CC BY
38
УДК 622.831
А.А. Крамаджян, Е.П. Русин ИГД СО РАН, Новосибирск
О МЕТОДЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И СТРУКТУРЫ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА В ПРОХОДЯЩЕМ СВЕТЕ
Рассмотрена и на примере процесса выпуска сыпучего материала из емкости продемонстрирована возможность применения проникающего светового излучения для визуализации картин деформирования и структуры сыпучей среды.
A.A. Kramadjian, E.P. Rusin Institute of Mining, Novosibirsk
ON THE METHOD FOR STUDY OF GTANULAR MATERIAL DEFORMATION PROCESSES AND STRUCTURE IN TRANSMITTED LIGHT
The paper discusses and demonstrates a possibility of the use of penetrating visible light radiation for visualization of granular media strain patterns and structure. The presentation is based on an example of granular material discharge from a reservoir.
При исследованиях процессов деформирования сыпучих сред используется, как правило, визиопластический метод. При этом в поверхностном слое исследуемого образца (модели) формируются контрастные по цвету с основным материалом прослойки, по изменениям конфигурации которых в ходе нагружения выявляются закономерности и область деформирования. Однако, обеспечивая возможность построения картины деформирования, данный метод оставляет вне поля зрения изменения структуры образца. Кроме того, метод достаточно трудоемок и способен повлиять на исходные свойства материала, а значит, и на сам процесс.
Между тем известно, что деформирование сыпучих материалов сопровождается изменениями их структуры и ее важнейшей характеристики - плотности упаковки (пористости). Это позволяет, в принципе, отслеживать и область деформирования, и структуру материала в ней посредством проникающего излучения. Известны отдельные попытки такого рода с использованием в качестве проникающего излучения рентгеновских лучей [1; 2]. Однако это направление не получило развития - как в силу технической сложности ведения таких работ, так и небезопасности их проведения из-за вредного действия рентгеновских лучей.
В этой связи представляется естественной идея использования в качестве проникающего излучения световых лучей, применение которых не отягощено указанными выше обстоятельствами. Суть идеи состоит в получении теневых картин деформируемого сыпучего тела путем его просвечивания. Можно ожидать, что локальные изменения структуры и, соответственно, оптической плотности материала при приложении к нему
нагрузки проявятся на таких картинах и позволят выявить как границы охваченных деформациями областей, так и структуру материала в них.
Проблема состоит в относительно невысокой проникающей способности световых лучей. Их интенсивность при прохождении среды, в частности сыпучей, резко падает вследствие поглощения по известному экспоненциальному закону Бугера - Ламберта J = Jo е -Ь",
где J - интенсивность лучей, прошедших через слой среды; Jo -интенсивность падающих лучей; к - показатель поглощения, характеризующий свойства вещества; т - толщина слоя среды.
Поэтому получение теневой картины посредством световых лучей возможно лишь при ограниченной толщине т просвечиваемого слоя и использовании материалов с относительно небольшими значениями показателя поглощения к.
В серии предварительных опытов было установлено, что подходящими в указанном отношении модельными материалами являются, в частности, мраморная крошка, кристаллические сахар и соль, различные крупы, семена, злаки, древесные опилки. В зависимости от интенсивности Jo падающих лучей эти обладающие относительно небольшой поглощательной способностью материалы могут просвечиваться при толщине их слоя от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров.
Апробация идеи была осуществлена на примере выпуска сыпучего материала. Данный технологический процесс широко применяется в различных отраслях производства, в том числе и в горном деле - при извлечении раздробленного полезного ископаемого из обрушенных блоков и различного рода бункерных устройств. Известно [3-5], что выпуск сопровождается разрыхлением сыпучего материала в пределах области течения, формирующейся в массиве сыпучего с началом операции выпуска. Это позволяет надеяться на возможность визуализации картины выпуска в проходящем свете.
Эксперименты проводились на установке, представленной на рис. 1. Она содержит замкнутую светонепроницаемую камеру 1 с установленным у одной из ее торцовых стенок источником света 2. В окне противоположной стенки камеры 1, установлен прямоугольной формы плоский бункер 3 с прозрачными передней и задней стенками из стекла. В горизонтальном днище бункера 3 располагается прямоугольное выпускное отверстие 4, поперечный размер которого равен расстоянию между передней и задней стенками бункера, а ширина I может меняться. Под отверстием 4 установлен ленточный питатель 6, посредством которого производится выпуск сыпучего материала 5 из бункера 3. Световой поток от источника 2 после прохождения им через слой сыпучего материала 5 в бункере 3 воспринимается и регистрируется приемником светового излучения 7 (цифровым фотоаппаратом).
Поперечный размер бункера 3, характеризующий толщину т слоя сыпучего 5, мог изменяться посредством смещения его стенок в пределах 2-
20 мм. Два других его размера оставались неизменными: ширина - 60 мм, высота - 120 мм. Средние размеры й частиц используемых сыпучих материалов составляли от 0.2 мм до 1 мм. Ширина I выпускного отверстия принималась не менее 10й, что исключало возможность образования над ним статических сводов.
При выборе толщины m слоя конкретного сыпучего материала руководствовались, прежде всего, тем, чтобы обеспечивалось прохождение световых лучей через этот слой (просвечивание) и чтобы их интенсивность J оставалась достаточной для регистрации приемником 7. Кроме того, в целях обеспечения условий плоского деформирования сыпучего материала в бункере и получения контрастной картины выпуска, выдерживалось определенное соотношение между толщиной m просвечиваемого слоя и размером d частиц сыпучего материала, а именно m/d >10, которое было принято по результатам предварительных опытов.
В целях получения однородной плотной засыпки загрузка бункера сыпучим материалом осуществлялась, как правило, “дождем“. Источник света имел матовую поверхность, что обеспечивало одинаковую интенсивность Jo падающих лучей по поверхности бункера. Фотосъемка теневой картины производилась в полной темноте или при слабом освещении.
Проиллюстрируем возможности метода.
На рис. 2 представлены характерные теневые картины выпуска, отражающие процесс на ряде его последовательных стадий. Сыпучее -мраморная крошка фракции 0.2-0.5 мм (d ~ 0.3 мм), толщина просвечиваемого слоя m = 5 мм (m/d ~ 15), ширина выпускного отверстия l = 5 мм (l /d ~ 17).
На картинах отчетливо прослеживается формирование над выпускным отверстием некоторой области с выраженными границами, которая выделяется на фоне окружающего массива повышенной яркостью. Она, как видно, принимает эллиптическую форму на начальной стадии выпуска (рис. 2, а), расширяется и вытягивается вдоль вертикальной оси на последующих его стадиях (рис. 2б, в) и, наконец, с выходом на свободную поверхность,
5
1
7
Рис. 1. Схема установки для визуализации картины выпуска
трансформируется в канал с параллельными границами, сопряженный сверху с воронкой выпуска (рис. 2, г).
Понятно, что визуализация данной области обусловлена изменением в ее пределах в процессе выпуска плотности упаковки сыпучего материала, а именно разрыхлением, ведущим к увеличению пропускательной способности.
Причиной и условием разрыхления (как и изменения плотности упаковки вообще) является, как известно, деформация материала. Поэтому можно предположить, что наблюдаемая в проходящем свете область разрыхления является одновременно и областью течения (деформирования).
а б в г
Рис. 2. Теневые картины выпуска
Наглядным подтверждением тому служит рис. 3, на котором представлены две картины одной из стадий выпуска, полученные в прежних условиях, но при наличии прослоек. Одна (рис. 3, а) выявлена принятым визиопластическим методом (в отраженном свете), другая (рис. 3, б) -методом просвечивания (в проходящем свете). Если на первой визуализируется только деформационная картина, то на второй, кроме того, и область разрыхления. На рис. 3б отчетливо видно, что границы области течения, которые представлены на деформационной картине точками перегиба прослоек, располагаются точно по границе области разрыхления.
Следовательно, по теневой картине выпуска удается непосредственно проследить за формированием области течения и ее границами на всем их протяжении. Это тем более важно, что вопросы формирования и геометрии данной области до настоящего времени остаются открытыми.
Вместе с областью течения на теневых картинах выпуска через распределение яркости проявляется и структура сыпучего материала в пределах этой области. Видно, например, что она существенно неоднородна (см. рис. 2, рис. 3, б). Предельно рыхлую структуру материал приобретает в полосах скольжения вдоль границ области течения, а также в сужающемся ее участке над выпускным отверстием. В то же время, структура центральной ее зоны (ядра) остается достаточно плотной. Прослеживается становление и эволюция с выпуском этих Рис. 3. Картина выпуска в отраженном (а) характерных участков области
и проходящем (б) свете течения. Просматривается
упорядоченная структура
материала в полосах скольжения.
Еще один пример теневой картины выпуска представлен на рис. 4. Здесь в качестве сыпучего использован материал со слабым сцеплением -
древесные опилки. Размер частиц и толщина слоя те же, что и в
вышерассмотренных примерах (й ~ 0.3мм; т = 5 мм), но существенно
увеличена ширина отверстия - I = 30 мм (I /й ~ 100). Такова же (30 мм) и высота слоя сыпучего в бункере.
а б в
Рис. 4. Теневые картины выпуска материала со слабым сцеплением
В данных условиях по изменениям структуры материала в процессе выпуска удается детально проследить формирование области течения в окрестности выпускного отверстия. Границы этой сводчатой формы области отчетливо просматриваются от момента ее зарождения (рис. 4, а) и до выхода
на свободную поверхность (рис. 4, в) благодаря интенсивному разрыхлению материала вдоль них, переходящему в локальные разрывы сплошности.
Таким образом, проникающее световое излучение действительно позволяет выявить картину происходящих в процессе выпуска изменений структуры сыпучей среды, характер, степень и область этих изменений.
Выше представлены лишь отдельные результаты, иллюстрирующие, на примере выпуска, возможности метода. Но уже они свидетельствуют о целесообразности применения проникающего светового излучения для исследования процессов деформирования сыпучих материалов. В настоящее время ведутся работы по совершенствованию методики и расширению области подобных исследований.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Roscoe, К.Н. Tenth Rankine Lecture: The influence of strains in soil mechanics // Geotechnique. - 1970. - V.20. - No.2. - Pp. 129-170.
2. Гордон Б.Е. Оценка физического подобия при исследовании механики выпуска руды на моделях // Горный журнал. - 1954. - № 6. - С. 12-17.
3. Дубынин Н.Г. Выпуск руды при подземной разработке. - М.: Недра, 1965. - 267
с.
4. Квапил Р. Движение сыпучих материалов в бункерах. - М.: Госгортехиздат, 1961. - 80 с.
5. Малахов Г.М., Безух Р.В., Петренко П.Д. Теория и практика выпуска руды. - М.: Недра, 1968. - 310 с.
© А.А. Крамаджян, Е.П. Русин, 2010
