Scientific journal

Modern problems of science and education

ISSN 2070-7428

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,006

В данной работе приводятся исследования по определению основного физико-механического параметра дисперсных материалов, характеризующего их поведение при ударе – коэффициента отражения [1-4]. В результате удара потока частиц об отбойник образуется отраженный поток, причем параметры распределений числа частиц в нем зависят от формы и структуры набегающего потока, а также физико-механических характеристик частиц материала [2]. Для описания зависимости между углами падения и отражения частиц в потоке (а также между скоростями до и после удара) вводится понятие коэффициента отражения частиц К .

В литературе параметром, учитывающим изменение скоростей до и после удара одиночных частиц, является коэффициент восстановления [3]. Данная величина определяется опытным путем и может принимать значения от 0 до 1. При нулевом значении коэффициента восстановления имеет место абсолютно неупругий удар, при значении, равном 1 – абсолютно упругий, без потери кинетической энергии.

Коэффициент восстановления при ударе зависит от множества факторов [5], однако в справочной литературе приводятся данные лишь для различных комбинаций материалов соударяющихся поверхностей. Практически отсутствуют сведения о зависимостях данного коэффициента от размеров частиц, из скорости движения, хотя данные характеристики могут существенно повлиять на его величину.

Однако в случае удара полидисперсного потока частиц неправильной формы имеет место возникновения турбулентных потоков воздуха, создаваемых как распылителем, так и движение самих частиц, применение методов расчета для одиночных частиц приводит к существенным погрешностям [6].

В отличие от коэффициента восстановления при ударе, который зависит только от материалов отбойника и частицы, введенный параметр учитывает совместное движение частиц и влияние воздушных потоков. Метод расчета данного параметра будет описан ниже.

Расчетная схема для определения коэффициента отражения в случае ударного взаимодействия потока частиц с неподвижным отбойным элементом проведена на рис. 1.

Струйный поток частиц сыпучего материала после взаимодействия с поверхностью неподвижного отбойника отражался в ловушку с ячейками. В опытах определялись средние значения коэффициента отражения.

Согласно рис.1 коэффициент отражения является отношением тангенсов средних углов падения и отражения [2, 5]. Найдем зависимость между этими двумя величинами.

Рис. 1. Расчетная схема для определения коэффициента отражения

Угол между направлением вектора скорости отраженной частицы и плоскостью отбойника:

. (1)

Для определения среднего угла отражения запишем соотношения, выражающие зависимости между углом наклона отбойника и углами, образованными между векторами скорости и нормали к отбойной поверхности:

. (2)

Решая (2) с учетом (1) относительно получим :

. (3)

Тогда

. (4)

Выражение для тангенса угла падения :

. (5)

Тогда выражение для коэффициента отражения примет вид:

. (6)

Значения расстояний Нср, НР и находятся из опытных данных.

Эксперимент по определению значений коэффициентов отражения проводился на установке, схема которой показана на рис. 2.

1-разбрасывающее устройство, 2-питатель, 3-отбойный элемент, 4-ловушка, 5- электродвигатель

Рис. 2. Схема опытной установки для определения коэффициентов отражения

Сыпучий материал подавался из питателя 2 в разбрасывающее устройство 1, при вращении которого образовывался разреженный поток. При столкновении частиц материала с отбойным элементом 3 образовывался отраженный поток, который оседал в ячейках горизонтально установленной ловушки 4.

В опытах измерялась дальность полета частиц материала в зависимости от различных режимных и конструктивных параметров устройства, а также физико-механических характеристик частиц.

Варьируемыми параметрами установки являлись частота вращения разбрасывающего устройства, угол наклона отбойника и количество материала подаваемого в единицу времени. Необходимо также отметить, что в опытах исследовалось влияние размеров частиц на значение коэффициента отражения. При проведении экспериментов были использованы такие материалы, как щебень, песок и каолин. Выбор материалов объясняется существенными различиями в размерах и физико-механических характеристиках частиц. во всех опытах материал отбойного элемента сталь Ст 3.

На рис. 3 изображены зависимости значений коэффициента отражения от частоты вращения ротора разбрасывающего устройства для некоторых сыпучих материалов.

Q=25 кг/ч, β=600

Рис.3. Опытные зависимости коэффициента отражения от частоты вращения распылителя

Из представленных на рис. 3 данных видно, что с ростом частоты вращения ротора разбрасывающего устройства наблюдается повышение значений коэффициента отражения. Возрастание величины К можно объяснить тем, что с повышением частоты вращения увеличивается ширина потока налетающего на отбойник. Такое возрастание ширины потока приводит к увеличению средней величины , рост которой приводит к повышению коэффициента отражения. Еще одним объяснением возрастания величины К является тот факт, что в более широких потоках увеличиваются расстояния между частицами, что снижает вероятность их столкновения. Взаимные столкновения частиц могут нарушить форму отраженного потока, и снизить значение коэффициента К.

Наибольшие значения коэффициента отражения при всех частотах вращения были получены для песка, наименьшие для каолина.

Зависимости коэффициента отражения от расхода материалов показаны на рис.4.

n=1000 мин-1, β=600

Рис.4. Опытные зависимости коэффициента отражения от расхода материалов

Расход материала приводит к увеличению плотности потока, что способствует увеличению вентиляционного эффекта и повышению аэродинамических сил сопротивления и, как следствие снижение скоростей движения. Еще одним фактором, влияющим на уменьшение значений коэффициента К при повышении расхода, является то, что после удара частицы отражаются от поверхности, а потоки воздуха движутся вдоль нее, тем самым происходит снижение скоростей отраженного потока.

Из данного рисунка видно, что траектории движения частиц, отраженных от отбойника и воздушных потоков не совпадают, вследствие чего наблюдается снижение скоростей отраженного потока.

Зависимости коэффициентов отражения от угла наклона отбойного элемента приводятся на рис. 5.

n=1000 мин-1, Q=25 кг/ч

Рис.5. Опытные зависимости коэффициента отражения от угла наклона отбойного элемента

Возрастание значений коэффициента отражение с повышением угла наклона отбойника вызвано уменьшением углов падения φ1 практически для всех частиц потока. Так с ростом значений угла φ1 уменьшается влияние проскальзывания материала по поверхности отбойного органа, при котором частица расходует часть своей кинетической энергии на трение. Проскальзывание практически отсутствует при углах падения частиц близких к нулю и имеет максимальное проявления при значениях угла 450<φ1 <900.

На рост значений коэффициента отражения с повышением угла наклона отбойного органа оказывают влияние и воздушные потоки. Так при углах наклона β=300 угол между векторами скоростей частиц и потоков воздуха больше, чем при β=600, что существенно повышает силы сопротивления и снижает скорости движения отраженных частиц.

Для сравнения в таблице 1 приводится сопоставление значений коэффициентов отражения и восстановления для частиц различных материалов.

Таблица 1

Экспериментальные значения коэффициентов отражения и восстановления для некоторых веществ (материал отбойного элемента – сталь Ст3)

Необходимо отметить, что приведенные в таблице значения коэффициента отражения получены при углах наклона отбойного органа 900. Это объясняется тем, что данные для коэффициента восстановления в справочной литературе приводятся для прямого удара.

Данные, представленные в таблице 1, свидетельствуют о различии значений сравниваемых коэффициентов. Следовательно, при расчете движения потоков частиц использование коэффициента восстановления в качестве параметра, характеризующего изменение скоростей потоков после удара, может привести к существенным погрешностям.

Рецензенты:

Мурашов А.А., д.т.н., заведующий кафедрой математических и естественнонаучных дисциплин Московского финансово-юридического университета, г.Ярославль,

Епархин О.М., д.т.н., профессор, директор Ярославского филиала ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения, г. Ярославль.