ПЕРЕРАБОТКА СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ В. МАШИНАХ БАРАБАННОГО ТИПА

СЫПУЧИЕ МАТЕРИАЛЫ КАК ОБЪЕКТ ПЕРЕРАБОТКИ

Под сыпучим материалом подразумевается дисперсная система, состоящая из твердых частиц про­извольной формы, находящихся в контакте. В зависимости от диаметра d частиц сыпучий материал мо­жет быть в следующих состояниях [1]: пылевидном (d< 0,05 мм), порошкообразном (0,05 мм < d< 0,5 мм), мелкозернистом (0,5 мм < d< 2 мм), крупнозернистом (2 мм < d< 10 мм), кусковом {d> 10 мм).

Физико-механические свойства сыпучего материала, определяющие его динамическое поведение и структурообразование, изучены пока слабо [1] и нет единого мнения, какие из свойств надо регламен­тировать и учитывать при описании движения сыпучего материала.

Специалисты считают, что размер и форма частиц являются наиболее фундаментальными характе­ристиками сыпучего материала, и относят их к так называемым первичным свойствам [21]. Грануло­метрический или дисперсный состав сыпучего материала - характеристика, показывающая, какую долю или процент по массе, объему, поверхности или числу частиц составляют определенные частицы или группы частиц во всей массе анализируемой пробы [1]. Гранулометрический состав определяют по ГОСТ 12536-79. Для экспериментального определения гранулометрического состава сыпучих материа­лов используются различные методы и соответствующие им приборы [22, 23].

К наиболее часто используемым на практике физическим свойствам сыпучих материалов относят [1] влажность, гигроскопичность, плотность, насыпную плотность, температуры плавления и воспламе­нения, взрыво - и пожароопасность и т. д. Способы определения физико-механических свойств подробно описаны в технической литературе [1, 3, 21, 23, 24, 26-31].

В качестве характеристик второго порядка обычно используют углы естественного откоса, обруше­ния, трения, шпателя, скольжения, трения о поверхность, предел текучести, начальное сопротивление сдвигу, модуль деформации, коэффициент Пуассона, слеживаемость и т. д. Способы определения этих характеристик и приборное оформление достаточно подробно описаны в литературе [1, 3, 21, 24, 25, 29]. Особый интерес представляют работы [32, 33], в которых исследуется взаимосвязь между парамет­рами сыпучих материалов и их поведением.

Выбор характеристик второго порядка, которые будут использованы при описании движения сыпу­чего материала, зависит от специфики этого движения, а также от применяемых математических моде­лей. Нами для описания поведения сыпучего материала во вращающемся барабане использованы углы и коэффициенты трения движения и покоя [34 - 37].

Коэффициенты трения движения и покоя сыпучего материала являются комплексными величинами, характеризующими свойства частиц, включая влияние соударений между отдельными частицами в про­цессе их движения. Численно коэффициент трения движения равен тангенсу угла наклона открытой по­верхности сыпучего материала к горизонту, при котором происходит переход частиц сыпучего материала от состояния движения к состоянию покоя, а коэффициент трения покоя - тангенсу угла, при котором происходит переход от покоя к движению.

В Тамбовском государственном техническом университете разработаны и внедрены конструкция и методика определения углов трения движения и покоя сыпучих материалов [34 - 37]. Устройство [34] (рис. 1.2) состоит из барабана 1 с прозрачным торцом 7. На внутренней поверхности обечайки барабана установлена лопасть 4, причем ее свободный край совпадает с осью вращения барабана, которое осуще­ствляется приводом 8. Сыпучий материал загружается в барабан через люк 2

1 2

Рис. 1.2. Схема устройства для оиределеиия углов треиия иокоя и движения

с крышкой. Соосно с барабаном установлена угловая шкала 5, а на прозрачной торцевой стенке 7 име­ется подвижный флажок 3. Барабан, привод и угловая шкала смонтированы на основании 6. Разработа­ны варианты ручного привода вращения барабана и привода от электродвигателя.

Последовательность определения углов следующая. Навеску исследуемого материала засыпают в барабан через люк 2. С помощью привода барабан приводят во вращение. Материал при вращении ба­рабана попадает на вогнутую лопасть, поднимается вверх и при определенном положении лопасти ссы­пается с нее. После начала осыпания прекращают вращение барабана и, дождавшись, когда осыпание закончится, совместив подвижный флажок с открытой поверхностью материала, находящегося на лопа­сти, по шкале 5 определяют угол наклона этой поверхности к горизонту. Как отмечалось выше, тангенс этого угла - есть коэффициент трения движения. Барабан повторно приводят во вращение, которое пре­кращают, как только материал начнет ссыпаться с лопасти. По положению флажка определяют угол трения покоя и затем коэффициент трения покоя.

Исследования, проведенные с различными сыпучими материалами, показали, что разница между коэффициентами трения движения и покоя может быть как незначительной (для гранулированного по­лиэтилена 0,7 и 0,81), так и весьма существенной (для чешуйчатого парафина 1 и 1,73), поэтому при расчете параметров, характеризующих движение сыпучих материалов, оба коэффициента необходимо учитывать.

Если углы отличаются незначительно, то барабан вращают с угловой скоростью со, равной 0,001 - 0,05 от критической, т. е. в режиме, когда наблюдаются периодические обрушения отдельных порций материа­ла.

После определения угла трения движения ag повторно включают барабан и замеряют время т, за которое произошло пять обрушений материала. Среднее время между отдельными обрушениями будет равно тср = х/ 5, а значение угла трения покоя ап определяется по формуле

осп = (%+ сотСр.

Опыт эксплуатации устройства позволяет сделать вывод о том, что его точность и производитель­ность выше по сравнению с известными устройствами для определения аналогичных характеристик сыпучих материалов.

Анализ результатов определения углов трения движения и покоя углеродного наноматериала (УНМ) «Таунит» [38] показал, что наблюдается достаточно большой разброс численных значений, осо­бенно при определении углов трения покоя. По всей видимости, причина возникновения ошибок за­ключается в том, что момент начала устойчивого ссыпания материала с лопасти исследователь опреде­ляет визуально, т. е. оценка ситуации носит субъективный характер.

С целью устранения указанного недостатка разработан программно-аппаратный комплекс экспери­ментального определения углов и коэффициентов трения покоя и движения УНМ. Аппаратурной осно­вой комплекса является прибор (рис. 1.2), персональный компьютер и цифровая видеокамера, соеди­ненная с компьютером. Видеокамера установлена перед прибором таким образом, что ее оптическая ось совпадает с осью вращения барабана. Прибор дополнительно оснащен системой включения и выключе­ния привода вращения, которая управляется компьютером.

Программной основой комплекса являются среда управления электронными таблицами Excel из со­става Microsoft Office и специально разработанная программа для обработки графических изображений [39], базирующаяся на результатах предшествующих разработок [40, 41].

Определение угла трения движения в остановившемся барабане не представляет принципиальных сложностей, но при определении угла трения покоя необходимо зафиксировать угол наклона открытой поверхности материла во вращающемся барабане в том момент, когда начинается осыпание материала с лопасти.

Для определения изображения, предшествующего моменту осыпания, осуществляется поиск, за­ключающийся в последовательном переборе изображений соответствующих состояний. При этом пре­дыдущее состояние выступает трафаретом для сравнения с текущим состоянием. Таким образом выяв­ляются точки несоответствия, из которых формируется карта изменений изображения текущего состоя­ния. Поиск данных точек основан на совпадении цветов, т. е. всех их составляющих. Если разница меж­ду всеми составляющими меньше допустимой, то точки принимаются идентичными. В противном слу­чае - нет. Увеличивая значение порога соответствия цвета, можно убирать шумы из интересующих изо­бражений. На основе полученной карты вычисляется процент изменений, и если его значение превыша­ет пороговое, то предыдущее изображение соответствует максимально возможному углу и начинается его дальнейшая обработка. Затем рассматривается первая четверть полученной карты, поскольку только она несет информационную нагрузку, так как именно в первой четверти находится исследуемый мате­риал. Сканирование области осуществляется радиально с маленьким шагом по углу в пределах от 0 до к/2. При этом уравнением линии сканирования является уравнение прямой вида _F=tg(a).\ Для каждого значения угла считается число черных точек, лежащих на прямой. Так составляется выборочная сово­купность. Для получившейся выборки считается математическое ожидание, которое и является иско­мым углом.

Таким образом, применение методов математической статистики для обработки изображений по­зволяет работать даже с очень зашумленными изображениями (рис. 1.3).

Предлагаемая методика была использована при определении углов трения покоя и движения угле­родного материала «Таунит» [42] и катализатора, который применяется при производстве УНМ. Полу­ченные значения коэффициентов трения и покоя были использованы при расчете режимных и геометри­ческих параметров барабанного грохота [43].

В принципе, представленный комплекс может быть использован для определения углов трения лю­бых сыпучих материалов и если цвет материала не черный, то можно сменить цвет фона на приборе, чтобы четче была видна граница исследуемого материала. Никаких изменений в программу вносить не надо, поскольку предусмотрена возможность автоматического определения цвета материала и фона.