СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ СДВИГУ СЛОЕВ В СЫПУЧЕМ ТЕЛЕ
METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING SHEAR RESISTANCE OF LAYERS IN GRANULAR MATERIAL

Устройство относится к техническим измерениям, а именно к измерениям величины силы сопротивления при относительном сдвиге слоев в сыпучем теле (силы трения между слоями).
Областью применения являются сельскохозяйственное производство и перерабатывающая промышленность, где зерноочистительные и сортировальные машины работают на основе использования послойного сдвигового течения зерновой среды на рабочих органах (решетах, ситах) под действием сил инерции возвратно-поступательного или кругового движения. Для настройки их на оптимальные режимы необходимо измерять параметры сдвигового течения обрабатываемой сыпучей среды.
Известно устройство для определения динамических коэффициентов сопротивления сдвигу слоев в сыпучем теле и величины их сдвига, разработанное В.В.Гортинским (Труды ВИМ. Т.34. М., 1964 г., стр. 121-139) в статье «Сортирование сыпучих тел при их послойном движении по ситам». Копия статьи и схема данной установки В.В.Гортинского даны в приложении к заявлению.
Устройство содержит: тележку с боковыми пластинами из прозрачного материала, движущуюся по рельсам; двухступенчатый барабан, который с помощью нити и груза перемещает тележку; тормозное фрикционное устройство; индуктивный датчик для измерения скорости движения тележки.
Существующий способ измерения силы сопротивления сдвигу элементарного слоя внутри зернового тела, предложенный В.В.Гортинским, является сложным расчетно-экспериментальным методом (см. стр.128). Величина силы сопротивления не измеряется непосредственно прибором, а рассчитывается через косвенные параметры: кинетическую энергию в момент начала сдвига
и величину, на которую сдвинулся данный элементарный слой S в тележке. С другой стороны кинетическая энергия определится dE=dF·S.
Используя вышеприведенные уравнения, получим силу сопротивления сдвигу элементарного слоя (см. стр.128)
Для того чтобы методом В.В.Гортинского определить силу сопротивления сдвигу dF элементарного слоя, лежащего на каком то расстоянии h от поверхности зернового тела (см. рис.5 статьи В.В. Гортинского), необходимо измерить скорость зерна в момент торможения тележки ν, затем измерить величину S, на которую сдвинулся этот слой в тележке в момент торможения (см. рис.4 статьи В.В.Гортинского). Затем подставить в формулу 2. Полученные измерения S и ν и расчеты дадут величину силы сопротивления сдвигу F.
Предлагаемое устройство на фиг.1 для измерения параметров сдвигового течения сыпучей среды содержит: тележку, наполненную сыпучей средой и движущуюся по рельсам под действием падающего груза; неподвижно установленную в тележке коробку, дно которой выполнено из ткани с наклеенными частицами (зернами) сыпучего материала; записывающее устройство силы сопротивления сдвигу.
Устройство состоит из тележки 1 (фиг.1), перемещающейся на колесах по двум рельсам, на которые крепится неподвижный упор 2 с отверстием и блок 3 с нитью, на которую подвешен груз 4 перемещающий тележку.
Нагрузочная коробка 5 выполнена из прозрачного материала, имеет дно (фиг.2) из ткани, на которую наклеиваются зерна 21 той культуры, сопротивление сдвигу которой определяется, коробка связана нитью 6 с записывающим устройством термографа 19. К коробке 5 крепиться клин 8 (фиг.2) в виде носка лыжи для исключения сгруживания зерна перед коробкой в момент движения тележки. Боковины тележки выполнены из оргстекла с целью возможности измерения величины сдвига каждого слоя сыпучего материала. В оргстекле сделаны прорези 11, через которые вставляется нож в виде пластины для разделения слоев зерна без нарушения структуры на верхнюю и нижнюю части.
Для записи величины силы сопротивления сдвигу слоя зерна используется термограф (фиг.1, 3), который изменен следующим образом: убран часовой механизм и вместо него в барабан установлен электромотор 14 с батарейкой 15. Для вывода провода на кнопку управления 13 поставлены два токосъемных кольца 20. Пуск тележки и вращение записывающего барабана синхронизированы. Прицеп тележки 16 имеет отверстие, в которое входит стопор 18, связанный с кнопкой управления 13. Шестерни 7 привода барабана, сам барабан и система рычагов, записывающего устройства у термографа, остаются неизменными. Вращение барабана, на котором закреплена миллиметровая бумага, начинается при замыкании кнопкой 13 двух контактов К (фиг.3)
По условию измерений высота слоя зерна в тележке последовательно уменьшается на 1 см, а в нагрузочной коробке увеличивается на такую же величину. Чтобы направление линии тяги коробки оставалось горизонтальным, записывающий прибор регулируется по высоте при помощи винта 9, гайки 10 (фиг.1), направляющих 12, а в торцевой стенке тележки сделана прорезь для прохода нити 6.
Тарировка шкалы динамометра записывающего устройства
Нить 6 отсоединяется от коробки (фиг.1), перекидывается через блок 3 и крепится к чашке 4, в которую кладутся разновесы. Перо термографа 19 отклоняется под действием груза на определенную величину, соответствующую весу гирь в чаше 4. Величина отклонения пера фиксируется на шкале ординат. Чтобы исключить влияние температуры на точность измерения, тарировка прибора и измерение силы сопротивления должны производиться при одинаковой температуре.
к
к
к
к
x
к
,
В тележку насыпается та или иная зерновая культура заданной толщины, ставится в тележку пустая коробка, вес ее Р переводится в слой зерна толщиной h=Р/ρ·S, где S - площадь коробки, ρ - плотность зерна. В дальнейших измерениях при определении высоты зерна в коробке данная поправка учитывается величиной h, h=h-h
где h - фактическая толщина слоя зерна, насыпанного в коробку.
2
уд
При нажатии на кнопку 13 (фиг.3) тележка начинает двигаться относительно коробки 5 (фиг.1), сила трения натягивает нить 6, изгибая биметаллическую консольно закрепленную пластину термографа. Перемещение пластины передается через систему рычагов 17 на записывающий механизм 19. Пуск тележки и вращение барабана синхронизировано кнопкой 13. При опускании кнопки запись прекращается. По длине биметаллической пластины просверлены три отверстия для крепления нити 6. При изменении точки крепления нити меняется плечо действия силы на пластину, следовательно меняется масштаб записи силы трения. Последовательно уменьшая толщину слоя зерна в тележке на 1 см и увеличивая ее в коробке на 1 см, получим распределение силы сопротивления относительному сдвигу коробки с зерном в зависимости от глубины расположения зернового слоя. Удельная сила сопротивления относительному сдвигу слоев зерна, приходящаяся на 1 см площади слоя, определится из выражения F=F/S,
где F - значение силы сопротивления сдвигу зерна, полученное на приборе; S - площадь дна коробки.
Условия выполнения измерения
Сложность и особенность задачи заключается в том, чтобы измерить силу сопротивления сдвигу элементарного слоя сыпучей среды внутри зернового тела, как можно меньше нарушая его структуру и условия, в котором этот слой находится.
x
x
1. В предлагаемом способе сохранилась величина давления верхних слоев зерна на данный элементарный слой, расположенный на глубине h, так как зерновое тело разделяется на две части пластиной на глубине h и общая высота зернового тела не меняется.
x
2. Сохраняется структура нижней части зерна, которое осталось лежать в тележке, по которому будет сдвигаться коробка, потому что деление зернового тела проводится тонкой пластиной через горизонтальные прорези 11 в боковой стенке тележки, затем убирается с пластины весь верхний слой, часть его насыпаем в коробку высотой h, затем убирается пластина.
3. Третье и главное условие, чтобы сила трения замерялась между зерновыми слоями как можно ближе к реальному перемещению элементарных слоев. Для этого в предлагаемом устройстве дно коробки выполнено из ткани, на которую наклеивались частицы сыпучей среды, при этом ткань нельзя намазывать сплошным слоем клея, так как она становится твердой и не копирует поверхность зерна в тележке. Каждая частица намазывается клеем и прижимается к ткани отдельно.
4. Все попытки перемещения тележки относительно коробки, наполненной зерном, приводят к образованию валика сыпучей среды перед стенкой коробки (принцип бульдозера), поэтому дно коробки выполнено в виде носка лыжи, что позволило исключить ошибки в измерении силы сопротивления сдвигу.
к
к
5. Задача исключения влияния на точность измерений силы сопротивления веса коробки, в которую насыпалась сыпучая среда, решена так, что вес коробки Р учитывается как дополнительная толщина зернового слоя h.
Прежде чем приступить к измерениям необходимо выполнить тарировку динамометра и записывающего прибора - термографа (см. тарировка шкалы динамометра).
Порядок и действия при измерении
1. Насыпать сыпучую среду заданной толщины в тележку, выровнять верхний слой.
x1
2. Вставить в верхнюю прорезь в боковой стенке тележки плоский нож - пластину, которая разделит зерновое тело на верхнюю часть толщиной h и нижнюю часть.
x1
к
3. Собрать все зерно с пластины, часть его засыпать в коробку высотой h, где h=h-h (см. выше), убрать нож-пластину.
4. Поставить коробку на зерно, оставшееся в тележке, присоединив коробку к нити, связанной с записывающим динамометром.
5. Нажать кнопку 13, которая синхронизирует пуск тележки и вращение барабана с бумагой, где идет запись силы сопротивления сдвигу коробки. Коробка стоит на зерне, которое движется вместе с тележкой. Нить натягивается, отклоняя перо самописца динамометра.
х2
2
x2
к
х2
6. Вставить нож-пластину в следующую нижележащую прорезь в боковой стенке тележки h, собрать все зерно с поверхности ножа и часть его досыпать в коробку до высоты h=h-h, дальше все операции по измерению и записи силы сопротивления сдвигу данного элементарного слоя, расположенного на глубине h повторяются.
7. При необходимости измерения силы сопротивления сдвигу могут быть выполнены по предлагаемому способу не только внутри зернового тела, но и между зерновым телом и поверхностью решета.