СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЯ СИЛЫ ИНЕРЦИИ ПРИ СДВИГОВОМ ТЕЧЕНИИ СЛОЕВ В СЫПУЧЕМ ТЕЛЕ
METHOD AND DEVICE FOR MEASUREMENT OF INERTIA FORCE ACCELERATION AT SHEAR FLOW OF LAYERS IN GRANULAR MATERIAL

Устройство относится к техническим измерениям, а именно к измерениям величины ускорения силы инерции при относительном сдвиге слоев в сыпучем теле.
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 среды.
В процессе работы машин в сыпучей среде действуют две прямо противоположные силы, от соотношения которых зависит интенсивность сдвигового течения и, следовательно, производительность машины. С одной стороны это сила сопротивления сдвигу элементарного слоя внутри сыпучей среды, увеличивающаяся по мере увеличения веса вышележащих слоев. С другой - сила инерции, действующая на каждый элементарный слой при изменении скорости рабочего органа. Необходимо отметить, что силы инерции верхним слоям сыпучего тела передаются от поверхности рабочего органа через сыпучую среду, поэтому прочность связей внутри сыпучей среды ограничивает величину сил инерции, передаваемых элементарным слоям 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. С.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 В.В.Гортинского содержит:
- тележку с боковыми пластинами из прозрачного материала, движущуюся по рельсам;
- двухступенчатый барабан, который с помощью нити и груза перемещает тележку;
- тормозное фрикционное устройство;
- записывающее устройство (индуктивный датчик) для измерения скорости движения тележки.
Недостатками данного устройства является то, что:
- отсутствует измеряющее и записывающее устройство для определения силы сопротивления сдвигу и силы инерции в момент сдвига.
- для создания силы инерции применяется фрикционное тормозное устройство, у которого величина силы торможения в опыте постоянная, следовательно, сила инерции, действующая на зерновую среду, будет постоянной величиной (фиг.1в), в то время как на реальных машинах ускорение силы инерции j изменяется по гармоническому закону от 0 до j max (фиг.1а, 1);
- величина силы инерции и ее ускорение определяются расчетным путем, что усложняет и снижает точность определения параметров сдвига слоев сыпучей среды в зависимости от кинематических режимов рабочего органа.
Цель предлагаемого способа - повысить точность измерения параметров сдвиговых течений в сыпучей среде, необходимых для настройки сортировальных машин на оптимальные режимы работы.
Предлагаемое устройство (фиг.2) состоит из тележки 1, перемещающейся на колесах по двум рельсам, на которые крепятся передвижной упор 3 с отверстием и блок 4 с нитью, на которую подвешен груз 5, перемещающий тележку.
С торцевой стенки тележки закреплено тормозное устройство (фиг.3), состоящее из винта с регулировочной гайкой 1, шайбы 2, которая сжимает пружину 3 при встрече тележки с упором 3, а болт с гайкой свободно проходит через отверстие в упоре.
Для записи параметров движения тележки в момент торможения на ее боковине крепится в пазах кассета (фиг.4) с фотобумагой 1. Фотобумага закрыта подвижной шторкой 2, шторка движется в пазах кассеты и имеет длину в 2 раза больше, чем длина фотобумаги, для того чтобы она оставалось закрытой при остановке шторки и движении тележки с кассетой. На шторке закреплен упор 3, рядом с которым имеются два отверстия, расположенные один над другим для засветки фотобумаги. Через верхнее отверстие записывается время от мигающей лампы 4 стробоскопа, через нижнее отверстие ведется запись от лампы 5 длины пути торможения.
На штативе имеется неподвижный упор 6, на котором установлены контакты включения лампы стробоскопа 4. Подвижный упор шторки 3 нажимает на контакты неподвижного упора 6, лампа 4 включается. Лампа 5, записывающая начало и конец пути торможения (сжатия пружины), включается при нажатии шайбы 2 на контакты, установленные на упоре 3 (фиг.3).
Обе лампы выключаются при отходе тележки назад - после обратного воздействия пружины.
Тарировка усилия сжатия пружины 4 тормозного устройства (фиг.3)
В отличие от прибора В.В.Гортинского в данном тормозном устройстве используется витая пружина, сила сжатия которой изменяется по закону F=k'x, что соответствует касательной 2-2 (фиг.1) к синусоиде изменения ускорения в сортировальной машине.
Подбирая пружины с разным коэффициентом жесткости К, можно получить различные величины ускорения силы инерции при торможении.
Тарировочный график строится следующим образом. К винту 1 (фиг.3) крепится нить 2, второй конец которой соединяется с грузом 5. При изменении величины груза F получаем смещение Х пружины. Полученный график F=k'x в дальнейшем используется для определения силы торможения и силы инерции при дешифровке записи, полученной на фотобумаге. Устройство работает следующим образом.
При измерении величины относительного сдвига слоев зерна в зависимости от величины силы инерции.
В тележку засыпается зерно, так что продольное сечение зернового тела в тележке представляет трапецию, что дает возможность при торможении зерну сдвигаться вдоль тележки. В поперечном сечении зернового тела тонким слоем из контрастного материала (мела, муки) делаются метки, смещение которых при встрече с тормозным устройством показывает величину сдвига каждого слоя зерна и всего зернового тела относительно дна тележки. На дно тележки укладываются элементы от поверхности рабочих органов сортировальных машин.
0
Начальная скорость тележки в момент торможения V задается величиной пути разгона тележки и весом груза.
В кассету записывающего устройства укладывается фотобумага 1, закрывается шторкой 2 (фиг.4). Устанавливается штатив с неподвижным упором 6. Перед началом торможения упор шторки 3 нажимает на упор 6, замыкаются контакты включения лампы 4 стробоскопа. Шторка с отверстием останавливается против лампы, а кассета с фотобумагой движется вместе с тележкой. На фотобумаге идет отметка времени и пути движения тележки.
Путь, начало и конец торможения фиксируются лампой 5, которая включается при нажатии шайбы 2 на упор 3 (фиг.3), (замыкаются контакты на упоре). На фотобумаге остаются отметки, по которым определяются
0
V - скорость в момент торможения;
Х - путь торможения, равный величине сжатия пружины - х.
Таким образом, изменяя скорость движения тележки, время и путь торможения, можно задавать различные ускорения силы инерции, действующие на зерновою среду, находящуюся в тележке. С другой стороны, измеряя при этом величину сдвига каждого слоя зерна и всего зернового тела по дну тележки, можно экспериментально с помощью данного устройства определить оптимальные режимы работы сортировальных машин, при которых имеет место максимальная величина послойного сдвигового течения. На фиг.5 приведен фрагмент записи на фотобумаге пути и времени движения тележки в момент ее торможения.
; ; ;
где j - ускорение силы инерции в момент торможения тележки;
m max
i max
F≈F - максимальная сила инерции системы равна силе сжатия пружины;
пр
Т
r
3
m=m+m+m - приведенная масса системы (тележки, груза, зерна).
Максимальная сила инерции, действующая на зерно, определяется из графика (см. фиг.5):
i max з
mах
з,
mах
m max
пр
F=j·mj=F/m.
i max з
св
Если F>F - сдвиговое течение слоев в сыпучем теле отсутствует;
i max з
св
сн
Если F>F, но = F - сдвиговое течение слоев имеет место по всей толщине сыпучего тела, но сыпучая среда не перемещается по дну тележки.
i max з
сн
Если F>F - сдвиговое течение слоев имеет место во всем сыпучем теле, кроме того, вся сыпучая среда сдвигается относительно дна тележки.
св
F - сила сопротивления сдвигу верхнего слоя зерна,
сн
F - сила сопротивления сдвигу нижнего слоя зерна.
i max
o
Силу инерции F, действующую на сыпучую среду, можно изменять увеличением пути разгона или весом груза 5, при этом увеличивается скорость системы в момент торможения V.