устройство для определения структурных и кинематических характеристик деформируемого сыпучего материала

Формула изобретения

Устройство для определения структурных и кинематических характеристик деформируемого сыпучего материала, включающее измерительную сдвиговую ячейку прямоугольного сечения и привод, отличающееся тем, что измерительная сдвиговая ячейка выполнена в виде желоба с шероховатым основанием и ленточного конвейера с шероховатой бесконечной лентой, ветвь которой проходит над основанием и снабжена бункером для сыпучего материала, причем желоб и ленточный конвейер с шероховатой бесконечной лентой крепится к раме с возможностью регулирования угла наклона, над нижней ветвью ленты конвейера расположены направляющие ролики, которые обеспечивают постоянный и равномерный зазор, при этом в желобе расположены торцевые задвижки, которые обеспечивают ограничение рабочего участка слоя сыпучего материала и его разделение на элементарные объемы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в химической, микробиологической и других отраслях промышленности при определении структурных и кинематических характеристик деформируемого материала.

Известно устройство для определения структурных и кинематических характеристик деформируемого сыпучего материала, состоящее из измерительной сдвиговой ячейки прямоугольного сечения (Bridgwater J., Cooke M.N. and Scott A.M. Trans. Ichem. E., 1987, Vol.56. P.157). Недостатками данного устройства являются:

1) сложность определения локальных структурных характеристик вследствие значительных краевых эффектов;

2) сложная, неблагоприятная для анализа гидродинамическая обстановка вследствие циклических знакопеременных сдвиговых деформаций.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для определения структурных и кинематических характеристик деформируемого материала (см. П.В.Классен, И.Г.Гришаев, Основы техники гранулирования. М.: Химия, 1982, стр.12-13), состоящее из измерительной ячейки в виде движущихся относительно друг друга емкостей прямоугольного сечения и привода.

К недостаткам данного устройства относятся:

1) неоднородные условия сдвиговых деформаций в направлении сдвига в связи со значительными граничными эффектами на торцевых стенках ячейки;

2) сложность исследования эффектов в объеме материала за пределами поверхности сдвига при высокой неоднородности сдвиговых деформаций.

Технической задачей изобретения является повышение точности определения структурных и кинематических характеристик деформируемого сыпучего материала за счет обеспечения условия длительного стационарного скользящего контакта частиц в широком диапазоне деформаций в объеме измерительной ячейки.

Поставленная техническая задача достигается за счет того, что в устройстве для определения структурных и кинематических характеристик деформируемого сыпучего материала, включающего измерительную сдвиговую ячейку прямоугольного сечения и привод, измерительная сдвиговая ячейка выполнена в виде желоба с шероховатым основанием и ленточного конвейера с шероховатой бесконечной лентой, ветвь которой проходит над основанием и снабжена бункером для сыпучего материала. При этом желоб и ленточный конвейер установлены на раме с возможностью регулирования угла наклона. Кроме того, над нижней ветвью конвейера установлены направляющие элементы, выполненные, например в виде роликов.

На фиг.1 изображено устройство для определения структурных и кинематических характеристик деформируемого сыпучего материала, на фиг.2 - вид А на фиг.1.

Устройство для определения структурных и кинематических характеристик деформируемого сыпучего материала содержит желоб 1 с шероховатым основанием 2, ленточный конвейер 3 с шероховатой бесконечной лентой 4, приводной 5 и натяжной 6, барабаны которого закреплены на раме 7, привод конвейера 8 и бункер 9 для подачи исходного материала. Нижняя ветвь конвейера проходит в желобе 1 параллельно его основанию. Конвейер 3 установлен в желобе 1 с возможностью поворота натяжного барабана 6 вокруг оси приводного барабана 5. Для регулирования угла наклона желоба и конвейера служит узел регулировки 10. Для обеспечения постоянного и равномерного зазора между шероховатым основанием желоба и нижней ветвью ленты конвейера над последней установлены направляющие ролики 11. Ограничение рабочего участка слоя сыпучего материала в желобе и его разделение на элементарные объемы обеспечивается с помощью торцевых задвижек 12, имеющих возможность поперечного перемещения в желобе вдоль его боковых стенок.

Устройство работает следующим образом.

Первоначально конвейер 3 и желоб 1 устанавливаются под определенным углом наклона к горизонту. Затем включается привод 8 и с помощью вариатора задается необходимая скорость движения ленты конвейера. Исходный материал из бункера 9 при работающем конвейере непрерывно подается в зазор между нижней ветвью ленты конвейера и шероховатым основанием желоба. После выхода устройства на стационарный режим, привод 8 конвейера выключается. Конвейер поворачивается вокруг оси приводного барабана 5 и отводится от слоя сыпучего материала. Частицы определенного элементарного объема слоя заменяются на частицы индикатора (окрашенные частицы исследуемого материала). Конвейер 3 возвращается в рабочее положение и вновь включается его привод. После прохода нижней ветви ленты конвейера пути, соответствующего длине рабочего участка, привод выключается. При этом фиксируется время деформации сыпучего материала. С помощью торцевых задвижек 12 в желобе выделяется рабочий участок слоя сыпучего материала, и желоб с материалом отделяется от рамы 7. Выделенный объем материала подвергается анализу по распределению индикатора по длине x и высоте слоя y. Для этого материал по длине слоя x делится вертикальными перегородками на n частей. Далее с помощью вакуумного пробоотборника материал выгружается из каждой выделенной части элементарными подслоями толщиной y. В результате определяется распределение с(x, y) частиц индикатора по длине x и высоте слоя y. По этим данным определяется среднестатистическая координата смещения частиц индикатора в каждом i-ом элементарном подслое x_i за период времени деформации :

где с_i(x) - текущая концентрация индикатора в i-ом подслое.

Затем по известной координате смещения частиц индикатора x_i и времени этого смещения (равно времени деформации) определяется средняя скорость движения частиц материала в i-ом элементарном подслое как u _i= x_i/ . По полученным данным строится профиль скорости частиц по толщине слоя сыпучего материала u=f(y).

Одновременно с определением скорости движения частиц материала определяется структурная характеристика деформируемого слоя материала - его порозность .

С этой целью определяется масса материала, отобранного из каждой i-го элементарного подслоя. Затем по известной формуле определяется порозность _i каждого элементарного подслоя деформированного материала

где V_слi - объем i-го элементарного подслоя; V_мi - объем материала в i-ом подслое.

Для выполнения своего функционального назначения - создание развитых в объеме сыпучего материала сдвиговых деформаций - основание желоба и лента конвейера выполнены шероховатыми. Величина шероховатости равна половине диаметра частиц исследуемого сыпучего материала. Тем самым обеспечиваются условия прилипания частиц в слое сыпучего материала, контактирующих с верхней и нижней границей желоба.

Пример. Устройство для определения структурных и кинематических характеристик деформируемого сыпучего материала состоит из желоба шириной 0,1 м и длиной рабочей части 0,55 м, установленного под углом =20° к горизонту, бункера для исходного материала, соединенного с желобом, ленточного конвейера с шероховатой бесконечной лентой. Диаметры приводного и натяжного барабанов конвейера одинаковы и равны 0,3 м. Движение ленты со скоростью 0,019 м·с ^-1 осуществляется от электродвигателя через редуктор и вариатор.

В качестве деформируемого зернистого материала использована гранулированная керамика, состоящая из сферических частиц диаметром 6,6·10^-3 м.

Результаты экспериментального исследования структурных и кинематических характеристик деформируемого слоя материала приведены в таблице.

№ элементарного подслоя	координата по толщине слоя y, м	скорость движения частиц u, м·с-1	скорость сдвига du/dy, с-1	Порозность , м3·м-3
1	0,01	0,019	1,8295	0,54
2	0,02	0,000682	0,0366	0,51
3	0,03	0,000421	0,0136	0,48
4	0,04	0,000224	0,0012	0,43

Предлагаемое устройство позволяет с высокой точностью определить структурные и кинематические характеристики деформируемого сыпучего материала за счет обеспечения стационарных условий взаимодействия частиц в режиме длительного скользящего их контакта в широком диапазоне деформаций материала.