиванию, склеиванию или свариванию). При большой ширине бункера гибкая торцевая стенка 2 оболочки 1 снаружи может быть усилена (по расчету) сеткой, которая повторяет форму торцевой стенки 2.

Внутренняя поверхность оболочки 1 может быть покрыта рулонным композитным материалом, обеспечивающим сохранность оболочки 1 от истирания при выгрузке осадка, повышает долговечность конструкции емкости бункера.

При большой длине бункера гибкая оболочка 1 бункера в продольном направлении может быть собрана из отдельных полотен 16, соединенных между собой мягкими герметичными стыками 17, выполняющими роль деформационных и температурных швов. Это ускоряет монтаж, делает конструкцию оболочки быстро сборной и быстро разборной, если бункер устанавливается временно на какой-то объем работ.

При большой продольной длине бункера, например в 300 м и более, вместо опорного ряда продольных стоек 6 бункер может быть закреплен (подвешен) на гибких опорах 18. Такое конструктивное решение значительно удешевит конструкцию бункера, так как значительно сократит объем земляных работ, количество фундаментов, количество опорных стоек 6, стальных или железобетонных.

В случае использования емкостей с гибкими оболочками 1 в качестве водовода для транспортировки больших объемов жидкости на большие расстояния, например, для отвода воды при паводке, и при большой скорости потока в конструкции лотка могут возникнуть дополнительные напряжения, связанные с быстрым или ударным нагружением. При обтекании емкости оболочки 1 внутренним потоком жидкости, а также при внешнем ветровом воздействии могут наступить неустойчивые, колебательные режимы. Это может привести к раскачиванию емкости и потере равновесия опор 6. Для стабилизации конструкции бункера в таких ситуациях он может быть снабжен дополнительными фиксирующими связями 19, которые представляют собой гибкие тросы, установленные радиально относительно полуокружности 4 оболочки 1, при этом один конец троса шарнирно закреплен на внешней стороне криволинейного участка 4 оболочки 1, а противоположный ему конец жестко закреплен относительно опорных стоек 6.

С учетом того, что современные ткани, используемые, например, в текстильной арихитектуре (textiles architecture), обладают высокой прочностью, саму оболочку 1 бункера можно также полностью выполнять из этих тканей, подбирая под нужные размеры бункера ту или иную ткань. Наличие таких материалов позволяет использовать гибкую оболочку 1 в качестве бункера грузового поезда ленточного типа (фиг.5, 6, 7). В этом случае оболочка 1 будет иметь большую длину (300-500 метров) и подвешивается на подвижные колесные опоры 25, которые могут перемещаться по направляющим 26 (рельсам или канатам). В случае преодоления подъемов или перепадов высот между опорами при движении оболочки 1, имеющей форму бункерного поезда, для предотвращения вытекания жидкости и равномерного распределении гидросмеси по всей длине оболочки 1 внутренняя полость ее емкости снабжена гибкими поперечными перегородками 20. Перегородки 20 выполняются из такого же материала, что и сама оболочка 1, разделяющими ее емкость на изолированные секции 21. Верхние продольные края оболочки 1 снабжены упрочняющими элементами в виде жестких участков 22, которые последовательно установлены и шарнирно 23 соединены между собой и с колесными опорами 25 посредством связей 24, которые опираются на подвижные колесные опоры 25, снабженные направляющими 26 для осуществления движения. Направляющими 26 могут быть как рельсы, жестко поставленные на опорах пути, так и канаты подвесной канатной дороги, подвешенные на опорах канатной дороги.

При условиях, когда требуется провести большой объем гидродобычи, например, при очистке больших водохранилищ гидроэлектростанций от донных отложений, в год требуется добывать до 100 млн. м³ грунта. При отсутствии вблизи водоема достаточных площадей складирования добытого материала или жестких требований по охране окружающей среды использование предлагаемого бункера в качестве стационарного бункера отстойника и передвижного транспортного бункера позволят обеспечить высокую производительность и низкую себестоимость работ. Весь технологический процесс на берегу, начиная с приема гидросмеси, осаждения взвешенных частиц, осветления и возврата оборотной воды, выгрузки-погрузки гидросмеси с повышенной концентрацией твердого (до 80%) осуществляется одной установкой, без привлечения другой необходимой в этих случаях техники (бульдозеров, экскаваторов, самосвалов и т.п.), а транспортировка материалов на большие расстояния позволит добиться высокого КПД траннспорта, т.к. использование гибких бункеров из PVDF, акрила или тефлона позволит на 30% увеличить эффективность перевозок за счет уменьшения веса тары транспортного средства.