Оборудование и методика проведения экспериментальных исследований физико-механических свойств грузов
Цель работы: изучение приборов и методик проведения экспериментов по определению основных физико-механических свойств насыпного груза.
Краткие теоретические сведения
Геометрические параметры хранилищ сыпучих материалов, таких как бункерные устройства, силосные башни элеваторов, кузова транспортных средств должны выбираться по условию надежного истечения материалов из выгрузного отверстия, что напрямую влияет на сохранность груза. Указанными параметрами являются форма и размер выпускного отверстия, материал и угол наклона стенок выгрузной воронки, и правильный их выбор обеспечивает стабильный поток сыпучего груза без зависаний и сводообразования.
Вследствие неоднородности частиц насыпных грузов, отличающихся между собой химическим составом, размерами, формой, структурой, содержанием влаги и жира, определенному компоненту присущи соответствующие биохимические и структурно-механические свойства, обуславливающие его сыпучесть и слеживаемость. Изменение значения физико-механических характеристик при различных условиях хранения приводит к несоответствию и большому количественному разбросу данных об основных свойствах грузов. Например, такой характерный показатель, как угол естественного откоса комбикорма по нормам, принятым в России, равен = 40о, а по нормам, принятым в Германии, = 25о.
Объективные характеристики сыпучего груза, влияющие на стабильность истечения, их изменчивость, не учитываются при проектировании бестарных хранилищ, вследствие чего построенные бункера транспортно-складских комплексов (в том числе специализированные вагоны-хопперы), особенно для трудносыпучих материалов, зачастую изначально оказываются неработоспособными и нуждаются в реконструкции. При определении конструктивных параметров бункеров важнейшим критерием являются физико-механические свойства хранящихся грузов. Согласно положениям механики сыпучих сред ими являются: гранулометрический состав, объемная плотность, влажность, углы естественного откоса и обрушения, коэффициенты внутреннего и внешнего трения, сопротивление сдвигу.
Исследуемые физико-механические свойства грузов определяются по соответствующим методикам и ГОСТ:
- отбор проб по ГОСТ 18681-73 и ГОСТ 13496.0-80;
влажность по ГОСТ 13496.3-80;
гранулометрический состав по ГОСТ 13496.8-72;
объемная плотность и угол естественного откоса по ОСТ 8-16-76;
угол обрушения по методике Р. Л. Зенкова;
коэффициенты трения по методике ЦНИИПромзданий;
деформативность по методике ЦНИИПромзернопроект.
При этом используется следующее оборудование: весы технические РН-10Ц13У, весы лабораторные квадратурные ВЛКГ-500г-М, секундомер, электрошкаф сушильный лабораторный СНОЛ – 3,5/3,5-И1, ситовой классификатор, ящик для взвешивания порций корма, масштабная линейка и другое оборудование, описанное ниже.
1.1 Определение гранулометрического состава, влажности, объемной плотности, углов естественного откоса и обрушения
Гранулометрический анализ проводится по известной методике, в соответствии с которой имеется комплект из пяти сит: четырех сит со штампованными круглыми отверстиями и одного сита из латунной сетки простого плетения с отверстиями квадратной формы. Предварительно взвешенную пробу материала пропускают через набор сит, с уменьшением размера их отверстий. Просеивание осуществляют с помощью легких боковых постукиваний ладонями до полной сортировки частиц груза. Оставшееся содержимое каждого сита и дна взвешивают. Сумму масс отдельных фракций сравнивают с первоначальной массой образца, расхождение более чем на 0,5 % не допускается.
Влажность определяется сушкой порции груза известной массы в сушильном шкафу при температуре 100…105 оС в течение 5…6 часов. После охлаждения образца его взвешивают, при этом необходимо предотвратить насыщение материала влагой из окружающей среды, например, использованием герметичных бюкс или эксикатора с поглотителем паров воды. Затем производится повторение указанных операций до тех пор, пока разница между последними взвешиваниями станет не более 0,2 %.
Влажность материала определяется по формуле:
,
(1.1)
где G1 – масса пробы до просушивания, г;
G2 – то же, после просушивания, г.
Объемной плотностью насыпного груза называется масса этого груза, свободно (без уплотнения) насыпанного в единицу объема. Объемная плотность имеет размерность кг/м3.
Знание величины объемной плотности насыпного груза необходимо при расчете производительности транспортирующих машин и других перегрузочных устройств.
По объемной массе насыпные грузы делятся:
- на весьма легкие;
- легкие;
- средние;
- тяжелые;
- весьма тяжелые.
Плотность насыпной массы грузов определяется с помощью прибора, состоящего из мерного сосуда, штыря, прикрепленного к сосуду и рамки, вращающейся вокруг штыря. Мерный сосуд взвешивается.
После наполнения сосуда грузом, рамка поворачивается вокруг штыря, излишек насыпного груза срезается и падает, затем рамка снимается со штыря и сосуд с насыпным грузом взвешивается. Объемная плотность определяется по формуле:
,
(1.2)
где М – масса сосуда с грузом, кг;
Мо – собственная масса сосуда, кг;
Vс – объем сосуда, м3.
В настоящее время известно множество способов определения угла естественного откоса с различной степенью точности отражающих его величину. Расхождение между результатами трех разных способов могут достигать 20 %. Исходя из этих соображений, замеры производятся комбинированным способом на приборе, состоящим из емкости 1 с поворотным затвором 2 и горизонтальной площадки, имеющей вертикальную 3 и горизонтальную линейки, точка отсчета последних размещена соосно емкости в соответствии с рисунком 1.1. После открытия затвора груз высыпается на горизонтальную площадку с малой высоты в соответствии с рисунком 1.2 с углом естественного откоса, который определяется из выражения:
(1.3)
где h – высота образованного грузом конуса;
r – радиус указанного конуса.
Для определения угла обрушения сыпучих материалов применяется прибор, изображенный на рисунках 1.3, 1.4. Он представляет собой прямоугольный ящик со светопроницаемой стенкой и выдвигающейся заслонкой. Угол обрушения при этом определяется по формуле согласно рисунку 1.4:
,
(1.4)
где b – длина прилегающего катета;
а – длина противолежащего катета.
