Устройство для измерения угла естественного откоса сыпучего материала

Заявляемое устройство относиться к измерительной технике и предназначена для определения одного из важнейших реологических параметров сыпучих материалов - угла естественного откоса. Значение угла естественного откоса сыпучих материалов широко используется в механике грунтов, в вибрационных технологиях сепараций руд, при изучении свойств сыпучих строительных материалов и других отраслях как самостоятельный физический параметр, а также для расчетов такого параметра сыпучего вещества, как коэффициент его внутреннего трения.
Измерение угла естественного угла откоса сыпучих материалов, несмотря на кажущуюся простоту, является сложной технической задачей. Любой сыпучий материал, представленный полидисперсной смесью, при насыпании на неограниченную по размерам горизонтальную плоскость, вступает в неизбежное с ней взаимодействие за счет сил трения и силы тяжести, при этом формируется не идеальный конус массива материала, а конусообразное тело с криволинейным участком в его основании (см., например, монографию - Г.К. Клейн. Строительная механика сыпучих тел. - М., Стройиздат, 1977, с. 85, рис. 44), что затрудняет интерпретацию понятия угла естественного откоса, поскольку, в большинстве случаев откос имеет переменный радиус кривизны, не позволяющий провести к нему единственную касательную линию.
Известны решения, направленные на устранение эффекта образования криволинейного участка в районе контакта с опорной плоскостью.
Известен Прибор для измерения угла естественного откоса сыпучего материала [АС СССР №564510, опубл. 28.08.1977]. Прибор содержит корпус с горизонтально расположенной площадкой и установленный на ней сосуд, ось которого перпендикулярна площадке, с дном-диском под испытуемый материал, размещаемый внутри сосуда, и угломер, установленный с возможностью поворота вокруг оси сосуда. При этом дно-диск выполнено подвижным вдоль оси сосуда, а сосуд - съемным. Измерение угла откоса осуществляют с естественным удалением избытка материала.
Известен Прибор для измерения угла естественного откоса сыпучего материала [АС СССР №615353, опубл. 26.06.1978]. Прибор содержит базовую плоскость с буртиком и выдвижной вверх столик. При ссыпании избытка материала со столика на нем образуется конус материала, угол откоса которого изменяется угломером.
В устройствах, базирующихся на таком принципе, действительно формируются конусы монодисперсного материала правильной формы, угол откоса которых можно замерить известными способами. Однако существенным недостатком таких устройств является процесс сегрегации по крупности частиц полидисперсных материалов (каковыми всегда являются пески, грунты и руды) в поверхностном слое конуса. При этом, фактически, измеряется угол откоса непредставительной сегрегированной части исследуемого материала, что отрицательно сказывается на точности измерения.
В качестве прототипа выбран Аппарат для измерения угла естественного откоса сыпучих материалов, конструкция которого описана в патенте US 3940997, опубл. 02.03.1976 г. Аппарат имеет открытую сверху камеру в форме прямоугольного параллелепипеда с внутренней перегородкой - полкой, параллельной днищу камеры. Полка консольно закреплена на торцевой стенке камеры. Между свободной кромкой полки и противолежащей торцевой стенкой имеется зазор. Полка делит внутренний объем камеры на две ячейки, верхняя из которых предназначена для измерения статического угла откоса, нижняя - для измерения динамического угла откоса. По меньшей мере, одна боковая стенка камеры выполнена из прозрачного материала, через нее осуществляются измерения углов откоса.
В исходном положении Аппарат по патенту US 3940997 находится в горизонтальном состоянии (при вертикальном положении полки). Материал загружают в ячейку между полкой и верхней крышкой, затем Аппарат вручную переводят в вертикальное положение. При повороте аппарата и переходе полки в горизонтальное положение материал с нее пересыпается на днище камеры. При этом формируются два массива - на полке и на днище, углы наклона которых к горизонту замеряются в качестве статического и динамического углов естественного откоса. Следует отметить, что материал пересыпается на днище естественным путем под действием силы тяжести в свободном падении. При этом на горизонтально расположенном днище камеры, образуется трехгранная призма материала с естественным откосом, направленным в противоположную сторону по отношению к откосу массива материала на полке и с контактом только с одной торцевой стенкой камеры (см. Fig. 5 патента US 3940997). В контексте данной заявки термин "боковая стенка" и "торцевая стенка" применяются условно, только для того, чтобы показать, что эти стенки взаимно перпендикулярны.
В устройстве по прототипу в зоне свободного падения на днище полидисперсного материала неизбежно образуется веер с различной траекторией движения зерен различной крупности, что отрицательно сказывается на однородности массива материала, формирующего естественный откос, и, соответственно, на точности измерений. То есть, в устройстве по прототипу неизбежно сохраняется негативный эффект сегрегации полидисперсного материала по крупности, что не позволяет сформировать плоскую поверхность откоса, и, соответственно, отрицательно влияет точность измерения.
В основу полезной модели поставлена задача - расширение арсенала средств и создание нового устройства для измерения угла естественного откоса сыпучих материалов. Достигаемый технический результат - повышение точности измерения за счет формирования плоской поверхности откоса.
Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения угла естественного откоса сыпучих материалов представляет собой открытую сверху камеру, выполненную в форме многогранника, одна из боковых стенок которого выполнена из прозрачного материала. От прототипа отличается тем, что камера имеет форму невыпуклого восьмигранника, одна из торцевых стенок камеры имеет форму ступени с опорной площадкой, расположенной внутри камеры, противолежащая торцевая стенка камеры выполняет функцию подпорной стенки, при этом устройство снабжено поворотным средством с осью, перпендикулярной боковым стенкам камеры.
Предпочтительным является исполнение, при котором камера имеет форму невыпуклого восьмигранника с прямыми углами (геометрически - невыпуклая шестиугольная призма с основаниями в виде невыпуклых прямоугольных шестиугольников, которыми являются боковые стенки камеры).
В контексте данной заявки термин "подпорная стенка" применяется в значении: стенка, предназначенная для поддержания откоса находящегося за ней сыпучего материала [см. по аналогии толкование в он-лайн словаре Геологические термины https://dic.academic.ru/dic.nsf/geolog/6606/%D0%9F%D0%BE%D0%B4%D0%BF%D0%BE%D1%80%D0%BD%D0%B0% D1%8F_%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BD%D0%BA%D0%B0].
Функциональное назначение "подпорная стенка" выполняется при обязательном условии работы заявляемого устройства - достаточной его загрузке материалом, при которой осуществляется опирание материала на указанную торцевую стенку.
В механике сыпучих материалов известно и описано формирование угла естественного откоса сыпучих материалов, массив которых опирается на так называемую подпорную стенку. Состояние такого массива материала может быть формализовано как призма сплошного тела, а угол его естественного откоса, образуемый с горизонтом, не имеет криволинейного участка [см. Г.К. Клейн. Строительная механика сыпучих тел. - М, Стройиздат, 1977, сс. 126, 129]. Указанный эффект положен авторами в основу предлагаемого устройства.
Для того, чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности полезной модели, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан предпочтительный вариант реализации. Пример реализации иллюстрируется Фигурами чертежей, на которых представлено: Фиг. 1 - камера, вид сверху; Фиг. 2 - камера в вертикальном положении, вид со стороны боковой стенки; Фиг. 3 - Фиг. 4 - этапы поворота загруженной камеры; Фиг. 5 - Фиг. 6 - камера в положении для измерения угла откоса (отличие по сыпучести загруженного материала).
Устройство включает открытую сверху поворотную вокруг горизонтально ориентированной оси 1 прямоугольную в плане камеру, имеющую форму невыпуклого восьмигранника. Камера имеет боковые стенки 2, как минимум, одна из которых прозрачная, днище 3, и две торцевые стенки, одна из которых плоская и является подпорной стенкой 4. Вторая торцевая стенка имеет форму ступени ( - образная форма) с опорной площадкой 5, расположенной внутри камеры. Угол ϕ между плоскостью опорной площадки 5 и плоскостью части 6 этой торцевой стенки, прилегающей к днищу, составляет не менее 90°. На фигурах показан вариант исполнения камеры в виде невыпуклого восьмигранника с прямыми углами, то есть ϕ=90°. Поворотная ось 1 перпендикулярна боковым стенкам 2 камеры и соединена с ними любым известным способом, ее расположение не принципиально. С осью 1 соединено любое приемлемое для этих целей средство, осуществляющее поворот камеры вокруг горизонтальной оси. Это может быть ручной привод или, что предпочтительней, электромеханический (мотор-редуктор). Поворотное средство на фигурах не показано. Заявляемое устройство также снабжено средством измерения угла откоса α. Измерение осуществляется через боковую прозрачную стенку 2, например, лазерным угломером или механическим гониометром (на Фигурах не показано).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии устройство приводят в наклонное положение в сторону, противоположную подпорной стенке 4, и загружают исследуемый сыпучий материал в пространство над опорной площадкой 5. Количество испытуемого материала предварительно подбирают (расчетным методом или экспериментально) таким, чтобы его поверхностный слой при вертикальном положении камеры проходил по касательной к выступающему внутрь углу ступени, либо располагался незначительно выше него, для исключения влияния давления верхней части материала на образованную в придонной области призму материала. Затем медленно приводят камеру в вертикальное положение, например, с помощью мотор-редуктора. При вертикальном положении камеры испытуемый сыпучий материал образует массив призматической формы, упирающийся в вертикальную подпорную стенку. Криволинейного участка у откоса в зоне контакта с подпорной стеной при этом не образуется. Далее, через прозрачную боковую стенку 2 камеры замеряют образовавшийся угол естественного откоса сыпучего материала с использованием, например, бесконтактного прибора.
В Таблице приведены результаты серий измерений угла естественного откоса различных сыпучих материалов (каменного угля и кварцевого песка) с использованием предлагаемого устройства и устройства по прототипу. Поскольку в устройстве по прототипу формируется угол откоса с криволинейным участком в нижней части откоса, измерение угла естественного откоса осуществлялось по прямолинейному участку откоса. В обоих случаях угол откоса фиксировался с использованием лазерного угломера. Из Таблицы следует, что разброс замеренных величин откоса с применением заявляемого устройства существенно меньше, чем с применением устройства по прототипу, то есть измерение с использованием заявляемого устройства существенно точнее.
Это объясняется следующим. В отличие от прототипа, в котором полидисперсный материал попадает в нижнюю измерительную ячейку путем свободного падения частиц с консольной полки на днище камеры, в заявляемом устройстве, при его повороте вокруг горизонтальной оси, материал перемещался под действием силы тяжести только путем скольжения массива вдоль опорной площадки 5 и нижней части 6 торцевой стенки камеры (см. Фиг. 3 и Фиг. 4). Это исключает свободное падение частиц и их сегрегацию по крупности, негативно влияющую на формирование плоскости откоса. Вторым моментом, влияющим на формирование плоскости откоса, является наличие подпирающей стенки. Обе эти конструктивные особенности заявляемого устройства в равной мере влияют на формирование в придонной части камеры массива материала в форме призмы с упором в противоположные торцевые стенки камеры, то есть получить плоскую поверхность естественного откоса без криволинейного участка. Так же на результат влияет наличие поворотного средства, обеспечивающего плавный поворот камеры вокруг оси и равномерное скольжение материала.
Образовавшийся и замеряемый угол а естественного откоса при такой конструкции камеры зависит только от реологических свойств изучаемого материала, что проиллюстрировано на Фиг. 5 и Фиг. 6.