谷物储藏中动态载荷的研究与进展

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1、粮 仓 机 械 与 仓 房 建 设谷 物 储 藏 中 动 态 载 荷 的 研 究 与 进 展 X程 绪 铎(南 京 财 经 大 学 食 品 科 学 与 工 程 系 210003)摘 要 概 述 了 粮 仓 中 谷 物 动 态 载 荷 的 研 究 与 进 展 。 论 述 了 粮 仓 的 装 仓 压 力 、 卸 仓 压 力 、热 量 变 化 引 起 的 载 荷 、 谷 物 水 分 变 化 引 起 的 载 荷 和 振 动 引 起 的 载 荷 的 主 要 研 究 成 果 和 研 究 现状 ;并 简 述 了 未 来 的 研 究 方 向 。关 键 词 粮 仓 谷 物 储 藏 静 态 载 荷 动 态 载 荷

2、对 谷 物 储 藏 中 的 结 构 载 荷 的 研 究 始 于 19 世 纪中 叶 ,经 过 长 期 的 研 究 和 探 索 ,谷 物 静 态 载 荷 理 论 已经 形 成 ,由 于 谷 物 动 态 力 学 机 理 极 其 复 杂 ,其 准 确 的力 学 模 型 难 于 建 立 ,因 此 理 论 分 析 研 究 进 展 不 大 ,对它 的 研 究 主 要 靠 实 验 ,模 型 的 尺 寸 比 实 际 粮 仓 尺 寸小 ,其 实 验 结 果 没 有 足 够 的 理 由 等 比 例 放 大 到 实 际粮 仓 ,而 实 际 粮 仓 试 验 又 受 到 诸 多 条 件 的 限 制 ,试 验的 数 据

3、很 不 充 分 ,难 以 形 成 令 人 信 服 的 统 一 的 计 算方 法 。 目 前 ,国 际 上 有 几 种 谷 物 结 构 载 荷 规 范 ,它 们是 设 计 与 建 造 粮 仓 的 依 据 ,但 它 们 的 安 全 裕 度 留 得很 大 。 因 此 ,对 谷 物 动 态 载 荷 的 研 究 仍 在 进 行 之 中 。本 文 对 谷 物 储 藏 中 的 动 态 载 荷 的 主 要 研 究 成 果 与 研究 过 程 进 行 了 综 述 。1 动 态 载 荷 的 类 型在 储 粮 过 程 中 ,大 量 动 态 谷 物 载 荷 有 可 能 发 生 ,其 中 主 要 是 由 装 仓 载 荷

4、、 卸 仓 载 荷 、 热 量 变 化 引 起 的载 荷 、 谷 物 水 分 变 化 引 起 的 载 荷 、 温 度 电 缆 引 起 的 载荷 、 震 动 引 起 的 载 荷 。 这 些 载 荷 的 定 量 的 合 理 的 解仍 在 研 究 之 中 。 因 此 ,动 态 谷 物 载 荷 大 多 基 于 经 验方 程 求 解 ,它 们 多 是 将 静 态 载 荷 乘 上 一 个 因 子 ,这 些因 子 通 过 观 察 实 际 仓 中 或 模 型 仓 中 不 同 深 度 处 侧 向载 荷 而 得 到 。2 装 仓 压 力对 模 型 仓 和 实 际 仓 的 研 究 表 明 ,装 仓 时 作 用 在

5、仓墙 上 的 侧 向 压 力 和 竖 直 压 力 与 静 态 情 形 相 同 。 许 多谷 物 载 荷 规 范 将 装 仓 压 力 等 同 于 静 态 压 力 (ACI1991 ;DIN 1987 ;ASAE 1999) 。3 卸 仓 压 力对 于 高 与 直 径 之 比 小 于 1. 25 的 浅 仓 ,卸 仓 时 ,作用 于 仓 墙 上 的 侧 向 载 荷 比 静 态 时 大 得 不 多 ,其 原 因 是因 为 卸 仓 时 ,谷 物 以 漏 斗 模 式 流 动 (见 图 1 a) 。 深 仓(H/ D 1. 25) 足 够 深 以 致 在 谷 物 流 动 开 始 时 漏 斗 不能 形 成

6、。 卸 仓 时 谷 物 深 度 降 低 ,当 深 度 与 直 径 比 接 近1. 25 时 ,漏 斗 流 动 开 始 。 Nguyen 1 等 (1980)在 模 型 仓中 观 察 到 H/ D 接 近 1. 3 时 漏 斗 流 动 与 塞 子 流 动 开 始转 换 ,而 Usry 和 Thompson 2 (1986)在 一 个 大 直 径 仓中 观 察 到 漏 斗 流 动 与 塞 子 流 动 转 换 出 现 在 H/ D 接 近2. 0 时 。 谷 物 从 深 仓 中 卸 出 是 通 过 塞 子 模 式 流 动 (见图 1b) 。 有 些 人 试 图 从 理 论 上 定 义 卸 仓 时 的

7、 压 力 状态 ,但 大 多 数 的 研 究 工 作 是 用 实 验 来 测 量 模 型 仓 和 实际 仓 的 仓 墙 压 力 (如 : Caughey 1951 3 ; Turitzin1963 4 ; Thompson 1986 2 ) 。 许 多 因 素 对 最 大 动 压 力都 有 影 响 ,这 些 因 数 是 谷 物 颗 粒 大 小 、 卸 载 速 率 、 仓 高与 直 径 的 比 、 仓 墙 沟 纹 、 漏 斗 设 计 、 卸 载 偏 心 率 、 仓 墙刚 度 。 研 究 结 果 一 致 表 明 卸 仓 时 作 用 于 仓 墙 上 压 力超 过 由 Janssen 方 程 预 计

8、的 静 压 力 。 然 而 ,对 动 态 压力 大 小 和 位 置 的 研 究 结 果 是 不 一 致 的 。 自 1939 年 以来 许 多 研 究 者 报 告 了 模 型 仓 和 实 际 仓 动 压 力 的 测 量值 。 Takhtamishev 5 (1947)报 告 中 卸 仓 超 压 是 静 态 压力 的 2 3 倍 。 Kim 6 (1959) 在 模 型 仓 和 实 际 仓 的 试验 中 观 察 到 仅 在 谷 物 塞 子 流 动 时 动 态 超 压 才 出 现 。他 还 发 现 在 仓 底 中 心 卸 载 时 同 一 高 度 仓 墙 周 边 各 处的 压 力 不 是 常 数 。

9、 1959 年 ,Platonov 和 Kovtun 5 在 高与 直 径 的 比 为 6. 67 的 圆 筒 仓 试 验 中 测 出 超 压 因 子(动 压 力 与 静 压 力 之 比 ) 在 1. 67 2. 32 之 间 ,最 大 的84X 通 讯 地 址 :南 京 市 铁 北 街 12 号粮 食 储 藏 2007 (2)超 压 因 子 出 现 在 仓 顶 部 下 面 0. 8 H 处 。 1969 年 ,Deutsch 和 Schmidt 7 研 究 了 高 与 直 径 的 比 为 4. 62 的有 机 玻 璃 仓 的 超 压 ,仓 内 填 充 沙 子 ,仓 墙 高 的 下 部 2/7

10、 的 超 压 因 子 是 3. 8 ,中 部 2/ 7 的 超 压 因 子 为 3. 8 3 ,上 部 的 3/ 7 的 超 压 因 子 是 3 0。 1977 年 , Man2beeck 8 等 对 平 底 深 仓 ( H/ D = 5) 和 平 底 浅 仓 ( H/ D =1. 25) 进 行 卸 仓 试 验 ,结 论 为 : 平 底 浅 仓 ( H/ D =1. 25)中 没 有 超 压 ; 超 压 (超 压 因 子 是 0. 7 2. 4)出现 在 平 底 深 仓 (H/ D = 5)中 ; the Soviet Code (前 苏 联规 范 1965)适 合 预 计 深 仓 中 部

11、1/ 3 的 超 压 ,而 the Ger2man Code(德 国 规 范 1965) 适 合 预 计 深 仓 下 部 1/ 3 的超 压 。 在 一 个 深 仓 模 型 研 究 中 , Tyson 和 Manbeck 9(1980)测 量 了 卸 载 超 压 ,他 们 发 现 卸 仓 时 墙 刚 度 8 倍的 增 加 不 影 响 超 压 的 大 小 。 Schwab 10 (1989)研 究 平底 圆 筒 仓 (直 径 4. 08 m ,谷 面 高 20 m)中 谷 物 压 力 现象 ,得 到 一 些 关 键 结 论 : 卸 载 速 率 不 影 响 高 与 直 径的 比 为 1. 8 的

12、仓 底 板 载 荷 而 影 响 高 与 直 径 的 比 为 3. 0的 仓 底 板 载 荷 ; 一 个 完 整 倒 圆 锥 大 约 出 现 在 高 与 直径 的 比 为 1. 8 的 时 候 ; 开 始 时 的 H/ D 值 (1. 8 H/ D 3. 0)不 影 响 仓 墙 载 荷 。 Zhang 11 等 (1991)做 实 验 测量 卸 载 时 作 用 在 仓 墙 上 的 动 态 载 荷 。 他 们 报 告 仓 墙结 构 不 影 响 作 用 在 仓 墙 上 的 侧 向 载 荷 而 影 响 作 用 在仓 墙 上 的 竖 直 载 荷 。图 1 卸 料 时 流 动 状 态尽 管 超 压 因 子

13、 已 经 被 普 遍 地 报 告 ,但 是 它 的 大小 变 化 很 大 (从 低 的 1. 25 1. 5 到 高 的 3. 5 4. 0) ,而 且 它 随 谷 物 表 面 下 深 度 不 同 而 变 化 ,因 此 ,多 数 规范 (例 如 ,ACI 1991 ;DIN 1987 ;ASAE 1999) 或 者 定义 一 个 随 深 度 增 大 而 连 续 增 加 的 超 压 因 子 或 者 定 义一 个 随 不 同 深 度 带 阶 梯 增 加 的 超 压 因 子 。4 热 量 变 化 引 起 的 载 荷 12 204. 1 背 景热 量 变 化 引 起 的 载 荷 对 于 簿 壁 金 属

14、 仓 是 很 重 要的 。 当 仓 周 围 环 境 温 度 迅 速 下 降 ,谷 仓 金 属 簿 壁 收缩 ,与 自 由 收 缩 相 比 ,因 仓 内 可 压 缩 谷 物 的 存 在 ,仓壁 收 缩 是 不 完 全 的 ,这 种 收 缩 引 起 的 载 荷 超 过 静 态载 荷 ,称 作 热 量 变 化 引 起 的 载 荷 。 1964 年 , Wei2land 21 陈 述 了 在 温 度 迅 速 下 降 时 许 多 谷 仓 遭 到 了破 坏 ,1966 年 ,Anderson 22 首 先 给 出 了 估 计 圆 筒 仓因 热 量 变 化 引 起 的 作 用 在 仓 墙 上 的 载 荷 的

15、 半 经 验 数学 公 式 :PT = Eg T/ ( rn/ t) + 1 - v其 中 , PT 是 侧 压 力 , Eg 是 被 储 藏 谷 物 弹 性 模量 , 是 热 膨 胀 系 数 , T 是 温 度 变 化 值 , r 是 谷 仓半 径 , n 是 被 储 藏 谷 物 弹 性 模 量 与 仓 墙 弹 性 模 量 的比 , t 是 仓 墙 厚 度 , v 是 仓 墙 泊 松 比 。4. 2 热 量 变 化 引 起 的 载 荷 的 测 量Britton 23 (1973) 和 Myers 24 (1974) 首 先 测 量热 量 变 化 引 起 的 作 用 在 仓 墙 上 的 载 荷

16、 。 Britton 观察 到 模 型 仓 周 围 环 境 温 度 下 降 11 时 仓 墙 应 力 增加 25 %。 Myers 也 报 告 了 仓 周 围 环 境 温 度 下 降 时 谷物 作 用 在 仓 墙 上 的 压 力 增 加 。 Blight (1985 ,1988) 报告 了 由 热 量 变 化 引 起 的 载 荷 的 实 验 结 果 。1980 年 代 初 ,美 国 宾 夕 法 尼 亚 州 立 大 学 开 始 了系 统 的 研 究 工 程 : 用 实 验 数 据 来 研 究 和 量 化 由 热 量变 化 引 起 的 载 荷 ; 建 立 一 个 数 值 模 型 来 预 计 储 藏 颗粒 固 体 容 器 中 的 热 量 变 化 所 引 起 的 载 荷 。 Man2beck 18 等 (1984) 、 Zhang 19 等 (1987