О сновні властивості сипких вантажів

Механічні властивості – визначаються характером зв'язку на контактах частинок твердої фази і здатністю передавати тиск на дно і стінки посудини.

Фрикційні властивості – визначаються характером тертя між частинками вантажу і тертям об поверхню, що транспортується.

Аеродинамічна характеристика часток твердої фази визначається швидкістю витання частки, швидкістю віднесення. Швидкості повітряного потоку (течії), що зважують частку (витання) і відносять її (віднесення), постійні і можуть бути прийняті як сталі параметри при визначенні характеристик зерна.

Теплофізичні властивості часток твердої фази можна описати трьома параметрами: теплоємністю, теплопровідністю, температуропровідністю.

Електрофізичні властивості часток твердої фази характеризуються активною і реактивною складовою комплексної провідності, комплексною діелектричною проникністю і діелектричними втратами. Ці властивості використовують при променевій обробці.

Для часток органічного походження теплофізичні і електрофізичні характеристики залежать від вологості, температури, хімічного складу й інших факторів.

Теплофізичні і електрофізичні властивості впливають на технологічні процеси (докладніше вивчення виходить за рамки даної дисципліни).

Сипкий матеріал як дискретна статична система існує за таких умов:

• мінімальному елементарному об’ємі (у меншому об’ємі втрачається фізичний сенс існування сипкого матеріалу);

• максимальному об’ємі, обумовленому розмірами посудини;

• у кожнім шарі сипкого матеріалу, розташованого на визначеній висоті, може знаходитися тільки кінцеве число часток (між сусідніми шарами часток сипкого матеріалу існує мінімальна різниця потенційних енергій).

Сипкі вантажі характеризуються: насипною густиною, гранулометричним складом (розміром частинок), відносною вологістю, сипкістю (коефіцієнтом внутрішнього і зовнішнього тертя); склепінняутворюванням; абразивністю, аутогезією (клейкість), адгезією; злежуванням, гострокромчастістю; самосортуванням; морозостійкістю, а також особливими властивостями (хімічна активність, розпилювання, вибухонебезпека, самозаймання, отруйність).

Насипна густина (об'ємна маса, натура, натурна маса) (₀, т/м³)  це кількість насипного вантажу об'єму, що доводиться на одиницю

, (1.3)

де – маса сипкого вантажу, т

– об'єм, м³.

Із збільшенням розмірів частинок збільшується насипна густина, оскільки при цьому відбувається відносне зменшення об'єму повітряних проміжків між частинками вантажу. Класифікація сипких вантажів в залежності від насипної густини наведена в табл. 1.1.

Таблиця 1.1  Класифікація сипких вантажів в залежності від насипної густини

Тип вантажу	Насипна густина	Вантаж
Легкі	менше 0,6 т/м3	деревна тирса, кокс і т.д.
Середні	0,6...1,6 т/м3	зерно, шлак, кам'яне вугілля, тощо
Важкі	1,6...2,0 т/м3	пісок, гравій, тощо
Дуже важкі	більше 2,0 т/м3	руда, булижники, камінь, тощо

Грануломорфологічний склад – оцінює форму, характер поверхні частинок, співвідношення основних розмірів (ширини і довжини, товщини і довжини) і характеризується двома коефіцієнтами, які визначаються за формулами (1.4) і (1.5).

Коефіцієнт, що враховує відношення основних розмірів

; , (1.4)

де l, b і а – відповідно довжина, товщина і ширина частинки;

Коефіцієнт форми

, (1.5)

де F – поверхня частинки,

F_ЕКВ = – поверхня кулі (де  еквівалентний діаметр частинки).

Гранулометричний склад – характеристика, що визначає геометричні розміри частинок і співвідношення їх розмірів в загальному об'ємі сипкого матеріалу, тобто гранулометричний склад  це розподіл за крупністю частинок, визначається розміром найбільших частинок, що містяться в пробі, якщо їх не менше 10  %.

Розподіляються за крупністю насипні вантажі, що характеризуються розміром частинок на категорії наведені в табл. 1.2.

Таблиця 1.2  Категорії крупності насипних вантажів за розміром частинок

Категорії крупності насипних вантажів	Розміри частинок, мм
Пилоподібні	менше 0,05
Порошкоподібні	0,05...0,5
Зернисті	0,5...6
Дрібнокускові	6...80
Середньокускові	80...350
Крупнокускові	350...500
Дужекрупнокускові	більше 500

Сипкість. Окрім самого вантажу в масі, що транспортується, можуть знаходитися мінеральні і органічні домішки. Добра сипкість дозволяє досить легко транспортувати вантаж за допомогою норій, конвеєрів і пнемотранспортуючих пристроїв, завантажувати в різні за розмірами і формою сховища.

Звичайно сипкість, наприклад зерна, характеризується коефіцієнтом зовнішнього та внутрішнього тертя, а також кутом природного уклону (рис.1.1). Зернова маса має велику рухомість або сипкість. Сипкість залежить значною мірою від форми, розмірів і характеру поверхні зерна, його вологості, кількості домішок та їх складу. Так, чим більше відхиляється форма зерна від кулеподібної, тим менша його сипкість. Зерно з шорсткуватою поверхнею й вологе також менш сипке. Домішки, як правило, зменшують його сипкість.

Рис. 1.1  Схема визначення кута тертя і кута природного укосу

Під кутом тертя розуміють якнайменший кут, при якому сипкий вантаж починає ковзати по якій площині або поверхні – коефіцієнт тертя (при ковзанні).

Під кутом природного укосу  розуміють кут між діаметром основи і твірною конуса, що виходить при вільному падінні вантажу на горизонтальну площину.

Значення цього кута залежить від сил зчеплення між окремими частинками, що визначаються, зокрема, вогкістю вантажу; від сил тертя, що виникають при відносному переміщенні частинок.

Якщо площина, на якій лежить вантаж, рухається, зазнаючи струсів, то вантаж розсипається і кут природного укосу при русі менший кута природного укосу у спокої (звичайно ₀  0,35 ).

Враховуючи сипкість, можна застосувати відповідні пристрої та механізми, які дозволяють уникнути витрат ручної праці. Так, використання транспортерів, пневмотранспортних установок, норій дає можливість завантажувати різні транспортні засоби (автомобілі, вагони, судна) і сховища (засіки, склади, траншеї, силосні елеватори).

Кут природного уклону зернових залежно від стану змінюється від 20 до 60° і характеризує стан сипкості зернової маси. Кути тертя по різній поверхні також мають значення при проектуванні та експлуатації зерносховищ, борошномельних, круп’яних та комбікормових заводів, а також навантажувально-розвантажувальних пристроїв.

Аутогезія – здатність частинок вантажу прилипати одна до одної і утворювати грудки.

Адгезія – здатність вантажу прилипати до твердих тіл, особливо якщо вантаж має високу вогкість. Явище адгезії враховують при виборі форми і матеріалу робочих органів транспортуючих машин (наприклад, ковшів), до яких вантаж не повинен прилипати, а також при виборі очисних пристроїв.

Склепінняутворення – сипкий вантаж, що має явище аутогезії, утворює в отворі розвантаження подібність склепіння (рис. 1.2).

Т ранспортується такий вантаж за допомогою ланцюгових конвеєрів, конвеєрів безперервного волочіння, скребковим конвеєром, елеватором із застосуванням ковшів без дна.

Абразивність – здатність частинок при русі стирати (зношувати) робочі і тягові органи машини. Абразивність залежить від твердості, маси, форми і міцності матеріалу.

За абразивними властивостями вантажі підрозділяються на категорії:

А – неабразивні – продукти сільського господарства, зерно, тирса;

B – малоабразивні – буре і кам'яне вугілля, глина, гравій і т.п.;

С – середньоабразивні – цемент, пісок сухий, гравій округлий;

D – високоабразивні – щебінь, руди кольорових металів, пісок вологий, тверді гірські породи.

Гострокромчастість – це здатність насипного вантажу утворювати гострі кромки при дробленні, які руйнують робочі поверхні несучих елементів (стрічок, ковшів, настилів, лотків і т.п.)

Злежуваність – здатність деяких насипних вантажів (цементу, вапна, гіпсу) втрачати рухливість при зберіганні. Тому доводиться застосовувати різні способи боротьби зі злежуваністю (наприклад, в бункерах установлюють розпушувачі – механічні, вібраційні або пневматичні). В кінці роботи необхідно стежити за добрим очищенням кожухів конвеєрів.

Тиск на дно і стінки посудин – залежить від величини відношення висоти шару до характерного розміру посудини.

Р озглянемо посудину і побудуємо епюру питомого тиску на її стінки (рис. 1.3). Питомий вертикальний тиск на стінки посудини визначається наступним чином . Для нашого випадку в конкретній посудині із заданими розмірами:

.

Питомий горизонтальний тиск на стінки посудини

де – коефіцієнт бічного тиску, залежить від кута природного кута укосу.

Перетворюючи рівняння для визначення питомого горизонтального тиску одержимо залежність

– формула Ямсона

Самосортування. Переміщення сипкої маси супроводжується самосортуванням, тобто нерівномірним розподілом компонентів зернової маси у межах насипу або зернової ємності. Самосортування  результат сипкості й неоднорідності частинок, з яких складається сипкий вантаж.

Самосортування сипкої маси найбільш проявляється під час навантажування та розвантажування зерносховищ. При цьому добре виповнене з більшою питомою масою і малою парусністю зерно швидко досягає дна. Мале щупле зерно та домішки з великою парусністю спускаються повільно і відкидаються вихровими потоками повітря до стін або скочуються по поверхні конуса, який утворюється зерновою масою, У зв’язку з цим створюється неоднорідна зернова маса в силосах, насипі і складах.

При самосортуванні в сипкий масі можуть утворюватися неоднорідні ділянки за фізіологічною активністю. Нагромадження легких домішок і пилу створює умови для самозігрівання.

Таким чином, самосортування є наслідком неоднорідності за масою і густиною твердих частинок у сипкому вантажі. Завантаження сипкого вантажу в сховища або випуск з них самопливом, переміщення конвеєрами, перевезення у вагонах, автомобілях і т.п. обов'язково супроводжується самосортуванням, яке приводить до порушення однорідності вантажу.

Знання вищеперелічених властивостей сипкого матеріалу дозволяє вирішувати велике число прикладних задач, які мають практичне значення. Так, механізація і автоматизація транспортування, обробка і зберігання в сховищах (складах, силосах, металевих бункерах) базуються на фізичних властивостях вантажу. За показниками, що визначають сипучість, можна моделювати поведінку сипкого вантажу при переміщенні по самопливах, ситах і т.п.