Физико-механические свойства насыпных грузов: Методические указания к лабораторной работе по курсу ''Строительные и дорожные машины''

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАСЫПНЫХ ГРУЗОВ Методические указания к лабораторной работе по курсу «Строительные и дорожные машины» для студентов специальности 190205

ПЕНЗА 2009 г.

1

УДК 621.9.06 В лабораторной работе по курсу «Строительные и дорожные машины» рассмотрены основные физико-механические свойства насыпных грузов. Дана методика определения этих свойств при помощи лабораторного оборудования. Методические указания подготовлены на кафедре «Транспортнотехнологические машины и оборудование» и предназначены для студентов специальности 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование»

С о с та ви т е ли : Н.Е.Курносов, Ю.К.Измайлов, А.А. Земцов

В.В.Лобачев,

Л.П.Корнилаева,

Р е ц е н з е н т : Главный инженер ОАО «Пензмаш» Колтунов А.А. По д о б щ е й р е д а к ц и е й Н.Е.Курносова

2

Введение Методические указания составлены в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта и рабочей программой курса «Строительные и дорожные машины» для студентов специальности 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование». Курс «Строительные и дорожные машины» является одним из основных в подготовке инженера по специальности «Подъемнотранспортные, дорожные и строительные машины и оборудование» и способствует развитию навыков, необходимых при конструировании, эксплуатации строительных и дорожных машин. Одним из важнейших условий закрепления теоретических знаний, полученных из лекционного материала, являются практические приемы по выявлению известных теоретических зависимостей. Лабораторная работа «Физико-механические свойства насыпных грузов» предназначена для закрепления у студентов теоретического материала по теме: «Физико-механические свойства насыпных грузов», способствует развитию навыков проведения эксперимента, а также обработки и анализа полученных результатов. Ц е л ь р а б о т ы : изучение основных физико-механических свойств насыпных грузов и методики их определения. Основные понятия Все грузы, подлежащие транспортировке, условно можно разделить на насыпные и штучные. К насыпным относятся грузы, которые хранятся и перемещаются навалом. Удельный вес сыпучих (насыпных) грузов в годовом грузообороте предприятия определяется характером производства. Среднесуточный грузооборот сыпучих грузов заводов с литейными цехами достигает 2000 т. На промышленных предприятиях транспортируются и складируются в основном следующие сыпучие грузы: руда, уголь, глина, песок, формовочная земля, цемент и т. д. Насыпные грузы характеризуются крупностью кусков (частиц), их насыпной массой, подвижностью, абразивностью, коэффициентами внутреннего и внешнего трения, влажностью и другими физикомеханическими параметрами. Физико-механические свойства сыпучих грузов оказывают существенное влияние на способ их перемещения, захвата и перегрузки. Основными свойствами сыпучих грузов являются крупность частиц, насыпная масса, угол естественного откоса, коэффициенты внутреннего и внешнего трения, абразивность.

3

На выбор способа транспортирования насыпных грузов и конструкцию рабочих органов оказывает влияние влажность, липкость, слеживаемость, острокромчатость, смерзаемость, взрывоопасность, самовозгораемость. К р у п н о с т ь характеризуется наибольшим размером частиц груза. По крупности частиц сыпучие грузы делятся на категории, характеризуемых размерами частиц в мм: Пылевидные ………………………………………………. <0,05 Порошкообразные………………………………………… 0,05-0,5 Мелкозернистые…………………………………………… 0,5-2 Крупнозернистые …………………………………………. 2-10 Мелкокусковые……………………………………………. 10-60 Среднекусковые…………………………………………… 60-160 Крупнокусковые…………………………………………... 160- 320 Особокрапнокусковые……………………………………. >320 При перемещении таких грузов важна и их однородность по крупности определяемая соотношением размеров крайних фракций. Однородность характеризуется коэффициентом однородности (1) k amax / amin , где amax , amin — размеры максимальной и минимальной частиц перемещаемой массы груза соответственно. По характеру однородности насыпные грузы подразделяют на рядовые и сортированные. При k< 2,5 груз является однородным (сортированный) и характеризуется средним размером а. При k > 2,5 груз неоднороден (рядовой) и характеризуется размером a max . Крупность и однородность грузов учитывается при назначении ширины рабочих органов перегрузочных устройств, пересыпных лотков, размеров выходных отверстий бункеров. Насыпные грузы характеризуются размером a типичного куска. Для рядовых грузов a 0,8 1 amax (2) Для сортированных грузов a max

a

a min 2

4

(3)

П л о т н о с т ь г р у з а ρ – характеризуется массой единицы объема насыпного груза и выражается в кг/м3.По величине плотности все грузы делятся на следующие четыре группы : легкие (кокс, торф, опилки) 0,6 ; средние (зерно, уголь, шлак) тяжелые (песок, гравий, порода)

0,6

1;

1,0

2,0 ;

весьма тяжелые (руда, камень) 2,0 . Различают плотность ρ свободно насыпанного и ρy уплотненного груза. Отношение плотности динамически уплотненного груза ρy к плотности свободно насыпанного груза ρ называется коэффициентом уплотнения k1

y

.

(4)

Плотность груза необходимо знать для определения производительности транспортирующих машин, нахождения расчетных нагрузок на грузонесущие элементы конвейеров. У г л о м е с т е с т в е н н о г о о т к о с а φ насыпного груза называется угол между образующей конуса из свободно насыпанного груза и горизонтальной плоскостью. Этот угол зависит от взаимной подвижности частиц груза: чем больше, тем меньше угол φ. Взаимная подвижность частиц определяется силами трения и сцепления между ними. Поэтому для одного и того же груза в зависимости от его состояния (влажности, температуры, крупности частиц) угол естественного откоса может иметь разные значения. По п о д в и ж н о с т и ч а с т и ц насыпные грузы разделяют на три группы, табл.1. Таблица 1 – Виды грузов по подвижности частиц Угол естественного Подвижность час- Характерные примеры насыпоткоса в покое, тиц груза ных грузов Легкая

Средняя Малая

Апатит, сухой песок, цемент, сухой кокс, круглая сухая галька, пылеуголь, пылеглина. Влажный песок, формовочная земля, каменный уголь, бурый уголь, щебень, торф, шлак. Сырая глина, гашеная известь, аммиачная селитра.

5

30÷35

40÷45 50÷55

Различают угол естественного откоса в покое φ и в движении φД. В первом случае опорная горизонтальная поверхность находится в покое, а во втором случае она движется и колеблется, уменьшая тем самым угол естественного откоса. В расчетах принимают Д 0,7 . Для хорошо сыпучих грузов B , где B - угол внутреннего трения груза. Коэффициент внутреннего трения f B для таких грузов связан с углом естественного откоса зависимостью (5) f B tg Угол естественного откоса является определяющим для площади сечения груза на грузонесущих элементах конвейера, давления на боковые стенки желобов, загрузочных устройств, бункеров. К о э ф ф и ц и е н т в н е ш н е г о т р е н и я f насыпного груза характеризует сопротивление перемещению груза по поверхности твердых тел. Значение коэффициента внешнего трения необходимо для определения предельных углов наклона конвейеров, стенок бункеров, гравитационных спусков, коэффициента сопротивления движению груза по желобу скребковых конвейеров. Его значение также учитывают при назначении угла установки машины, потерь на перемещение груза. А б р а з и в н о с т ь это способность частиц груза истирать поверхность рабочего органа. По степени абразивности грузы делятся на четыре группы: А- неабразивные (мел, опилки, древесина, торф); В- малообразивные (уголь, известняк, гравий); С- средней абразивности (цемент, песок, земля); Д- высокой абразивности (щебень, руда, зола). Степень абразивности зависит от твердости, формы и размеров частиц груза и учитывается при выборе способа транспортирования и конструкции несущего органа. При транспортировании абразивных грузов принимают меры против ускоренного изнашивания рабочих поверхностей транспортирующей установки. С этой целью выбирают материал рабочих поверхностей, стойкий к воздействию абразивных частиц, или наносят на рабочие поверхности специальные составы. Следует надежно изолировать ответственные части машин (подшипники, шестерни, шарниры) от проникновения транспортируемого абразивного материала. С л е ж и в а е м о с т ь ю называют способность некоторых насыпных грузов (цемента, извести, гипса) терять подвижность при хранении в штабелях, бункерах и т.д. Поэтому приходится применять разные способы

6

борьбы со слеживаемостью, например рыхление (механическое, вибрационное, пневматическое). Л и п к о с т ь – способность груза (влажная глина, мел, известь и растворы) липнуть к соприкасающимися с ними телами. Ее учитывают при выборе формы и материала рабочих органов (ковшей), к которым груз не должен прилипнуть, в также при выборе вида очистительных устройств. О с т р о к р о м о ч н о с т ь – это способность насыпного груза образовывать острые кромки при дроблении, которые разрушают рабочие поверхности несущих элементов (лент, настилов, воронок, лотков и т.п.) Методика эксперимента Описание лабораторной установки В работе используют приборы и лабораторные установки для определения насыпной массы груза, коэффициента внешнего трения, угла естественного откоса груза. П л о т н о с т ь г р у з а определяют с помощью мерной емкости 1 (рис.1). Емкость имеет поворотную раму 2, установленную на стержне 3, закрепленном на мерной емкости.

Рисунок 1 – Установка для определения насыпной массы груза

К о э ф ф и ц и е н т в н е ш н е г о т р е н и я определяют на установке (рис.2), состоящей из желоба 1, в который укладывается полоса материала 2, рамки 3, в которую засыпается груз, основания 4, винта 5 и угломера 6 для измерения угла наклона желоба.

7

Рисунок 2 – Установка для определения коэффициента внешнего трения

У г о л е с т е с т в е н н о г о о т к о с а φ определяют на установке (рис.3), состоящей из коробка 1 с подъемной перегородкой 2, которая перемещается в направляющих 3 и угломера 4. Угломер расположен на прозрачной боковой стенке короба в направляющих и может перемещаться вдоль нее.

Рисунок 3 – Установка для определения угла естественного откоса

Техника проведения эксперимента Определение плотности груза Груз свободно насыпают в емкость до ее краев, после чего рамку поворачивают, срезая излишек груза в емкости. Груз, оставшийся в емкости, взвешивается, а плотность рассчитывается по формуле m ; V

где m - масса груза в емкости; V-объем емкости.

8

(6)

Определение коэффициента внешнего трения На дно желоба укладывают полосу из заданного материала рабочего органа, а на нее устанавливают рамку, в которую засыпают груз. Вращением винта увеличивают угол наклона желоба до того момента, когда произойдет сдвиг рамки с грузом. Значение коэффициента внешнего трения определяют по зависимости f

m g sin m g cos

tg ,

(7)

где m- масса рамки с грузом, β-угол наклона желоба в момент сдвига рамки. Определение угла естественного откоса Груз насыпают в правую часть короба при опущенной перегородке (рис.3, а). При подъеме перегородки (рис.3,б) груз рассыпается, образуя поверхность свободного откоса с углом φ к горизонтальной плоскости, который и является углом естественного откоса в покое. Величина этого угла замеряется угломером. Требования безопасности труда 1.Перед началом работы проводится инструктаж о порядке проведения работ. 2.При выполнении лабораторной работы запрещается покидать рабочее место. 3.При обнаружении какой-либо неисправности доложить преподавателю. Порядок выполнения работы Задание 1 Определить плотность груза О б о р уд о в а н и е и п р и н а д ле ж н о с ти : мерная емкость V=200±0,5 см³; весы . 1.Взять мерную емкость и наполнить ее грузом. 2.Взвесить емкость с грузом на весах. 3.Освободить емкость от груза и повторить опыт не менее 3 раз. Результаты измерений занести в таблицу 2. собственная масса мерной емкости указана на ее стенке.

9

Таблица 2 Масса навесНомер опыта ки с грузом, mi , кг 1

m1

2

m2

3

m3

Масса груза в навеске, m , кг

Плотность груза, ρ, т/м³

Наименование груза

m

Обработка результатов эксперимента 1.Анализируют результаты измерений и исключают грубые ошибки. 2.Определяют среднее арифметическое значение массы груза в навеске. 3.Определяют среднее значение плотности груза

по формуле

m . V

4.Определяют границу результирующей погрешности при условии равномерного ее распределения и доверительной вероятности Р=0,95, поправочный коэффициент принят равным 1,1. P

1,1

1 V

2 m

2

V

V

,

где m Ц, Ц - цена деления измерительной шкалы весов, для условий лабораторной работы ; 0,5 см³- допустимая погрешность мерной емкости опредеV лена тарировкой. 5.Результаты эксперимента представляют в форме P. P, Задание 2 Определить коэффициент внешнего трения груза О б о р уд о в а н и е и п р и н а д л е ж н о с ти : стенд, схема которого приведена на рисунке 2. 1.Установить желоб в горизонтальное положение. 2.Уложить по указанию преподавателя на дно короба полосу из стали, резины или дерева.

10

3.Установить подвижную рамку в крайнее положение и засыпать грузом. 4.С помощью рукоятки винта желоб медленно наклонить к горизонту до начала скольжения рамки с грузом, после чего вращение рукоятки прекратить. 5.Снять показания угломера и занести в таблицу 3. 6.Повторить действия, предписанные пунктами 1-5 не менее 3 раз. Таблица 3 Результаты измерений и расчетов по определению коэффициента внешнего трения Угол наклона Вид груза и 0 0 2 желоба i , Номер опыта опорной поi i верхности град 1 2 3 4

О б р а б о тк а р е з уль та то в эк с п е р и м е н та 1.Анализирует результаты измерений и исключают грубые ошибки. 2.Определяют среднее арифметическое значение угла наклона желоба. f

3.Рассчитывают среднее значение коэффициента внешнего трения tg . 4.Определяют среднее квадратичное отклонение результата измере-

ний 2 i

S

.

ii 1

5.Определяют границу погрешности результата измерений TS

,

f

tg

,

где T-коэффициент Стьюдента, выбирается по таблице 5. 6.Результаты эксперимента представить в форме f f t , P.

11

Задание 3 Определить угол естественного откоса груза О б о р уд о в а н и е и п р и н а д ле ж н о с ти : стенд, схема которого приведена на рисунке 3. 1.Насыпать груз в правую часть короба при опущенной перегородке. 2.Поднять перегородку. 3.Переместить угломер по направляющей до совпадения нулевой точки с линией на прозрачной стенке, соответствующей поверхности откоса и измерить угол ее наклона, φ. 4.Перегородку опустить. Пункты 1-3 повторить не менее 3 раз. Результаты замеров занести в таблицу 4. Таблица 4 Угол естестНомер опыта венного откоса, град i

2 i

i

Вид груза

1 2 3 4

О б р а б о тк а р е з уль та то в эк с п е р и м е н та 1.Анализируют результаты измерений и исключают грубые ошибки. 2.Определяют среднее арифметическое значение угла естественного откоса. 3.Определяют среднее квадратичное отклонение результата измерения 2 i

S

ii 1

.

4.Определяют границу погрешности результата измерения TS , где T-коэффициент Стьюдента, выбирается по таблице 5. , P 5.Результаты измерения представляют в форме

12

Таблица 5 Значение коэффициента Стьюдента Т от числа измерений в доверительной вероятности Р Доверительная вероятность, Р Число измерений, i-1 0,95 0,99 3 3,182 5,84 4 2,776 4,604 5 2,571 4,032

С о д е р ж а н и е и о ф о р м ле н и е о тч е т а О тч е т в к л юч а е т: 1.Название, краткое описание цели и содержание работы. 2.Описание и схемы лабораторных установок. 3.Результаты измерений и расчетов по определению плотности, коэффициента трения и угла естественного откоса груза. В о п р о с ы д ля с а м о к о н тр о ля 1.Назовите основные физико-механические свойства насыпных грузов. 2.Назовите категории крупности грузов и критерий их однородности. 3.Какие грузы по величине плотности вы знаете? 4.Чем характеризуется подвижность частиц груза? 5.Назовите степени абразивности грузов. 6. Что называется слеживаемостью материала? 7. Назовите основные способы борьбы со слеживаемостью насыпных грузов. 8. Что называется липкостью грузов? 9. Чем характеризуется острокромочность грузов? 10.Как влияют физико-механические свойства грузов на параметры конвейеров и конструкцию рабочих органов? Список использованной литературы

13

1.Зенков Р.Л. Машины непрерывного транспорта / Р.Л.Зенков, И.И. Ивашков, Л.Н. Колобов. - М.: Машиностроение, 1987.-432с. 2.Спиваковский А.О. Транспортирующие машины / А.О.Спиваковский, В.К. Дьячков – М.: Машиностроение, 1983.-487с. 3. Базанов А.Ф. Подъемно-транспортные машины / А.Ф.Базанов – М.- Издательство литературы по строительству, 1965. – 312с. 4. Методические указания к лабораторной работе по курсу «Строительные и дорожные машины» для студентов специальности 190205 ) - Калуга, 1988 – 15 с.

14