1

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.

2

УДК 621.9.06

В лабораторной работе по курсу «Строительные и дорожные маши-

ны» рассмотрены основные физико-механические свойства насыпных гру-

зов. Дана методика определения этих свойств при помощи лабораторного

оборудования.

Методические указания подготовлены на кафедре «Транспортно-

технологические машины и оборудование» и предназначены для студентов

специальности 190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные

машины и оборудование»

Составители: Н.Е.Курносов, В.В.Лобачев, Л.П.Корнилаева,

Ю.К.Измайлов, А.А. Земцов

Рецензент : Главный инженер ОАО «Пензмаш» Колтунов А.А.

Под общей редакцией Н.Е.Курносова

3

Введение

Методические указания составлены в соответствии с требованиями

Государственного образовательного стандарта и рабочей программой кур-

са «Строительные и дорожные машины» для студентов специальности

190205 «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и

оборудование».

Курс «Строительные и дорожные машины» является одним из ос-

новных в подготовке инженера по специальности «Подъемно-

транспортные, дорожные и строительные машины и оборудование» и спо-

собствует развитию навыков, необходимых при конструировании, экс-

плуатации 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 мате-

риала по теме: «Физико-механические свойства насыпных грузов», спо-

собствует 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 годо-

вом 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 внут-

реннего и внешнего трения, влажностью и другими физико-

механическими параметрами. Физико-механические свойства сыпучих

грузов оказывают существенное влияние на способ их перемещения, за-

хвата и перегрузки. Основными свойствами сыпучих грузов являются

крупность частиц, насыпная масса, угол естественного откоса, коэффици-

енты внутреннего и внешнего трения, абразивность.

4

На выбор способа транспортирования насыпных грузов и конструк-

цию рабочих органов оказывает влияние влажность, липкость, слеживае-

мость, острокромчатость, смерзаемость, взрывоопасность, самовозгорае-

мость.

К р у п н о с т ь характеризуется наибольшим размером частиц груза.

По крупности частиц сыпучие грузы делятся на категории, характе-

ризуемых 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 крупно-

сти определяемая соотношением размеров крайних фракций. Однород-

ность характеризуется коэффициентом однородности

minmax / aak , (1)

где minmax , aa — размеры максимальной и минимальной частиц пере-

мещаемой массы груза соответственно. По характеру однородности на-

сыпные грузы подразделяют на рядовые и сортированные. При k< 2,5 груз

является однородным (сортированный) и характеризуется средним разме-

ром а. При k > 2,5 груз неоднороден (рядовой) и характеризуется размером

maxa .

Крупность и однородность грузов учитывается при назначении ши-

рины рабочих органов перегрузочных устройств, пересыпных лотков, раз-

меров выходных отверстий бункеров.

Насыпные грузы характеризуются размером a типичного куска.

Для рядовых грузов

max18,0 aa (2)

Для сортированных грузов

2

minmax aaa (3)

5

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) 6,0 ;

средние (зерно, уголь, шлак) 16,0 ;

тяжелые (песок, гравий, порода) 0,20,1 ;

весьма тяжелые (руда, камень) 0,2 .

Различают плотность ρ свободно насыпанного и ρy уплотненного

груза. Отношение плотности динамически уплотненного груза ρy к плот-

ности свободно насыпанного груза ρ называется коэффициентом уплотне-

ния

.1

yk (4)

Плотность груза необходимо знать для определения производитель-

ности транспортирующих машин, нахождения расчетных нагрузок на гру-

зонесущие 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 называ-

ется угол между образующей конуса из свободно насыпанного груза и го-

ризонтальной плоскостью. Этот угол зависит от взаимной подвижности

частиц груза: чем больше, тем меньше угол φ. Взаимная подвижность час-

тиц определяется силами трения и сцепления между ними. Поэтому для

одного и того же груза в зависимости от его состояния (влажности, темпе-

ратуры, 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

Подвижность час-

тиц груза

Характерные примеры насып-

ных грузов

Угол естественного

откоса в покое,

Легкая

Апатит, сухой песок, цемент,

сухой кокс, круглая сухая галь-

ка, пылеуголь, пылеглина.

30÷35

Средняя

Влажный песок, формовочная

земля, каменный уголь, бурый

уголь, щебень, торф, шлак.

40÷45

Малая Сырая глина, гашеная известь,

аммиачная селитра. 50÷55

6

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 ес-

тественного откоса. В расчетах принимают 7,0Д . Для хорошо сыпучих

грузов B , где B - угол внутреннего трения груза. Коэффициент внут-

реннего трения Bf для таких грузов связан с углом естественного откоса

зависимостью

tgfB (5)

Угол естественного откоса является определяющим для площади се-

чения 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 характе-

ризует 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 скреб-

ковых конвейеров. Его значение также учитывают при назначении угла ус-

тановки машины, потерь на перемещение груза.

А б р а з и в н о с т ь это способность частиц груза истирать поверх-

ность 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 час-

тиц груза и учитывается при выборе способа транспортирования и конст-

рукции несущего органа.

При транспортировании абразивных грузов принимают меры против

ускоренного изнашивания рабочих поверхностей транспортирующей уста-

новки. С этой целью выбирают материал рабочих поверхностей, стойкий к

воздействию абразивных частиц, или наносят на рабочие поверхности спе-

циальные составы. Следует надежно изолировать ответственные части

машин (подшипники, шестерни, шарниры) от проникновения транспорти-

руемого 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 шта-

белях, бункерах и т.д. Поэтому приходится применять разные способы

7

борьбы со слеживаемостью, например рыхление (механическое, вибраци-

онное, 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 образо-

вывать острые кромки при дроблении, которые разрушают рабочие по-

верхности несущих элементов (лент, настилов, воронок, лотков и т.п.)

Методика эксперимента

Описание лабораторной установки

В работе используют приборы и лабораторные установки для опре-

деления насыпной массы груза, коэффициента внешнего трения, угла есте-

ственного 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.

8

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 пе-

ремещается в направляющих 3 и угломера 4. Угломер расположен на про-

зрачной боковой стенке короба в направляющих и может перемещаться

вдоль нее.

Рисунок 3 – Установка для определения угла естественного откоса

Техника проведения эксперимента

О п р е д е л е н и е п л о т н о с т и г р у з а

Груз свободно насыпают в емкость до ее краев, после чего рамку по-

ворачивают, срезая излишек груза в емкости. Груз, оставшийся в емкости,

взвешивается, а плотность рассчитывается по формуле

;V

m (6)

где m - масса груза в емкости;

V-объем емкости.

9

О п р е д е л е н и е к о э ф ф и ц и е н т а в н е ш н е г о т р е н и я

На дно желоба укладывают полосу из заданного материала рабочего

органа, а на нее устанавливают рамку, в которую засыпают груз. Вращени-

ем винта увеличивают угол наклона желоба до того момента, когда про-

изойдет сдвиг рамки с грузом.

Значение коэффициента внешнего трения определяют по зависимо-

сти

tggm

gmf

cos

sin, (7)

где m- масса рамки с грузом,

β-угол наклона желоба в момент сдвига рамки.

О п р е д е л е н и е у г л а е с т е с т в е н н о г о о т к о с а

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, ко-

торый и является углом естественного откоса в покое. Величина этого угла

замеряется угломером.

Требования безопасности труда

1.Перед началом работы проводится инструктаж о порядке проведе-

ния работ.

2.При выполнении лабораторной работы запрещается покидать ра-

бочее место.

3.При обнаружении какой-либо неисправности доложить преподава-

телю.

Порядок выполнения работы

Задание 1

О п р е д е л и т ь п л о т н о с т ь г р у з а

Оборудование и принадлежности : 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. Ре-

зультаты измерений занести в таблицу 2. собственная масса мерной емко-

сти указана на ее стенке.

10

Таблица 2

Номер опыта

Масса навес-

ки с грузом,

im , кг

Масса груза

в навеске,

m , кг

Плотность

груза, ρ, т/м³

Наименование

груза

1 1m

2 2m

3 3m

m

О б р а б о т к а р е з у л ь т а т о в э к с п е р и м е н т а

1.Анализируют результаты измерений и исключают грубые ошибки.

2.Определяют среднее арифметическое значение массы груза в на-

веске.

3.Определяют среднее значение плотности груза по формуле

V

m.

4.Определяют границу результирующей погрешности при условии

равномерного ее распределения и доверительной вероятности Р=0,95, по-

правочный коэффициент принят равным 1,1.

221

1,1 VmPVV

,

где m Ц, Ц - цена деления измерительной шкалы весов, для ус-

ловий лабораторной работы ;

5,0V см³- допустимая погрешность мерной емкости опреде-

лена тарировкой.

5.Результаты эксперимента представляют в форме

PP , .

Задание 2

О п р е д е л и т ь 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 г р у з а

Оборудование и принадлежности: стенд, схема которого при-

ведена на рисунке 2.

1.Установить желоб в горизонтальное положение.

2.Уложить по указанию преподавателя на дно короба полосу из ста-

ли, резины или дерева.

11

3.Установить подвижную рамку в крайнее положение и засыпать

грузом.

4.С помощью рукоятки винта желоб медленно наклонить к горизон-

ту 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

Номер опыта

Угол наклона

желоба i ,

град i 200

i

Вид груза и

опорной по-

верхности

1

2

3

4

Обработка результатов эксперимента

1.Анализирует результаты измерений и исключают грубые ошибки.

2.Определяют среднее арифметическое значение угла наклона жело-

ба.

3.Рассчитывают среднее значение коэффициента внешнего трения

tgf .

4.Определяют среднее квадратичное отклонение результата измере-

ний

1

2

iiS

i.

5.Определяют границу погрешности результата измерений

,, tgTS f

где T-коэффициент Стьюдента, выбирается по таблице 5.

6.Результаты эксперимента представить в форме ., Pff t

12

Задание 3

О п р е д е л и т ь у г о л е с т е с т в е н н о г о о т к о с а г р у з а

Оборудование и принадлежности : стенд, схема которого при-

ведена 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 отко-

са и измерить угол ее наклона, φ.

4.Перегородку опустить. Пункты 1-3 повторить не менее 3 раз. Ре-

зультаты замеров занести в таблицу 4.

Таблица 4

Номер опыта

Угол естест-

венного отко-

са, град i i 2

i Вид груза

1

2

3

4

Обработка результатов эксперимента

1.Анализируют результаты измерений и исключают грубые ошибки.

2.Определяют среднее арифметическое значение угла естественного

откоса.

3.Определяют среднее квадратичное отклонение результата измере-

ния

1

2

iiS

i.

4.Определяют границу погрешности результата измерения

TS ,

где T-коэффициент Стьюдента, выбирается по таблице 5.

5.Результаты измерения представляют в форме P,

13

Таблица 5

Значение коэффициента Стьюдента Т от числа измерений в довери-

тельной вероятности Р

Число измерений,

i-1

Доверительная вероятность, Р

0,95 0,99

3

4

5

3,182

2,776

2,571

5,84

4,604

4,032

Содержание и оформление отчета

Отчет включает:

1.Название, краткое описание цели и содержание работы.

2.Описание и схемы лабораторных установок.

3.Результаты измерений и расчетов по определению плотности, ко-

эффициента трения и угла естественного откоса груза.

Вопросы для самоконтроля

1.Назовите основные физико-механические свойства насыпных гру-

зов.

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

14

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 «Строи-

тельные и дорожные машины» для студентов специальности 190205 ) - Ка-

луга, 1988 – 15 с.