1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О НАСЫПНЫХ ГРУЗАХ,
БУНКЕРАХ И ОСОБЕННОСТЯХ ИХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ
1.1. Физико-механические свойства насыпных грузов
Процесс затаривания, хранения и выгрузки сыпучего груза из ем-
костей 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 емко-
сти влияют многие факторы, которые могут быть сгруппированы так:
режимные (технологические) паузы в загрузке, выпуске, физико-
механические свойства грузов и параметры элементов емкости (рис.
1.1).
На стабильность истечения грузов, а, следовательно, и процесс
сводообразования, оказывают влияние повышенное содержание вла-
ги и уплотнение груза над выпускным отверстием.
ГРАВИТАЦИОННОЕ ИСТЕЧЕНИЕ
Параметры элементов Свойства грузов
бункеров
Режим
функционирования
Качественные
показатели
Количественные
показатели
Химико-
биологические
Физико-
механические
Загрузка
Выгрузка
Жирность
Кислотность
Содержание клетчатки
Содержание примесей
Объемная плотность
Влажность
Угол естественного откоса
Начальное сопротивление сдвигу
Коэффициент внешнего трения
Коэффициент внутреннего трения
Гранулометрический состав
Коэффициент уплотнения
насыпного груза
Гигроскопичность Сегрегация
Дыхание
Рис.1.1. Классификация факторов, влияющих на гравитационный выпуск
сыпучего груза из емкостей
12
Влажность определяется отношением массы испарившейся во-
ды (после просушивания) к исходной массе взятого материала (в ве-
совых процентах). Устойчиво просматривается связь увеличения сле-
живаемости, уплотнения, смерзаемости, теплостойкости, коррозии ог-
раждающих конструкций и «дыхания» груза от повышения его влажно-
сти. С увеличением влажности значительно возрастают адгезия и ау-
тогезия.
Адгезия в переводе с английского языка означает «прилипание,
сцепление, притяжение», возникающее при контакте двух разнород-
ных конденсированных тел. Она характеризует связь между двумя те-
лами или силы взаимодействия частиц между поверхностями тел.
Взаимодействие частиц с ограждающими конструкциями (стенки бун-
кера, контейнера, тары) принято называть аутогезией.
Адгезионные силы могут быть больше сил аутогезии и наоборот.
При разгрузке зернового груза, особенно мелкодисперсного (мука, от-
руби и т. п.), наблюдается «конкуренция» между адгезией и аутогези-
ей. Если аутогезия преобладает над адгезией, то часть зернового гру-
за остается в кузове, а если адгезия преобладает над аутогезией, то
зерновой груз выгружается полностью.
Взаимосвязь между адгезией и аутогезией имеет большое зна-
чение на практике. Известно, что объемы сыпучих грузов составляют
десятки миллионов тонн. Если в транспортных средствах (вагонах, ав-
томобилях, контейнерах и другой таре) будут удерживаться доли про-
цента груза, то потери составят сотни тысяч тонн.
Гранулометрический 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 калибро-
ванных отверстий, установленными ГОСТом (последовательно, от
больших к меньшим). Эта операция обеспечивает разделение взятой
пробы на отдельные фракции (рис.1.2). По размеру остаточной фрак-
ции на каждом сите устанавливают процентное содержание материа-
ла рассматриваемой крупности в пробе.
Насыпная плотность – это отношение массы насыпного груза к
занимаемому им объему с учетом пор и промежутков между отдель-
ными частицами. Насыпная плотность определенного груза неодно-
родна 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 ха-
рактеризуется плотностью, которая для одного и того же груза может
варьироваться в широких пределах. При определении насыпной плот-
ности груз насыпается в сосуд 1 через рамку 3 до ее верха; по оконча-
13
нии заполнения сосуда рамка поворачивается вокруг штыря 2 в поло-
жение а, причем излишек насыпного груза срезается и падает в под-
нос 4; затем рамка снимается со штыря и сосуд с насыпным грузом
взвешивается. Насыпная плотность определяется по формуле
3
1
0 1 ,кг м
V
G − G
γ = , (1.1)
где G0 – масса сосуда с насыпным грузом в кг;
G1 – собственная масса сосуда в кг;
V1 – объем сосуда в м3.
1
2
3
Рис. 1.2. Схема устройства для
определения гранулометрического
состава: 1- просеиваемый материал;
2- набор сит с разным диаметром
отверстий; 3- поддон для мелкой
фракции
3
2
1 4
а
1
2
3
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 на-
чальный коэффициент уплотнения, значение которого имеет сущест-
венный диапазон. В этой величине доминирующее место занимают
динамические нагрузки и вибрация, в результате которых материалы
претерпевают структурное переформирование — мелкие частицы ук-
ладываются в порах между более крупными. При этом воздух вытес-
няется из пор, число контактов частиц между собой увеличивается,
что сопровождается возникновением молекулярных сил. Насыпной
груз уплотняется, его плотность повышается. Установлено, что коэф-
фициент уплотнения Ку увеличивается с ростом коэффициента внут-
реннего трения fвн по зависимости
Ку = 1 + 0,2 fвн. (1.2)
14
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 сдви-
гу, а его значение характеризует сыпучесть.
Угол естественного откоса — угол между горизонтальной плоско-
стью и линией откоса насыпного груза при свободной его отсыпке. При
истечении груза на горизонтальную плоскость образуется горка с не-
которым углом откоса, который соответствует равновесию частиц.
Угол естественного откоса является наибольшим углом, образован-
ным 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 естест-
венного откоса для большинства насыпных грузов не превышает 60°
(при естественной влажности). Минимальному углу естественного от-
коса соответствует наибольшая подвижность частиц рассматриваемо-
го груза.
Угол естественного откоса в покое
и в динамике имеет различные значе-
ния. Причем угол естественного откоса
в движении меньше его значения в по-
кое и составляет ϕдв = 0,74 ϕп. Угол ес-
тественного откоса определяют с помо-
щью угломерных инструментов. На
рис.1.4 представлена схема прибора
для определения угла естественного от-
коса сыпучих грузов. Прибор состоит из
емкости 1 с поворотным затвором 2 и
горизонтальной площадки, имеющей
вертикальную 3 и горизонтальную ли-
нейку, точка отсчета последних разме-
щена соосно емкости. После открытия затвора груз высыпается на го-
ризонтальную площадку с малой высоты с углом естественного отко-
са, который определяется из выражения
r
α = arctg h , (1.3)
где h – высота образованного грузом конуса;
r – радиус указанного конуса.
Начальное сопротивление сдвигу τ0 характеризует подвижность
частиц, связанность насыпного груза, определяет силу сцепления час-
тиц и имеет размерность ньютон на метр квадратный (Н/м2).
Рис. 1.4. Схема прибора для
определения угла естественного
откоса сыпучих грузов
α
1
3
2
15
Начальное сопротивление сдвигу фиксируют в лабораторных
условиях по полученной построением зависимости нормального на-
пряжения и напряжения сдвига данным. С их помощью могут быть по-
лучены угол и коэффициент внутреннего трения (ϕ, fвн). При этом ус-
танавливается функциональная зависимость между сопротивлением
сыпучей среды сдвигу и нормальным напряжением.
Коэффициент внешнего трения насыпного груза об ограждаю-
щие конструкции соответствует тангенсу угла, отражаемого прямой с
осью абсцисс в состоянии покоя груза. Угол наклона плоскости, с ко-
торой свободно скатываются частицы рассматриваемого груза, явля-
ется углом трения. Угол трения существенно влияет на выбор угла на-
клона 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 жело-
ба 1, заполняемого исследуемым грузом, и подвижной рамки 4. Рамка
4 катками 6 опирается на направляющие 3 и соединена с грузовой
чашкой 9 посредством
троса 7, перекинутого че-
рез блок 8. Образец в рам-
ке 4 уплотняется при по-
мощи прижимной пластины
с грузами 5. Поверхность
сдвига в желобе 1 может
меняться при установке
пластины 2 для определе-
ния внешнего трения
(сталь, фторопласт, и т.д.).
Высоту свободно стоящей вертикальной стенки груза заме-
ряют при помощи прибора, представленного на рис.1.6, в следующей
последовательности. В открытый ящик 1, оснащенный подвижной
стенкой 2, загружают испытуемый груз рав-
ными горизонтальными слоями. При открытии
замка 3 и плавном опускании подвижной стен-
ки связный груз остается неподвижным без
обрушения свободно стоящего вертикально
испытуемого груза. После достижения пре-
дельно допустимой высоты стенки испытуе-
мого груза за счет опускания подвижной стен-
ки ящика она обрушивается. Высоту свободно
стоящей вертикальной стенки используют на-
ряду с другими физико-механическими свой-
ствами грузов для определения начального
сопротивления сдвигу.
8
1
2
3
Рис.1.6. Прибор для
определения высоты
свободно стоящей
вертикальной стенки
насыпного груза
9
4 5 6
3
2
7
1
Рис.1.5. Схема установки для определения
коэффиц и ентов трения
8
16
Предельный диаметр сводообразующего отверстия оказывает
значительное влияние на выбор площади поперечного сечения вы-
грузного люка емкости. Выгрузное отверстие с наибольшей площадью,
при которой наблюдается явление сводообразования, называют сво-
дообразующим отверстием. Последнее определяют эксперименталь-
но с помощью прибора. Площадь отверстия зависит от связности гру-
за: 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 грануло-
метрического состава груза.
Предельный диаметр сводообразующего отверстия для хорошо-
сыпучих грузов можно определить эмпирически:
dпр = А еbа, (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 мас-
сы испытуемого груза из конусообразной воронки с углом раствора 60°
через отверстие диаметром 15 мм.
Сыпучесть отождествляют с таким состоянием груза, при кото-
ром 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 сыпу-
честь существенно влияют параметры хранилища, выпускной воронки,
ее форма и размер отверстия, высота слоя засыпки.
Сыпучесть количественно оценивают коэффициентом сыпуче-
сти (подвижности) m, который характеризует способность частиц гру-
за к относительной подвижности:
+ ϕ
− ϕ
=
1 sin
m 1 sin , (1.5)
где ϕ — 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).
2
1
Рис. 1.7. Слежавшийся груз после
длительного хранения:
1 – пустота в толще груза;
2 – стенки >оронки ?мкости
17
Явление слеживаемости следует рассматривать как проявление
сцепления частиц насыпных грузов. Динамические нагрузки ускоряют
процесс слеживаемости. При этом выпуск грузов значительно затруд-
няется. 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 от-
верстия.
Сводообразование — образование сводов в емкостях в процессе
выпуска сыпучего груза. Возникшие своды разделяют на неустойчи-
вые 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 скаты-
ванию его частиц по уклону с увеличенной траекторией движения час-
тиц более крупных, тяжелых и округлых по сравнению с мелкими, лег-
кими и чешуйчатыми. Последние остаются в месте соударения с на-
клонной 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 влаж-
ностью окружающей среды. Пониженная влажность окружающей сре-
ды приводит к выделению из груза влаги, высыханию. Поглощение
влаги вызывает гнилостные процессы в грузах органического проис-
хождения, увеличивает слеживаемость сыпучих грузов. Высыхание
приводит к пылению дисперсных грузов, потере технологических ка-
честв.
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 теп-
лоты, в результате чего повышаются температура и влажность мате-
риала, ускоряются биологические процессы, размножаются болезне-
творные микробы и вредители продуктов.
В приложении 1 представлены физико-механические свойства
насыпных грузов.
