Устройство для исследования перемещения сыпучих материалов по поверхности

Полезная модель относится к устройствам для определения механических характеристик сыпучих материалов, в особенности для исследования параметров перемещения сыпучих материалов, применяемых при распределении по дорожной поверхности для устранения зимней скользкости, и может быть использована для имитации процесса распределения сыпучих материалов в лабораторных условиях.
Сыпучий материал в реальных условиях распределяется на дорожную поверхность с помощью машин-распределителей по полосе заданной ширины и расположения относительно оси дороги. Каждая частица материала первоначально соприкасается с поверхностью с определенной начальной скоростью, и дальнейшее ее перемещение зависит от величины этой скорости, формы и размеров частицы, уклона дороги, состояния дорожной поверхности и воздушных потоков у дорожной поверхности. В случае неправильного выбора материала в различных условиях его применения полоса распределения может отличаться от заданной и будет происходить вылет материала за пределы полосы распределения и его перерасход или отсутствие необходимого технологического эффекта (устранение зимней скользкости) на отдельных участках дорожной поверхности.
Известно устройство для исследования механических характеристик сыпучих материалов, содержащее станину, установленный на ней шаговый двигатель с возможностью точной настройки угла поворота, и соединенную с ней при помощи шагового двигателя поворотную платформу, на которой установлена исследуемая поверхность, механизм поворота, связывающий шаговый двигатель с поворотной платформой, емкостной датчик, закрепленный на стойке над поворотной платформой и служащий для фиксации момента начала движения частиц сыпучего материала на исследуемой поверхности, и блок управления устройством, (см. патент РФ по классу G01N 19/02 №2 679 761 от 12.02.2019).
Известно также Устройство для исследования перемещения сыпучих материалов по поверхности, включающее станину, установленный на станине наклонный лоток для направления материала, закрепленное над лотком средство подачи исследуемого сыпучего материала, установленную на станине принимающую платформу, расположенную одним концом под нижней частью лотка, закрепленную над принимающей платформой видеокамеру и расположенное у другого конца принимающей платформы устройство для отбраковки частиц сыпучего материала (см. патент РФ №2 495 728 по классу В07В 13/00 от 20.10.2013). Данному устройству присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков предлагаемой полезной модели.
Недостатком данного устройства является то, что оно позволяет проводить лишь сортировку сыпучего материала, а характер его перемещения по поверхности не может быть определен.
Задача, на которую направлена предлагаемая полезная модель, заключается в определении параметров перемещения частиц сыпучего материала при взаимодействии их с поверхностью.
Предлагаемое устройство для исследования перемещения сыпучих материалов по поверхности включает станину, установленный на станине наклонный лоток для направления материала, закрепленное над наклонным лотком средство подачи исследуемого сыпучего материала, установленную на станине принимающую платформу, расположенную одним концом под нижней частью наклонной пластины, закрепленную над принимающей платформой видеокамеру, причем на принимающей платформе закреплены исследуемое покрытие, имитирующее дорожную поверхность, и воздушные сопла, соединенные трубопроводами с размещенным на станине компрессором, а средство подачи материала закреплено с возможностью фиксации в различных положениях по длине наклонного лотка и по высоте над ним. Кроме того, под принимающей платформой закреплены боковины, соединенные с установленной неподвижно на станине опоре при помощи горизонтальной резьбовой оси и гаек для фиксации платформы в промежуточных положениях, наклонный лоток выполнен с антифрикционным покрытием и соединен с закрепленными на принимающей платформе проушинами горизонтальным шарниром, а со станиной - при помощи телескопической шарнирной стойки.
Признаками, совпадающими с известным устройством, являются станина, установленный на станине наклонный лоток для направления материала, закрепленное над наклонным лотком средство подачи исследуемого сыпучего материала, установленная на станине принимающая платформа, расположенная одним концом под нижней частью наклонного лотка, закрепленная над принимающей платформой видеокамера.
К отличительными от известного устройства признакам относится то, что в предлагаемом устройстве на принимающей платформе закреплены исследуемое покрытие, имитирующее дорожную поверхность, и воздушные сопла, соединенные трубопроводами с размещенным на станине компрессором, а средство подачи материала закреплено с возможностью фиксации в различных положениях по длине наклонного лотка и по высоте над ним. Кроме того, под принимающей платформой закреплены боковины, соединенные с установленной неподвижно на станине опоре при помощи горизонтальной резьбовой оси и гаек для фиксации платформы в промежуточных положениях, наклонный лоток выполнен с антифрикционным покрытием и соединен с закрепленными на принимающей платформе проушинами горизонтальным шарниром, а со станиной - при помощи телескопической шарнирной стойки.
Технический результат, получаемый при использовании полезной модели, заключается в том, что возможно провести видеозапись траектории движения частиц различных материалов во времени по различным покрытиям, имитирующим дорожную поверхность, при различных величинах начальных скоростей частиц при соприкосновении с поверхностью и наличия воздушных потоков над ней.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что устройство включает станину, установленный на станине наклонный лоток для направления материала, закрепленное над наклонным лотком средство подачи исследуемого сыпучего материала, установленную на станине принимающую платформу, расположенную одним концом под нижней частью наклонного лотка, закрепленную над принимающей платформой видеокамеру, причем на принимающей платформе закреплены исследуемое покрытие, имитирующее дорожную поверхность, и воздушные сопла, соединенные трубопроводами с размещенным на станине компрессором, а средство подачи материала закреплено с возможностью фиксации в различных положениях по длине наклонного лотка и по высоте над ним.
Закрепление на принимающей платформе исследуемого покрытия, имитирующего дорожную поверхность, позволяет устанавливать различные типы покрытий, отличающиеся шероховатостью поверхности и материалами изготовления. Наклонный лоток и закрепление средства подачи материала с возможностью фиксации в различных положениях по длине наклонного лотка и по высоте над ним обеспечивает разгон частиц материала до определенной начальной скорости взаимодействия частиц с исследуемой поверхностью. Воздушные сопла, соединенные трубопроводами с компрессором, обеспечивают воздушные потоки над исследуемой поверхностью. Закрепленная над принимающей платформой видеокамера обеспечивает видеозапись перемещения частиц сыпучего материала во времени при различных условиях.
То, что под принимающей платформой закреплены боковины, соединенные с установленной неподвижно на станине опоре при помощи резьбовой оси и гаек для фиксации платформы, в промежуточных положениях обеспечивает изменение угла уклона покрытия, имитирующего дорожную поверхность.
То, что наклонный лоток выполнен с антифрикционным покрытием, позволяет осуществлять разгон частиц сыпучего материала при меньших потерях скорости от трения.
То, что наклонный лоток соединен с закрепленными на принимающей платформе проушинами горизонтальным шарниром, а со станиной при помощи телескопической шарнирной стойки, позволяет регулировать наклон лотка, что обеспечивает возможность изменения скорости частиц сыпучего материала.
Устройство для исследования перемещения сыпучих материалов по поверхности показано на чертеже.
Устройство включает станину 1, наклонный лоток 2 для направления материала, закрепленное над лотком средство подачи исследуемого сыпучего материала, состоящего из воронки 3, полого цилиндра 4 и затвора 5, перекрывающего нижнее отверстие полого цилиндра, принимающую платформу 6, расположенную одним концом под нижней частью лотка 2, видеокамеру 7, закрепленную на стойке 8 над принимающей платформой 6. На принимающей платформе 6 закреплены исследуемое покрытие 9, имитирующее дорожную поверхность, и воздушные сопла 10, 11, 12. Видеокамера 8 обеспечивает съемку зоны, в которую входят лоток 2 и исследуемое покрытие 9 с отображением времени от начала до конца съемки. На станине 1 размещен компрессор 13. Воздушные сопла 10, 11 и 12 подсоединены трубопроводами 14, 15, 16 к компрессору 13. Под принимающей платформой 6 закреплены боковины 17, соединенные с установленной неподвижно на станине 1 опоре 18 при помощи горизонтальной резьбовой оси 19 и гаек 20 для фиксации платформы в промежуточных положениях. Наклонный лоток 2 выполнен с дном 21 и боковыми бортами. Дно 21 наклонного лотка 2 с внутренней стороны может быть выполнено с антифрикционным покрытием 22. В верхней части одного из бортов 23 наклонного лотка 2 образован паз 24, ориентированный параллельно дну 21 наклонного лотка 2. Наклонный лоток 2 соединен с закрепленными на принимающей платформе 6 проушинами 25 горизонтальным шарниром 26, а со станиной 1 при помощи телескопической шарнирной стойки 27, имеющей винт 28 фиксации длины стойки 27. Полый цилиндр 4 средства подачи исследуемого сыпучего материала охвачен хомутом 29. Через образованное в хомуте 29 отверстие и паз 24 борта 23 наклонного лотка 2 проходит болт 30 с гайкой 31. При ослаблении затяжки гайки 31 болта 30 обеспечивается перемещение полого цилиндра 4 средства подачи исследуемого сыпучего материала по длине лотка 2 и по высоте над ним. При затяжке гайки 31 болта 30 обеспечивается фиксация средства подачи исследуемого сыпучего материала относительно лотка 2. Затвор 5, перекрывающий нижнее отверстие полого цилиндра 4, может быть выполнен с электромагнитом 32 для управления открывания затвора 5. Электромагнит 32 и видеокамера 7 соединены проводами 33 и 34 с пультом 35, размещенным на станине 1. Компрессор 13 выполнен с устройством 36 регулирования подачи воздуха к воздушным соплам 10, 11, 12.
Для проведения исследований выбираются предварительно вид исследуемого покрытия 9 и материал, загружаемый в воронку 3 средства для подачи исследуемого сыпучего материала. Исследуемое покрытие 9 может быть выполнено целиком из асфальтобетона или в виде плиты с гладкими гранями, на верхнюю из которых наклеиваются листы с определенными параметрами шероховатости. Например, листы могут быть изготовлены из ткани, обработанной битумом с включениями фракций щебня.
В качестве исследуемого сыпучего материала могут быть выбраны твердые химические и фрикционные сыпучие противогололедные материалы, имеющие различные размеры и геометрические формы частиц. В качестве химических материалов используют, например, хлористый кальций, хлористый натрий, хлористый магний, формиат натрия, ацетат кальция, карбамид. В качестве фрикционных материалов используют песок различного фрикционного состава. Могут также использоваться смеси материалов. Все эти материалы выпускаются производителями в виде гранул и кристаллов, имеющих различные геометрические формы: шарообразные, эллиптические, кубические, чешуированные, иглобразные с размером фракций до 10 мм. Допускается также по технологии борьбы с зимней скользкостью использование материалов, обработанных водными растворами солей.
1
2
1
1
2
1
Работа с устройство осуществляется в следующей последовательности. С помощью телескопической штанги 27 и винта 28 выбирается угол наклона лотка 2 к горизонтали в пределах от 30° до 60°. Угол наклона принимающей платформы 6 к горизонтали выбирается в пределах от 0% до 50%, соответствующих поперечному уклону дорожного покрытия. В воронку 3 при закрытом затворе 5 загружается порция исследуемого сыпучего материала. Высота установки цилиндрического полого цилиндра 4 выбирается при открывании затвора 5 так, чтобы сыпучий материал свободно выходил из полого цилиндра 4, но начинал двигаться по дну 21 лотка 2 с начальной нулевой скоростью. Это положение полого цилиндра 4 фиксируется с помощью болта 30 и гайки 31. Расположение полого цилиндра 4 по длине лотка 2 выбирается предварительно. Затем затвор 5 закрывают и вновь заполняют сыпучим материалом полый цилиндр, а исследуемое покрытие 9 и лоток 2 очищают от остатков сыпучего материала. В отдельных опытах с помощью устройства 36 регулирования подачи воздуха к воздушным соплам 10, 11, 12 может обеспечиваться различная интенсивность перемещения воздушных потоков над исследуемым покрытием 9 в продольных направлениях (попутном или встречном) и/или в поперечном направлении, а также отсутствие воздушных потоков. После указанной подготовки к эксперименту сначала с помощью пульта 35 включают для съемки видеокамеру 7, а затем с помощью того же пульта 35 открывают затвор 5 включением электромагнита 32. Видеокамера 7 и затвор 5 могут также не управляться дистанционно. После того, как исследуемый сыпучий материал переместится по лотку 2 и распределится по исследуемому покрытию 9, видеокамеру отключают. Затем проводят анализ видеозаписи, на которой видно перемещение материала и текущее время в каждой точке наблюдения. Возможны два основных варианта видеозаписи. В первом варианте частицы сыпучего материала после перемещения останавливаются на исследуемом покрытии 9, при этом фиксируют время t первичного контакта частиц с покрытием 9, время остановки частиц t и расстояние s перемещения частиц от времени t до времени t. Начальную скорость V соприкосновения частиц с исследуемым дорожным покрытием в направлении, параллельном покрытию, считая движение равнозамедленным, можно определить по формуле:
3
4
0
3
4
Во втором варианте частицы после перемещения по дну лотка 2 перемещаются за пределы исследуемой поверхности 9. В этом случае фиксируют время t начала движения после выхода частиц сыпучего материала из полого цилиндра 4 на лоток 2, время t схода частиц сыпучего материала с конца лотка 2 и расстояние s перемещения частиц материала по лотку 2 от времени t до времени t. Тогда скорость схода частиц материала с лотка, считая движение равноускоренным, можно определить по формуле:
Таким образом, исследуя различные сыпучие материалы и поверхности, имитирующие дорожные покрытия, можно определять расстояния, на которые перемещаются частицы сыпучего материала по дорожному покрытию при различных условиях, и скорости частиц материала при встрече с исследуемым покрытием, а также определять скорости частиц материала при сходе с лотка в тех случаях, когда они перемещаются за пределы исследуемого покрытия. Эти исследования позволяют определять виды сыпучих противогололедных материалов и возможные скорости встречи частиц материала с дорожным покрытием, обеспечивающие допустимое по условиям эксплуатации распределение материалов по дорожному покрытию.