5.2. Результаты экспериментальных исследований

Анализ результатов экспериментов позволил составить следующее представление о физической картине вибрационного перемещения слоя сыпучего груза.

Движение груза по вибрирующему рабочему органу является результатом воздействия на него переменных по величине и направлению сил инерции, веса, трения. Монослои непосредственно контактирующие с дном рабочего органа первыми получают силовой импульс, который частично затрачивается на необратимые деформации, уплотнение, а частично, спустя некоторое время, передается вышележащим монослоям. Далее нижний монолой, отдав кинетическую энергию, начинает движение назад, не смотря на то, что верхние монослои в режиме с отрывом (при Г1) могут продолжать перемещение вверх. Груз разрыхляется, когда верхние слои находятся еще во взвешенном состоянии, а нижний, упав на дно желоба, вновь получает импульс. Верхние и нижние монослои при этом встречаются во взвешенном состоянии. Верхний монослой, получив импульс от нижнего, продолжает свое движение вверх-вперед, а нижний, отдав свою кинетическую энергию, опять возвращается на поверхность, замедляя при этом движение и уплотняясь. Размеры соударяющихся монослоев в режиме с отрывом от периода к периоду могут меняться. При падении груз может частично вернуть себе кинетическую энергию грузонесущему органу.

При передачи движения в направлении транспортирования нижними монослоями вышележащим, происходит некоторое проскальзывание частиц относительно друг друга. Потому и имеет место сдвиг по фазе при перемещении монослоев.

Закон движения частиц по мере удаления от дна рабочего органа меняется. Так сказываются упругие, вязкие и диссипативные свойства, проявляющиеся, в частности, в ослаблении импульса и отставании его по фазе. При относительно большой высоте слоя сдвиг по фазе может быть столь значительным, что верхняя часть груза может двигаться медленнее или останавливаться. В ряде случаев наблюдается даже обратное его движение.

Наличие подобного явления в значительной степени объясняется, по-видимому, тем, что слой в продольном и поперечном направлениях имеет в некотором роде различное количество свобод перемещения частиц. Об этом, как показывает анализ диаграмм перемещения, говорит и то, что горизонтальные составляющие вибрации по мере удаления от дна желоба затухают интенсивнее вертикальных. При выборе математической модели процесса необходимо учесть данное обстоятельство.

Градиент изменения скорости частиц по высоте слоя, а следовательно и интенсивность изменения их закона движения, носит ступенчатый характер. Это согласуется с полученными методом парафинирования пространственными эпюрами виброперемещения слоя, где обнаруживается ступенчатое изменение скорости. Последний эффект характерен, в основном, для не весьма интенсивных «безотрывных» режимов виброперемещения. В режимах с подбрасыванием груза существуют условия для интенсивного разрыхления, перемешивания и такие явно выраженные послойные движения могут проявляться лишь в непосредственной близости к свободной поверхности слоя, где, по-видимому, в результате демпфирующих свойств слоя еще не создаются условия для отрыва.

Анализ диаграмм позволил выявить и то, что характер движения отдельных частиц, вследствие влияния стенок и пристеночного трения зависит от их расстояния от продольной оси рабочего органа. Это трение оказывает влияние тем существенней, чем глубже находится частица.

В поперечном сечении слоя частицы, перемешивающиеся по одинаковым законам, располагаются по криволинейным поверхностям, имеющим, по-видимому, одинаковые динамические условия связи. Образующая этих поверхностей имеет, при относительно небольшой ширине желоба, вид вогнутой вниз параболы, приближаясь к поверхностям скольжения. Эти наблюдения также согласуются с картиной послойного движения, зафиксированной при парафинировании слоя.

Движение груза в безотрывном режиме быстро становиться установившимся. В режиме же с отрывом частицы формируется в отдельные слои, размеры которых меняются также как и моменты начала и конца фаз падения и отрыва. Этому способствует и эффект выпирания, когда при малых вертикальных давлениях боковое давление из «активного» может превратиться в «пассивное». Однако, эта апериодичность относительно невелика и проявляется не во всех режимах «с отрывом», закон движения через 3-4 периода повторяется, так что процесс можно считать установившимся.

Помимо качественной картины виброперемещения проведенные эксперименты позволяют получить важные сведения о количественной стороне процесса виброперемещения и дополнительно проверить в дальнейшем совершенство выбранной модели.

Так например, диаграммы перемещения дают возможность определить среднюю за цикл T или ряд циклов nT скорость отдельных частиц слоя:

,

где S – перемещение частицы за цикл.

Диаграммы вертикальных составляющих вибрации позволяют найти моменты начала и конца некоторых фаз движения монослоев. Для этого можно воспользоваться тем условием, что фаза движения монослоя без отрыва от плоскости должна характеризоваться идентичностью соответствующих участков кривых перемещения рабочего органа и частицы.

Так можно получить моменты времени t_нск; t_нп; t_кп – соответственно начала скольжения, полета, конца полета и соответствующие им фазовые углы _нск=t_нск; _нп=t_нп; _кп=t_кп.

Удается определить последовательность, в которой отдельные монослои совершают отрыв и соударение. Последовательность от периода к периоду не остается постоянной. Это затрудняет нахождение первоначального положения частицы для сопоставления ее диаграммы с кривой перемещения желоба и требует обработки кинограмм для большего числа периодов.

Диаграммы вертикальных составляющих перемещения позволяют выявить еще одну особенность виброперемещения слоя. Силовой импульс, который получают промежуточные монослои исходит не непосредственно от рабочего органа, а от нижележащих монослоев, когда они находятся также в полете. На это затрачивается часть кинетической энергии и появляются местные искривления диаграмм нижележащих монослоев вниз, а вышележащих – вверх. Таким образом, в некоторые периоды у верхних и промежуточных монослоев можно не обнаружить общих точек с кривыми перемещения желоба.

Диаграммы горизонтальных составляющих перемещений позволяют также найти фазы относительного покоя частиц в желобе. Естественно, что в эти периоды кривые движения частиц и желоба должны быть эквидистантными. Участки кривых, соответствующие периодам покоя, можно найти, например, с помощью шаблона на прозрачной бумаге, который следует передвигать по оси S до совпадения кривых.

Таким образом можно получить время начала и конца скольжения t_нск и t_кск и соответствующие фазовые углы _нск=t_нск; _кск=t_кск, выявить последовательность взаимных перемещений монослоев.

Об интенсивности затухания упругого импульса можно судить по аналогу силового воздействия – ускорению отдельных монослоев. Для этого необходимо дважды графически продифференцировать диаграммы перемещения, получив закон изменения ускорений монослоев.

Дифференцирование вертикальных и горизонтальных составляющих перемещений позволяет оценить интенсивность затухания импульса по горизонтали и вертикали.

Полученная, пока еще не полная, картина виброперемещения позволяет уже выбрать некоторые требования к будущей математической модели процесса. Она должна учитывать: наличие различных фаз движения, упругие свойства слоя, вязкие свойства, проявляющиеся, в основном, в процессе полета монослоев и фильтрации воздуха между гранулами. Модель должна учитывать периодическое уплотнение и разрыхление слоя, его диссипативные свойства.

Критерием, говорящим о совершенстве модели, обычно считали равенство средней скорости модели и груза. Однако это соответствие не всегда может выражать одинаковость истинных характеристик среды и модели, т. е. может быть случайным. В этом отношении более точной аппроксимацией будет подбор таких характеристик, при которых близкими окажутся теоретические и экспериментальные законы движения. По-видимому, с достаточной точностью приведенный закон движения можно получить графически в виде кривой, ординаты которой являются средним арифметическим ординат кривых движения отдельных частиц. Естественно, что частицы при этом должны располагаться так, чтобы давать наиболее полное представление о движении всего слоя. Получив представление о характере виброперемещения методом парафинирования, меченые частицы для киносъемки и рентгеносъемки укладывались с учетом этого условия. Сложный характер послойного движения затрудняет получение наиболее точного интегрального закона движения, учитывающего нелинейное изменение скорости по поперечному сечению слоя.

Описанная серия экспериментов все-таки не позволила оценить или объяснить физическую сущность всех явлений, наблюдаемых при столь сложном процессе, как виброперемещение сыпучей среды. Нуждается в объяснении, в частности, форма монослоев, которая зафиксирована методом парафинирования, поведение верхней части слоя, способной не только отставать, но и двигаться назад и на границе которой наблюдаются наибольшие сдвиговые деформации. Не объяснена картина уплотнения и разрыхления груза, величина давлений в рабочем органе, вызывающее трение груза – основной источник энергоемкости процесса. Поставленные вопросы представляется возможным в какой-то мере объяснить, рассмотрев особенности напряженного состояния слоя сыпучего груза в рабочем органе вибрационных машин.