Лабораторная работа 1. Определение величины угла ссыпания и угла естественного откоса зернисто-кускового материала
Лабораторная работа 1. Определение величины угла ссыпания и угла естественного откоса зернисто-кускового материала
Цель работы. Определить величины угла естественного откоса и угла ссыпания зернисто-кускового материала.
Теоретические положения. Зернисто-кусковой материал, лежащий на наклонной плоскости (например, на наклонной плоскости бункера, на наклонном ленточном транспортере и т. д.), при определенном угле наклона этой плоскости к горизонту начинает ссыпаться по ней. Такой предельный угол наклона называется углом ссыпания.
В зависимости от формы кусочков можно наблюдать два вида движения кускового материала по плоскости ссыпания: скольжение и перекатывание. Скольжение наблюдается при кусках с развитыми плоскими гранями; передвижению кусков здесь препятствует трение скольжения между гранями кусков и плоскостью ссыпания. Качение наблюдается при форме кусков, близкой к шару. В этом случае передвижение куска происходит как скатывание его, с сопротивлением трения качения.
Предельное состояние покоя слоя кускового материала на наклонной плоскости имеет место тогда, когда сила трения F равна проекции М силы тяжести G на эту плоскость (рисунок 1). С другой стороны, эта же сила трения пропорциональна нормальному давлению кускового материала на наклонную плоскость
F=M=fN,
откуда f = М / N = tgα
где f – коэффициент трения, определяемый свойствами самого материала, равный tga;
α – угол ссыпания зернисто-кускового материала.
Рисунок 1
Если рассматривать весь слой сыпучего материала, который перемещается по гладкой наклонной плоскости, то здесь, даже в случае кусков шарообразной формы, происходит скорее скольжение материала по плоскости, чем перекатывание, так как весь материал «течет» сплошной массой.
Угол ссыпания зависит от коэффициента трения материала о плоскость ссыпания, от формы и крупности кусков, от структуры поверхности, по которой происходит ссыпание (поверхность может быть гладкой, шероховатой, ребристой и т. д.), а также он влажности самого кускового материала.
Если насыпать зернисто-кусковой материал на горизонтальную плоскость, то он располагается на ней в виде конуса. Угол между образующей этого конуса и горизонтальной плоскостью называется углом естественного откоса зернисто-кускового материала.
Угол естественного откоса всегда больше угла ссыпания (для одного и того же материала), так как наличие неровностей на поверхности материала препятствует скатыванию, а тем более скольжению кусков. Угол естественного откоса в большой степени зависит от фракционного состава кускового материала, ибо последний определяет собой общую структуру поверхности конуса. Эта разнородность размера кусков вызывает в то же время преимущественное скатывание крупных кусков материала на край насыпаемой кучи, вследствие того, что неровности поверхности оказывают меньшее сопротивление перекатыванию крупных кусков, чем мелких (рисунок 2). Неравномерное распределение кусков по крупности необходимо учитывать при загрузке насадочных абсорберов, шахтных печей и т. д., так как в местах расположения крупных кусков, т. е. на-периферии, получается большее сечение каналов и газ пойдет преимущественно по этим каналам, имеющим меньшее гидравлическое сопротивление.
Тонко измельченные материалы имеют больший угол естественного откоса, т. е. меньшую сыпучесть, в связи с более развитой поверхностью трения.
Рисунок 2
Угол естественного откоса значительно зависит от влажности материала, потому что вода, располагаясь на поверхности кусков, вызывает слипание их и тем самым затрудняет движение отдельных кусков. Чем меньше куски материала, тем больше проявляется влияние влажности; но чрезмерное увлажнение приводит к увеличению послойной текучести жидкости между кусочками материала, и угол естественного откоса вновь уменьшается (таблица 1).
Таблица 1
Порода | Угол естественного откоса, град, для породы | ||
сухой | влажной | мокрой | |
Песок крупный | 30 – 35 | 32 – 40 | 25 – 27 |
Песок средний | 28 – 30 | 35 | 25 |
Песок мелкий | 25 | 30 – 35 | 15 – 20 |
Гравий | 35 – 40 | 35 | 30 |
Угол естественного откоса и угол ссыпания резко уменьшаются при движении материала и плоскости, на которой он лежит. При сотрясениях или вибрациях материал интенсивно рассыпается, растекается, стремясь принять горизонтальное положение, так как при вибрациях в отдельные моменты уменьшается взаимное трение по поверхности соприкосновения кусочков друг с другом и кусочков с плоскостью. На этом основано применение вибротранспортирующих устройств, вибраторов для облегчения разгрузки бункеров, самосвалов и дозирующих устройств.
Знание углов естественного откоса и ссыпания необходимо при проектировании складских помещений, транспортеров, шахтных печей, где имеют дело с сыпучими материалами. Невозможность учета теоретически всех факторов, определяющих величину этих углов, приводит к необходимости экспериментального их определения.
Описание установки. Для определения угла естественного откоса используется гладкая горизонтальная плоскость с нанесенными на ней делениями в сантиметрах и короткий металлический цилиндр; для определения угла ссыпания - прибор, состоящий из вала 1, на который навертывается шнур, кронштейна 2, через который шнур соединяется с подъемной доской 3, и угломера 4, установленного у оси вращения подъемной доски. Подъемная доска снабжена указателем, показывающим на угломере угол ее подъема (рисунок 3). Для сбора ссыпавшейся массы поставлен ящик. В работе используется также линейка, весы и прямоугольная металлическая рамка.
Рисунок 3
Проведение опыта и запись наблюдений. При определении углов естественного откоса и ссыпания используется сыпучий материал двух или трех сортов крупности.
А. Определение угла естественного откоса
1. Установить металлический цилиндр в центре горизонтальной плоскости,
2. Набрать совком сыпучий материал и высыпать его в цилиндр.
3. Медленно поднять цилиндр, предоставив материалу свободно рассыпаться по плоскости.
4. Отсчитать диаметр образовавшейся насыпной кучи материала по делениям на плоскости, измерить высоту кучи линейкой и данные записать.
Б. Определение угла ссыпания
1. Уложить на подъемной доске прямоугольную металлическую рамку и полностью засыпать ее сыпучим материалом.
2. Снять прямоугольную рамку и, медленно вращая вал, привести подъемную доску в наклонное положение.
3. Когда материал начнет ссыпаться, прекратить подъем доски и записать угол ее наклона. Перенести весь материал с подъемной доски и ее подставки на лист бумаги, взвесить материал, добавить определенное количество воды (заданное преподавателем), тщательно перемешать и произвести с влажным материалом те же определения (этапы А, 1 - 4 и Б,
Результаты опытов внести в таблицу 2.
Таблица 2
Наименование исследуемого материала | Угол естественного откоса | Угол ссыпания | ||||||||
сухой материал | влажный материал | Сухой материал | Влажный материал | |||||||
Н | D | tg α | α | Н | D | tg α | α | |||
Обработка результатов опыта. Пользуясь соотношением определить величину tg α и по таблицам найти соответствующее значение α.
,
где α – угол естественного откоса, град.;
Н – высота насыпанной кучи материала, см;
D – диаметр насыпанной кучи материала, см;
– радиус насыпанной кучи материала, см,
Содержание отчета. После выполнения работы отчитаться согласно плана:
1) Краткое изложение теории и цель работы.
2) Схема установки.
3) Таблица 2.
4) Вывод по работе.
Задание на подготовку к лабораторной работе.
1) Измельчение твёрдых материалов и их классификация [1, 756 – 803].
2) Измельчение, грохочение и дозирование твёрдых тел [2, с. 763 – 766].
Контрольные вопросы.
1) Объясните понятие «угол ссыпания».
2) Виды движения кускового материала по плоскости ссыпания.
3) Назовите факторы, от которых зависит величина угла ссыпания зернисто-кускового материала.
4) Объясните понятие «угол естественного откоса зернисто-кускового материала».
5) Назовите факторы, от которых зависит величина угла естественного откоса.
6) Скажите какая величина больше - угол ссыпания или угол естественного откоса, объясните почему.
7) Как изменяется величина угла ссыпания и угла естественного откоса при движении материала и плоскости, на которой он лежит?
8) Как угол естественного откоса зависит от влажности?
9) тонко или крупно измельчённый материал имеет больший угол естественного откоса?
10) Для чего необходимо знание углов естественного откоса и ссыпания?
