Физико-механические свойства насыпных грузов

Процесс затаривания, хранения и выгрузки сыпучего груза из емкостей зависит от физико-механических свойств насыпного груза, что в значительной степени определяет конструкцию, форму емкости и выбор материала, из которого ее изготовляют.

Для совершенствования процесса истечения необходимо четко представлять происходящие внутри полости емкости явления.

На гравитационное истечение сыпучего груза из отверстия емкости влияют многие факторы, которые могут быть сгруппированы так: режимные (технологические) паузы в загрузке, выпуске, физикомеханические свойства грузов и параметры элементов емкости (рис. 1.1).

На стабильность истечения грузов, а, следовательно, и процесс сводообразования, оказывают влияние повышенное содержание влаги и уплотнение груза над выпускным отверстием.

Классификация факторов, влияющих на гравитационный выпуск сыпучего груза из емкостей
Рис. 1.1. Классификация факторов, влияющих на гравитационный выпуск сыпучего груза из емкостей

Влажность определяется отношением массы испарившейся воды (после просушивания) к исходной массе взятого материала (в весовых процентах). Устойчиво просматривается связь увеличения сле-живаемости, уплотнения, смерзаемости, теплостойкости, коррозии ограждающих конструкций и «дыхания» груза от повышения его влажности. С увеличением влажности значительно возрастают адгезия и ау-тогезия.

Адгезия в переводе с английского языка означает «прилипание, сцепление, притяжение», возникающее при контакте двух разнородных конденсированных тел. Она характеризует связь между двумя телами или силы взаимодействия частиц между поверхностями тел. Взаимодействие частиц с ограждающими конструкциями (стенки бункера, контейнера, тары) принято называть аутогезией.

Адгезионные силы могут быть больше сил аутогезии и наоборот. При разгрузке зернового груза, особенно мелкодисперсного (мука, отруби и т. п.), наблюдается «конкуренция» между адгезией и аутогезией. Если аутогезия преобладает над адгезией, то часть зернового груза остается в кузове, а если адгезия преобладает над аутогезией, то зерновой груз выгружается полностью.

Взаимосвязь между адгезией и аутогезией имеет большое значение на практике. Известно, что объемы сыпучих грузов составляют десятки миллионов тонн. Если в транспортных средствах (вагонах, автомобилях, контейнерах и другой таре) будут удерживаться доли процента груза, то потери составят сотни тысяч тонн.

Гоанулометрический состав насыпного груза характеризуется количественным распределением составляющих частиц по крупности. Крупность частицы груза определяют по наибольшим ее линейным размерам.

Гранулометрический состав определяют ситовым анализом, просеивая взвешенную пробу через набор сит с размерами калиброванных отверстий, установленными ГОСТом (последовательно, от больших к меньшим). Эта операция обеспечивает разделение взятой пробы на отдельные фракции (рис. 1.2). По размеру остаточной фракции на каждом сите устанавливают процентное содержание материала рассматриваемой крупности в пробе.

Насыпная плотность - это отношение массы насыпного груза к занимаемому им объему с учетом пор и промежутков между отдельными частицами. Насыпная плотность определенного груза неоднородна и зависит от гранулометрического состава и других факторов.

Насыпную плотность мелкофракционных грузов замеряют пур-кой вместимостью 1 л. Она оснащена отсекателем для сбрасывания излишков при наполнении (рис.1.3). Уплотненный насыпной груз характеризуется плотностью, которая для одного и того же груза может варьироваться в широких пределах. При определении насыпной плотности груз насыпается в сосуд 1 через рамку 3 до ее верха; по оконча нии заполнения сосуда рамка поворачивается вокруг штыря 2 в положение а, причем излишек насыпного груза срезается и падает в поднос 4; затем рамка снимается со штыря и сосуд с насыпным грузом взвешивается. Насыпная плотность определяется по формуле

где О0 - масса сосуда с насыпным грузом в кг; 01 - собственная масса сосуда в кг;

з

У1 - объем сосуда в м .

(1.1)

Рис. 1.2. Схема устройства для определения гранулометрического состава: 1- просеиваемый материал; 2- набор сит с разным диаметром отверстий; 3- поддон для мелкой фракции
Схема пурки для определения насыпной плотности сыпучих грузов
Рис. 1.3. Схема пурки для определения насыпной плотности сыпучих грузов

Коэффициент уплотнения насыпного груза - отношение его уплотненной массы к массе того же объема до уплотнения. Условия заполнения насыпного груза определенного объема формирует начальный коэффициент уплотнения, значение которого имеет существенный диапазон. В этой величине доминирующее место занимают динамические нагрузки и вибрация, в результате которых материалы претерпевают структурное переформирование - мелкие частицы укладываются в порах между более крупными. При этом воздух вытесняется из пор, число контактов частиц между собой увеличивается, что сопровождается возникновением молекулярных сил. Насыпной груз уплотняется, его плотность повышается. Установлено, что коэффициент уплотнения Ку увеличивается с ростом коэффициента внутреннего трения 4н по зависимости

Различные насыпные грузы имеют довольно большой разброс изменений коэффициента уплотнения: от 1,05 до 1,52 (нижний предел характерен хорошо сыпучим грузам). Следует отметить, что процесс уплотнения приводит к возрастанию начального сопротивления сдвигу, а его значение характеризует сыпучесть.

Угол естественного откоса - угол между горизонтальной плоскостью и линией откоса насыпного груза при свободной его отсыпке. При истечении груза на горизонтальную плоскость образуется горка с некоторым углом откоса, который соответствует равновесию частиц. Угол естественного откоса является наибольшим углом, образованным линией естественного откоса с горизонтальной плоскостью и служит одним из основных показателей подвижности груза. Значение угла естественного откоса отвечает действию сил трения, зависящих от формы, размеров частиц и их влажности. Увеличение последней способствует росту рассматриваемой характеристики. Угол естественного откоса для большинства насыпных грузов не превышает 60° (при естественной влажности). Минимальному углу естественного откоса соответствует наибольшая подвижность частиц рассматриваемого груза.

Угол естественного откоса в покое и в динамике имеет различные значения. Причем угол естественного откоса в движении меньше его значения в покое и составляет фдв = 0,74 фп. Угол естественного откоса определяют с помощью угломерных инструментов. На рис. 1.4 представлена схема прибора для определения угла естественного откоса сыпучих грузов. Прибор состоит из емкости 1 с поворотным затвором 2 и горизонтальной площадки, имеющей вертикальную 3 и горизонтальную линейку, точка отсчета последних размещена соосно емкости. После открытия затвора груз высыпается на горизонтальную площадку с малой высоты с углом естественного откоса, который определяется из выражения а = агС^- , (1.3)

Схема прибора для определения угла естественного откоса сыпучих грузов
Рис. 1.4. Схема прибора для определения угла естественного откоса сыпучих грузов

г где И - высота образованного грузом конуса; г - радиус указанного конуса.

Начальное сопротивление сдвигу т0 характеризует подвижность частиц, связанность насыпного груза, определяет силу сцепления частиц и имеет размерность ньютон на метр квадратный (Н/м2).

Начальное сопротивление сдвигу фиксируют в лабораторных условиях по полученной построением зависимости нормального напряжения и напряжения сдвига данным. С их помощью могут быть получены угол и коэффициент внутреннего трения (ср, ин). При этом устанавливается функциональная зависимость между сопротивлением сыпучей среды сдвигу и нормальным напряжением.

Коэффициент внешнего трения насыпного груза об ограждающие конструкции соответствует тангенсу угла, отражаемого прямой с осью абсцисс в состоянии покоя груза. Угол наклона плоскости, с которой свободно скатываются частицы рассматриваемого груза, является углом трения. Угол трения существенно влияет на выбор угла наклона стенок и ребер бункера. Сопротивление насыпного груза сдвигу по ограждающим конструкциям определяют на тех же приборах, что и внутреннее сопротивление сдвигу. Схема прибора для определения коэффициентов трения представлена на рис. 1.5. Он состоит из желоба 1, заполняемого исследуемым грузом, и подвижной рамки 4. Рамка 4 катками 6 опирается на направляющие 3 и соединена с грузовой чашкой 9 посредством

Схема установки для определения коэффициентов трения
Рис. 1.5. Схема установки для определения коэффициентов трения

троса 7, перекинутого через блок 8. Образец в рамке 4 уплотняется при помощи прижимной пластины с грузами 5. Поверхность сдвига в желобе 1 может меняться при установке пластины 2 для определения внешнего трения (сталь, фторопласт, и т.д.).

Высоту свободно стоящей вертикальной стенки груза замеряют при помощи прибора, представленного на рис. 1.6, в следующей последовательности. В открытый ящик 1, оснащенный подвижной стенкой 2, загружают испытуемый груз равными горизонтальными слоями. При открытии замка 3 и плавном опускании подвижной стенки связный груз остается неподвижным без обрушения свободно стоящего вертикально испытуемого груза. После достижения предельно допустимой высоты стенки испытуемого груза за счет опускания подвижной стенки ящика она обрушивается. Высоту свободно стоящей вертикальной стенки используют наряду с другими физико-механическими свойствами грузов для определения начального сопротивления сдвигу.

Прибор для определения высоты свободно стоящей вертикальной стенки насыпного груза
Рис.1.6. Прибор для определения высоты свободно стоящей вертикальной стенки насыпного груза

Предельный диаметр сводообразующего отверстия оказывает значительное влияние на выбор площади поперечного сечения выгрузного люка емкости. Выгрузное отверстие с наибольшей площадью, при которой наблюдается явление сводообразования, называют сводообразующим отверстием. Последнее определяют экспериментально с помощью прибора. Площадь отверстия зависит от связности груза: большему сводообразующему отверстию соответствует более связный груз. По предельному размеру сводообразующего отверстия оценивают и сравнивают способность различных насыпных грузов к истечению. Рассматриваемый показатель зависит также от гранулометрического состава груза.

Предельный диаметр сводообразующего отверстия для хорошо-сыпучих грузов можно определить эмпирически:

d„e = А еЬа, (1.4)

где А и b - постоянные (А = 4,64, b = 0,244);

а - наибольший размер средней частицы груза, мм.

Сыпучесть оценивают временем высыпания определенной массы испытуемого груза из конусообразной воронки с углом раствора 60° через отверстие диаметром 15 мм.

Сыпучесть отождествляют с таким состоянием груза, при котором между его частицами отсутствует сплошная материальная связь. В процессах транспортирования и хранения сыпучесть рассматривают как комплексный показатель физико-механических свойств. Наряду с физико-механическими свойствами рассматриваемого груза на сыпучесть существенно влияют параметры хранилища, выпускной воронки, ее форма и размер отверстия, высота слоя засыпки.

Сыпучесть количественно оценивают коэффициентом сыпучести (подвижности) т, который характеризует способность частиц груза к относительной подвижности:

m = 1^Ф , (1.5)

1 + sin ф где ф - угол естественного откоса, град.

Свойство некоторых насыпных грузов терять сыпучесть при хранении отожествляется со слеживаемостью.

Слеживаемость является следствием длительного хранения насыпных грузов в состоянии покоя, т. е. длительного воздействия гравитационных сил. Их действие при длительном хранении может превратить названные грузы в конгломераты (рис.1.7).

Слежавшийся груз после длительного хранения
Рис. 1.7. Слежавшийся груз после длительного хранения:

1 - пустота в толще груза;

2 - стенки >оронки ?мкости

Явление слеживаемости следует рассматривать как проявление сцепления частиц насыпных грузов. Динамические нагрузки ускоряют процесс слеживаемости. При этом выпуск грузов значительно затрудняется. Использование для побуждения истечения ударных нагрузок приводит к образованию пустот (устойчивых статических сводов) над выгрузным отверстием (см. рис.1.7). Устойчивость пустот зависит от сил аутогезии частиц и площади поперечного сечения выпускного отверстия.

Сводообразование - образование сводов в емкостях в процессе выпуска сыпучего груза. Возникшие своды разделяют на неустойчивые и статически устойчивые своды.

Неустойчивые своды в процессе движения вышележащих слоев периодически разрушаются и появляются при всех видах истечения и в любом сечении емкости.

Сегрегация груза - расслоение его частиц по крупности, форме и плотности. Сегрегация частиц груза по крупности наблюдается при свободном его падении в случае, если частицы имеют горизонтальную составляющую скорости, и при ударе потока о наклонную плоскость (загрузка конвейером или наклонной воронкой).

Удар потока груза о наклонную поверхность способствует скатыванию его частиц по уклону с увеличенной траекторией движения частиц более крупных, тяжелых и округлых по сравнению с мелкими, легкими и чешуйчатыми. Последние остаются в месте соударения с наклонной плоскостью.

Гигроскопичность - свойство груза поглощать водяные пары из воздуха или выделять их. Сухой гигроскопичный груз поглощает влагу до тех пределов, при которых его влажность сопоставляется с влажностью окружающей среды. Пониженная влажность окружающей среды приводит к выделению из груза влаги, высыханию. Поглощение влаги вызывает гнилостные процессы в грузах органического происхождения, увеличивает слеживаемость сыпучих грузов. Высыхание приводит к пылению дисперсных грузов, потере технологических качеств.

Самовозгорание - способность некоторых грузов органического происхождения повышать свою температуру до самовозгорания.

«Дыхание» перевозимых грузов (органического происхождения) заключается в окислительных процессах находящихся в их составе жиров и углеводов. Эти процессы сопровождаются выделением теплоты, в результате чего повышаются температура и влажность материала, ускоряются биологические процессы, размножаются болезнетворные микробы и вредители продуктов.

В приложении 1 представлены физико-механические свойства насыпных грузов.

1.2. Влияние условий хранения и транспортировки на характеристики

Кормовая база производства комбикормов основана на использовании до 100 наименований компонентов. Наибольшая составляющая комбикормов - растительная. В нее входят зерновые материалы. На каждую тонну комбикорма приходится 65..70% этого вида грузов.

В балансе сырья важную роль играют побочные продукты мукомольных, крупяных заводов (отруби, мучка) и производства растительных масел (жмых, шрот). В структуре комбикормов отруби и мучка могут составлять 10.. 15%, а жмыхи и шроты - до 7%. Измельченное зерно, отруби и мучка относятся также к зерновым грузам.

Жмых, шрот, мука травяная, мука хвойная и подобные им кормовые добавки растительного происхождения относятся к категории белково-витаминных добавок (БВД).

Важнейшими компонентами комбикормов являются корма животного происхождения (мясная, мясокостная, кровяная мука, сухое обезжиренное молоко, рыбная, креветочная, крабовая мука). Эти компоненты относятся к грузам, наиболее полно отвечающим требованиям контейнеризации и пакетирования. Они, как правило, удалены от потребителя на значительное расстояние. Их поставки сопряжены с взаимодействием нескольких видов транспорта (морского, железнодорожного, автомобильного). В зависимости от вида комбикорма содержание этих компонентов колеблется от 3...5 до 55...60%. Рассмотренную группу компонентов относят к не зерновым грузам.

Для обогащения комбикормов питательными веществами их состав пополняется продуктами микробиологического синтеза - кормовыми дрожжами, аминокислотами и другими премиксами. Этот вид грузов поставляется на комбикормовые производства в таре.

Непременным компонентом комбикормов является сырье минерального происхождения. В качестве минерального сырья используют сухо молотый мел, поваренную соль, ракушечник, фосфаты, ракушечную муку, бетонитовые глинопорошки и т.п. Для ввода сырья минерального происхождения в готовую продукцию (1.7%) поставки его осуществляются железнодорожным и автомобильным транспортом в таре. Этот вид груза можно отнести к химическим грузам.

Анализируя поставки сырья и готовой продукции комбикормовой отрасли, следует отметить, что зерновые грузы потребитель получает, как правило, бестарно (в вагонах-хопперах, грузовых автомобилях).

Перевозки и складирование кормов животного происхождения, продуктов микробиологического синтеза и минерального сырья осуществляются, в основном, в таре (с тенденцией расширения поставок в контейнерах). Готовая продукция комбикормовой отрасли - комбикорма - может перевозиться бестарно, но в северных районах из-за использования смешанных видов транспорта целесообразно применять пакетные и контейнерные поставки.

Введение | Емкости для сыпучих грузов в транспортно-грузовых системах | Грузы минерального происхождения