Способ определения механических характеристик предельного состояния сыпучего материала и устройство для его осуществления
Использование: изобретение относится к горному делу, в частности к обогащению полезных ископаемых для изучения механических свойств сыпучих тонкодисперсных материалов при определении технологических режимов и геометрических параметров обогатительных аппаратов. Сущность: способ определения предельного состояния сыпучего материала заключается в определении предельного значения напряжения сдвига путем изменения угла наклона поверхности, на котором размещается исходный материал с нанесением фиксирующего элемента на его верхний слой. А устройство, реализующее способ, снабжено сменным покрытием с выступами и фиксирующим элементом, выполненным в виде каркаса из тонких перегородок или в виде тонкой пленки распыленного клеящего вещества. Предложенный способ универсален: позволяет определять ряд механических характеристик предельного состояния как твердого тела, так и сыпучих материалов, как в сухом виде, так и в жидкой среде. Конструкция исключает ряд негативных факторов, влияющих на точность результатов, позволяет при исследовании дисперсных материалов дополнительно учитывать высоту слоя. Может применяться в различных областях при решении подобных задач. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей по видам определяемых механических характеристик предельного состояния материалов и форм их существования, а также повышения точности их значений. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к горному делу, в частности к обогащению полезных ископаемых для изучения механических свойств сыпучих тонкодисперсных материалов при определении технологических режимов и геометрических параметров обогатительных аппаратов, например при исследовании поведения слоя осадка на наклонной плоскости.
Известен способ определения механических характеристик предельного состояния материала, включающий размещение материала в виде тела на плоскую поверхность в устойчивое статическое состояние, перемещение его в неустойчивое состояние путем наклона поверхности, измерение образовавшегося минимального угла наклона поверхности относительно горизонтальной плоскости с последующим определением расчетом механической характеристики, например статического коэффициента трения скольжения (см. Гернет М.М. Курс теоретической механики. Изд. 3-е перераб. и доп. Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1973. - 464 с., с.92...93).
Устройство включает плоскую поверхность с возможным изменением угла наклона относительно горизонтальной плоскости (см. там же).
Недостатком известного решения является его ограниченность в применении к сыпучим, особенно тонкодисперсным материалам и, в частности, при размещении их в жидкой среде в виде слоя осадка. Если на наклонной поверхности базируется сыпучий материал, то последний приходит в движение по объему постепенно: с изменением высоты слоя за счет сползающих и перекатывающихся частиц, начиная с верхнего уровня слоя. Изменение геометрии формы материала по времени влияет на точность определяемых характеристик.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ определения механической характеристики предельного состояния сыпучего материала по естественному углу откоса, включающий размещение материала в прозрачной призматической емкости в устойчивое статическое состояние, перемещение его в неустойчивое состояние путем наклона емкости, измерение образовавшегося угла между верхним слоем материала и горизонтальной плоскостью, (см. Ломтадзе В.Д. Физико-механические свойства горных пород. Методы лабораторных исследований. Учебное пособие для вузов. - 2-е изд., перер. и доп. - Л.: Недра, 1990. - 328 с., с.292...293).
Устройство для реализации способа включает прозрачную призматическую емкость, установленную с возможностью изменения угла наклона относительно горизонтальной плоскости, с размещенным внутри исследуемым материалом, (см. Ломтатзе В.Д. ... с.292...293).
Недостатком этого решения является изменение первоначальной формы распределения материала по объему, что ограничивает исследование по влиянию высоты слоя сыпучего материала на его предельное состояние на наклонной плоскости. Также обладает низкой точностью получаемых значений механических характеристик, например предельных касательных напряжений сдвига в слое на глубине h по нормали к поверхности откоса, получаемых по аналитическим зависимостям (см. ниже) на основе измеренного угла. Так как формирование угла откоса протекает во времени за счет сползающих и перекатывающихся частиц верхних слоев, то этот угол не отражает процесса сдвига. Кроме того, на формирование угла оказывают влияние дополнительное сопротивление, возникающее за счет сил трения между частицами, достигающими нижнего положения, и днищем емкости, а также динамические факторы, возникающие в этой зоне в процессе образования откоса.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей по видам механических характеристик предельного состояния материалов и форм их существования, а также повышение точности их значений.
Сущность изобретения состоит в том, что в способе определения механических характеристик предельного состояния сыпучего материала, включающем размещение материала в прозрачной призматической емкости в устойчивое статическое состояние, перемещение его в неустойчивое состояние путем наклона емкости, измерение образовавшегося угла между верхним слоем материала и горизонтальной плоскостью, размещение материала осуществляют по плоскости емкости равномерным слоем постоянной высоты с нанесением фиксирующего элемента на его верхнюю поверхность, при этом механическую характеристику предельного состояния материала определяют по предельному значению напряжения сдвига по формулам: для воздушной среды
для жидкой среды
где h - высота срезаемого слоя, g - ускорение свободного падения, ρ - плотность сыпучего материала, ρТ - плотность твердой фазы материала, ρЖ - плотность жидкой среды, m - объемное содержание твердой части в слое материала (в долях ед.), α - измеряемый угол.
Сущность изобретения состоит также в том, что устройство для реализации способа, содержащее прозрачную призматическую емкость, установленную с возможностью изменения угла наклона относительно горизонтальной плоскости, с размещенным внутри исследуемым материалом отличается тем, что днище емкости выполнено в виде плоского уступа, снабженного сменным покрытием с выступами постоянной высоты, а устройство дополнительно снабжено фиксирующим элементом, выполненным в виде каркаса из тонких перегородок или в виде тонкой пленки распыленного клеящегося вещества, расположенного поверх исследуемого материала.
Предложенное решение не исключает возможностей выполнения функций прототипа и аналога, а именно - определение естественного угла откоса сыпучего материала, угла трения и статического коэффициента трения твердого тела.
Выполнение днища емкости в виде плоского уступа обеспечивает в наклонном положении свободный выход сыпучего материала в полость емкости ниже уровня уступа, исключая влияние дополнительного сопротивления частиц о днище емкости.
Установка сменного покрытия с выступами постоянной высоты и нанесение фиксирующего элемента по верхней части материала позволяют срезать целиком часть слоя по уровню выступов и определять дополнительную характеристику материала - предельное напряжение сдвига сыпучего материала.
Размещение сыпучего материала по плоскости емкости равномерным слоем постоянной высоты с нанесением фиксирующего элемента на его верхнюю поверхность дает возможность определять его статический коэффициент трения f о поверхность базирования как f=tgα.
Нанесение фиксирующего элемента на верхнюю часть слоя исключает динамические факторы, связанные с изменением формы слоя, что приближает процесс к механическому сдвигу слоя.
Предложенные зависимости позволяют кроме измеряемого угла учитывать дополнительный фактор - высоту слоя. Кроме того, они позволяют экспериментально устанавливать взаимосвязь между углом наклона слоя и его высотой.
Заполнение емкости жидкой средой расширяет область использования технического решения для определения механических характеристик слоя осадка.
Таким образом, способ и устройство дают возможность определять угол трения, статический коэффициент трения как для материала твердых тел, так и сыпучих материалов. Также позволяют определять угол естественного откоса, предельное напряжение сдвига сыпучих материалов как в сухом состоянии, так и в жидкой среде. Исключение побочных явлений (трение частиц о днище емкости на выходе, динамические процессы смещения части слоя, изменение формы слоя) повышает точность процесса.
На фиг.1 изображено устройство по определению механических характеристик предельного состояния материала; на фиг.2 - элемент А на фиг.1, (увеличено); на фиг.3 - вид Б на фиг.2.
Осуществление заявляемого способа производят следующим образом. Сыпучий исходный материал размещают в прозрачной емкости на поверхности уступа равномерным слоем постоянной высоты, обеспечивая его устойчивое статическое состояние, фиг.1, наносят на его верхнюю поверхность фиксирующий элемент в виде каркаса или распыляют клеящееся вещество относительно тонким слоем. Наклоняя емкость, а с ней и плоскость уступа, исходный материал приводят в неустойчивое состояние, при котором он начинает движение вниз под действием гравитационной силы. В этот момент измеряют угол наклона между верхним срезаемым слоем материала и горизонтальной плоскостью, который является конечным результатом или промежуточным для последующих расчетов других механических характеристик. При определении значения предельного напряжения сдвига предварительно замеряют высоту слоя и плотность сыпучего материала.
Если выделить элементарный объем слоя на наклонной плоскости под углом α к горизонтальной поверхности, фиг.2, то возникающие касательные напряжения по плоскости среза определяются как
где ΔG - сила тяжести выделенного элемента на глубине h по нормали к слою; ΔS - площадь сдвига; В - ширина слоя; 
- выделенный вертикальный объем слоя до плоскости среза.
Отсюда следует, что на значение напряжения сдвига слоя оказывает влияние: плотность сыпучего материала, высота слоя по нормали к плоскости базирования материала и его угол наклона.
При заполнении емкости жидкой средой появляется выталкивающая сила (архимедова сила), при этом дополнительно учитывается плотность жидкости и пористость слоя в соответствии с формулой (2).
По измеренным α, h и заранее известным (или ρт, ρж, m по формулам (1) или (2) определяется предельное значение напряжения сдвига слоя сыпучего материала или осадка.
Устройство по определению предельного напряжения сдвига состоит из прозрачной призматической емкости 1, заполненной ограниченным объемом сыпучего материала 2, расположенного в виде слоя на поверхности уступа 3 днища емкости. Кроме того, поверхность уступа может быть выполнена съемной и состоять из плоскости 4, снабженной выступами 5 одной высоты. Поверх слоя сыпучего материала расположен фиксирующий элемент 6 в виде каркаса из тонких перегородок. В качестве фиксирующего элемента может применяться пленка, получаемая распылением клеящего вещества.
Работа устройства осуществляется в следующей последовательности.
Испытуемый сыпучий материал размещается в емкости слоем высотой h на поверхности уступа 3 или слоем h до уровня выступов. Поверх слоя размещают фиксирующий элемент 6. Емкость может быть заполнена жидкой средой. Наклоняя емкость 1 на угол α, а вместе с ней плоскость уступа, слой сыпучего материала приводится в неустойчивое состояние, который смещается по наклонной плоскости вниз, заполняя частицами полость емкости ниже уступа. При этом поверхностью сдвига считается плоскость по уровню порогов 5. Замеряется минимальный угол наклона плоскости уступа α, при котором начинает смещаться слой с последующим расчетом механических характеристик: предельного напряжения сдвига или статического коэффициента трения.
Таким образом, предложенный способ универсален: позволяет определять ряд механических характеристик предельного состояния как твердого тела, так и сыпучих материалов, как в сухом виде, так и в жидкой среде. Конструкция устройства проста в изготовлении и эксплуатации. Исключает ряд негативных факторов, влияющих на точность результатов, позволяет при исследовании дисперсных материалов дополнительно учитывать высоту слоя. Может применяться в различных областях при решении подобных задач, например для определения предельных механических характеристик снежного покрова на наклонной плоскости.
1. Способ определения механических характеристик предельного состояния сыпучего материала, включающий размещение материала в прозрачной призматической емкости в устойчивом статическом состоянии, перемещение его в неустойчивое состояние путем наклона емкости, измерение образовавшегося угла между верхним слоем материала и горизонтальной плоскостью, отличающийся тем, что размещение материала осуществляют по плоскости емкости равномерным слоем постоянной высоты с нанесением фиксирующего элемента на его верхнюю поверхность, при этом механическую характеристику предельного состояния материала определяют по предельному значению напряжения сдвига по формулам:
для воздушной среды τ=hgρsinα, (1)
для жидкой среды τ=hgm(ρт-ρж)sinα, (2)
где h - высота срезаемого слоя, g - ускорение свободного падения, ρ - плотность сыпучего материала, ρт - плотность твердой фазы материала, ρж - плотность жидкой среды, m - объемное содержание твердой части в слое материала (в долях ед.), α - измеряемый угол.
2. Устройство для определения механических характеристик предельного состояния сыпучего материала, содержащее прозрачную призматическую емкость, установленную с возможностью изменения угла наклона относительно горизонтальной плоскости, с размещенным внутри исследуемым материалом, отличающееся тем, что днище емкости выполнено в виде плоского уступа, снабженного сменным покрытием с выступами постоянной высоты, а устройство дополнительно снабжено фиксирующим элементом, выполненным в виде каркаса из тонких перегородок или в виде тонкой пленки распыленного клеящегося вещества, расположенного поверх исследуемого материала.
