CC BY
12
НАУЧНЫЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 539.215.9
ИССЛЕДОВАНИЯ КАПИЛЛЯРНЫХ СИЛ КОГЕЗИИ МЕЖДУ ЗЕРНАМИ ПШЕНИЦЫ
© 2005 г. А.Б. Гордеева, В.Б. Федосеев, В.С. Кунаков
We may conclude that it should be necessary to consider the above - mentioned forces
during mechanical modeling of wet grain crops.
При расчете условий равновесия, пропускной способности труб, расхода сыпучего материала из бункера используют модель сухого сводооб-разующего сыпучего материала. Однако экспериментальные исследования показывают, что только при влажности сыпучего сельскохозяйственного материала менее 10 % трение носит характер сухого [1, 2]. При влажности в пределах 10-25 % трение носит характер граничного, а при влажности более 25 % - жидкостного. Можно предположить, что между зернами сыпучего материала, в частности в районе выхода пор, возникают микровключения свободной жидкости. Наличие жидкости между зернами, наряду с возникновением вязкого трения, приводит к появлению капиллярных сил когезии между самими частицами сыпучего материала и капиллярных сил адгезии между частицами и стенкой вмещающей емкости.
Целью данной работы является экспериментальное исследование зависимости капиллярных сил когезии от времени для влажного зернового материала, в частности пшеницы.
Схема экспериментальной установки изображена на рис. 1. В ячейку известным объемом устанавливали вертикально металлический штифт (рис. 1). В эту ячейку поверх штифта насыпали зерно пшеницы известной влажности w и насыпной плотности у. Одновременно засыпали форму из десяти таких ячеек зерном одинаковой влажности. Затем в течение трех суток через определенные интервалы времени измеряли силу F, при которой штифт начинал движение вверх. Такие серии экспериментов были проделаны для зерна пшеницы влажностью w = 10, 15, 20, 25, 30, 35 %.
На штифт с вытаскиваемым объемом зерна вверх действует вытаскивающая сила F. Все остальные силы направлены вниз. Сила тяжести штифта Fшт, сила тяжести вытаскиваемого объема зерна F3. Сила сухого трения со стороны окружающих зерен FTP = /и, N, где /и, - коэффициент внутреннего трения зерен между собой; N - средняя сила давления окружающих зерен на цилиндрическую, боковую поверхность вытаскиваемого объема зерна; FKO - дополнительная сила сопротивления, вызванная действием сил когезии со стороны окружающих зерен.
\F
Ячейка с зерном
Штифт
Вытаскиваемый объем зерна
Рис. 1. Схема экспериментальной установки
Можно считать, что в момент начала движения штифта сумма сил, направленных вверх, равна сумме сил, направленных вниз, т.е.
Рко = Р - (тшт + у • Уз) • g - ^ • N (1)
считая, что во время эксперимента величины тшт и УЗ оставались постоянными.
Для зерна различной влажности измерялась насыпная плотность зерна у и сила Р, при которой начиналось движение штифта вверх. Следовательно, для определения силы когезии ¥ко остается неопределенной величина силы сухого трения со стороны окружающих зерен ¥ТР.
В первом приближении величину этой силы можно оценить, проведя экспериментальные измерения с зерном кондиционной влажности, считая при этом, что в таком зерне нет микровключений свободной влаги, следовательно, нет сил когезии. В этом случае, согласно (1), можно записать:
Рр = ^ • N = Р - (тШт + У • УЗ) • g. (2)
Результаты экспериментальных измерений с зерном кондиционной влажности представлены на графике рис. 2.
На рисунке точками обозначены рассчитанные значения силы трения, сплошная линия - экстраполирующая кривая. Отклонения экспериментальных точек от кривой составляют 3 %. Сила трения растет с течением времени, стремясь к некоторой постоянной величине. Этот рост объясняется процессом слеживаемости сыпучего материала, при котором под действием силы тяжести мелкие частицы вклиниваются в промежутки между большими частицами. В результате этого процесса увеличивается число контактов между зернами и, как следствие, возрастает суммарная сила сухого трения. За среднюю силу сухого трения примем величину (согласно рис. 2), равную Ртр = 0,255 Н, и далее будем считать ее постоянной.
Определив силу сухого трения, по формуле (1) рассчитывали силу Рко, действующую между частицами влажного сыпучего материала. На рис. 3 представлены результаты таких вычислений.
Рис. 3. Зависимость силы когезии от времени для зерен пшеницы разной влажности
Как следует из рис. 3, сила когезии меняется с течением времени. Вначале она растет с увеличением времени выдержки зерна, а затем начинает уменьшаться. Такую зависимость можно объяснить следующим образом. В начале выдержки влажного зерна происходят процессы его слеживае-мости, также как и для сухого зерна. При этом происходит увеличение жидкостных контактов, т. е. происходит увеличение числа контактирующих пор, как за счет вклинивания мелких зерен между крупными, так и за счет увеличения площади контакта зерен между собой. В результате этого суммарная сила когезии, пропорциональная числу контактирующих пор, возрастает. Но так как влажное зерно не находится в состоянии равновесной влажности, то с течением времени происходит его подсыхание. При
этом число жидкостных контактов уменьшается, и сила когезии также уменьшается.
Необходимо отметить следующее обстоятельство, которое рассмотрим на примере зерна 25 % влажности.
Величину силы когезии по истечении достаточно большого промежутка времени можно принять равной ¥ко = 0,260 Н. Следовательно, суммарная сила сопротивления (сила когезии и сила сухого трения), действующая на вытаскиваемый объем зерна и направленная вниз, будет равна 0,515 Н. Такая же по величине сила, но направленная вверх, будет приложена к зерну, остающемуся в ячейке. Масса всего зерна в ячейке равна 45,5 г. Масса вытаскиваемого объема зерна равна 2,24 г. Таким образом, в ячейке остается зерно массой 43,26 г, обладающее силой тяжести, равной
0.424.Н. К этому объему зерна приложена сила 0,515 Н, направленная вверх, однако он неподвижен. Отсюда следует вывод, что со стороны стенок ячейки на остающееся зерно действует сила адгезии, величина которой Ещ >= 0,091 К
Литература
1. Кунаков В.С. Исследование характера сил трения между зернами влажного сыпучего материала. РИСХМ. Ростов н/Д, 1980. Деп. в ЦНИИТЭИ трактор-сельхозмаш. 12.01.81. № 193.
2. Кунаков В.С. Интенсификация процессов выгрузки сводообразующих зерновых материалов: Дис. ... д-ра техн. наук. Ростов н/Д, 2000.
3. Кунаков В.С. Исследование закономерностей движения влажных зерновых материалов в бункерах сельскохозяйственных машин и агрегатов: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Ростов н/Д, 1981.
Донской государственный технический университет 26 ноября 2004 г.
УДК: 633.1: 539.215
СУХОЕ И ВЯЗКОЕ ТРЕНИЕ СЫПУЧИХ ТЕЛ © 2005 г. В.Б. Федосеев
Вязкое трение в сыпучих телах (зерновой сельскохозяйственный материал) проявляется при его повышенной влажности. Так, в [1, 2] показано, что в сыпучем материале повышенной влажности затухание колебаний наклонного маятника имеют экспоненциальный характер. Это указывает на то, что в таком сыпучем материале преобладают силы вязкого трения. Однако эти исследования носят единичный и качественный характер.
Для определения количественных соотношений сухого и вязкого трения в зерновом материале использовалась установка с падающим грузом: навесок зерна исследуемой сельскохозяйственной культуры влажностью
