Ładunek transportowy i jego własności fizyczno – mechaniczne

Przez ładunek rozumie się ogólnie przedmiot transportu.

Ładunek transportowy

Dzieli się on na drobnicę oraz masówkę.

Materiał transportowy:

Drobnica

– oddzielne jednostkowe przedmioty (paczki, skrzynki, maszyny i urządzenia).

Klasyfikuje się wg:

• rozmiarów
• kształtu
• masy
• innych czynników (np. wybuchowość, łatwopalność, toksyczność, pyłochłonność, uleganie korozji, wrażliwość na wilgoć, kruchość, łamliwość itp.

Transportuje się ją najczęściej w postaci jednostek ładunkowych.

Masówka

– materiał sypki uziarniony lub pylny (węgiel, ruda, skała płonna, nadkład, piasek, cement itp. )

Charakteryzuje się:

• uziarnieniem lub pylnością
• gęstością nasypową
• kątem usypu naturalnego w spoczynku i ruchu
• tarciem wewnętrznym, statycznym i kinetycznym
• twardością
• ścieralnością
• wrażliwością na kruszenie
• zmianą właściwości fizyko-mechanicznych pod wpływem drgań, temperatury, wody lub wilgoci
• przyczepnością
• plastycznością
• możliwością tworzenia mieszanin wybuchowych
• własnościami elektrostatycznymi

Uziarnienie

Inaczej granulacja, która oznacza liczbowe określenie cząstek materiału wg ich wielkości. Wielkość cząstek określa się największym wymiarem długości mierzonym po przekątnej prostopadłościanu stanowiącego obrys danej cząstki.

Charakteryzuje go skład ziarnowy transportowanego materiału, określony przez podanie rozmiarów jego ziaren.

Często podaje się uziarnienie w postaci krzywej składu ziarnowego określającej wagowy udział różnych klas, z których każda jest zobrazowana granicznymi rozmiarami należących do nich ziarn.

Ze względu na jednorodność ziarn materiały sypkie dzieli się na:

a) sortowane

b) nie sortowane

Charakteryzuje się on rozmiarem ziarna typowego a*=a_max. Jeżeli masa ziarn (brył) o rozmiarach od 0,8a_max do a_max stanowi 10% masy całej próbki lub 0,8a_max , gdy masa tych ziarn (brył) jest mniejsza od 10 % masy całej próbki.

Ze względu na wielkość ziarn (brył) materiał sypki dzieli się na:

• brylowaty (a*>300 mm)
• grubokawałkowy (a*= 161÷300 mm)
• średniokawałkowy (a*= 61÷160 mm)
• drobnokawałkowy (a*= 11÷60 mm)
• grubo uziarniony (a*= 2÷10 mm)
• drobno uziarniony (a*= 0,5÷2 mm)
• proszkowy (a*= 0,05÷,5 mm)
• pyłowy (a*<0,05 mm)

Transportowanie w pomieszczeniach zamkniętych materiałów zawierających pył może spowodować ich wybuch. Kruszenie węgla jest przyczyną powstawania pyłu, którego ilość zależy od twardości i kruchości węgla oraz od jego wilgoci własnej. Ziarna pyłu większe od 240 μm nie biorą udziału w możliwej eksplozji.

Gęstość materiału

Odnosi się tylko do stałej masy materiału bez porów zamkniętych i otwartych i jest wyznaczana przy użyciu piknometru. Dzieląc masę materiału dokładnie sproszkowanego przez jego objętość uzyskaną na podstawie wyporu, otrzymuje się wartość gęstości γ w kg/m3.

Gęstość nasypowa ciał twardych γ_n (kg/m3)

Jest masą przypadającą na jednostkę objętości materiału, który zawiera pewną ilość porów otwartych.

Jednostkę objętości zapełnia się przez swobodne nasypywanie materiału (lub układanie) przy małej prędkości i małej wysokości opadania ziarn (brył). W przypadku ciał o dużym udziale porów zamkniętych, np. drewno, należy jeszcze wyznaczyć gęstość pozorną.

Gęstość jest jedną z własności materiału, gęstość nasypowa natomiast zmienia się zależnie od tego, w jaki sposób materiał otrzymano oraz od wielkości, kształtu ziarn, rodzaju powierzchni i stopnia zwartości.

Z materiałów nie sortowanych możliwe jest osiągnięcie mieszaniny o gęstości nasypowej odpowiadającej dużo mniejszej porowatości. Większą gęstość można uzyskać przez odpowiednie zmieszanie różnych składników o rozmaitej wielkości ziarn, gdyż pustki pomiędzy ziarnami większymi zostają wypełnione ziarnami mniejszymi. Optymalną gęstość nasypową otrzymuje się przez dobranie odpowiednich proporcji klas o różnej wielkości ziarn; uzyskany materiał charakteryzuje się najbardziej zwartą budową. Nadmiar którejś z klasy powoduje zmieszenie gęstości nasypowej i zwiększenie pustek.

Współczynnik rozluzowania k_r materiału

Jest równy stosunkowi gęstości właściwej lub gęstości pozornej do gęstości nasypowej: [wzór] Dla:

• piasku, ziemi, gliny k_r=1,1÷1,3
• węgla k_r=1,4÷1,6
• skał twardych k_r=1,8

Kąt usypu naturalnego w spoczynku i ruchu

Materiał sypki jest między innymi scharakteryzowany kątem usypu naturalnego:

• w spoczynku ρ
• w ruchu ρ₀

Czyli kątem nachylenia do poziomu płaszczyzny tworzącej stożka, powstałego przez swobodne lub dynamiczne nasypywanie materiału na płaszczyzną poziomą.

Na rysunku przedstawiono rozkład sił ciężkości ziarna na składowe przy określaniu wielkości kąta usypu naturalnego.

Schemat metody pomiaru kąta ρ ( rys a).

Kąt usypu naturalnego w ruchu można określić tą samą metodą, opuszczając badany materiał z wysokości około 1 m (rys b) lub poddając płaszczyznę poziomą z usypaną statycznie pryzmą wibracjom z określoną częstotliwością (rys c)

Wyniki badan wskazują że średnio ρ₀ =(0,5÷0,7) ρ.

Ze względu na różny stan transportowanego materiału, do obliczeń powierzchni teoretycznego przekroju poprzecznego materiału na środku transportu przyjmuje się zmniejszony kąt usypu naturalnego w ruchu, mniej więcej o 50% w stosunku do ρ0.

ρop=0,5 ρ₀

W materiałach sypkich rozróżnia się kąt usypu naturalnego ρ ̇ uzyskany przez obruszenie (rys).

Kąt obruszenia

Dla większości materiałów ρ ̇>ρ, jedynie dla materiału idealnie sypkiego (np. suchy piasek o jednakowych wymiarach ziarn) ρ ̇=ρ. Kąt obruszenia zależy od wysokości h pryzmy materiału; im większe h, tym mniejszy kąt ρ ̇. Ogólnie zachowaniem się ciał sypkich w określonych warunkach zajmuje się dział mechaniki, tzw. machanika ośrodka sypkiego. Określenie podstawowych własności materiału wymaga jednak każdorazowo obszernych badań.

Współczynnik tarcia materiału sypkiego

Współczynnik tarcia materiału sypkiego o ścianki urządzeń osłaniających i elementy maszyn transportowych zależy od tego czy materiał znajduje się w spoczynku (μst) czy w ruchu względnym (μkin) i jest określany eksperymentalnie. Niektóre stosowane metody pomiaru współczynnika tarcia przedstawia schematycznie rysunek.

Znajomość współczynnika tarcia wewnętrznego materiału transportowanego oraz współczynnika tarcia zewnętrznego materiału transportowanego po innych materiałach (np. po stali, betonie itp.) jest niezbędna do projektowania urządzeń transportowych i pomocniczych oraz obliczania ich energochłonności. Wartość współczynnika tarcia wewnętrznego materiału jest równa tangensowi kąta tarcia wewnętrznego materiału. W przypadku współczynnika tarcia zewnętrznego wyróżnia się współczynnik tarcia w spoczynku i współczynnik tarcia w ruchu, przy czym ten drugi stanowi w przybliżeniu około 70% wartości pierwszego.

Twardość

Twardość skał ocenia się na podstawie wskaźnika twardości według skali prof. M. Protodiakonowa [wzór] gdzie: σ_ś - doraźna wytrzymałość skały na ściskanie [N/cm2]

Współczynnik ft dla niektórych skał wynosi:

• kwarcyty i bazalty f_t=20
• granity i twarde rudy żelaza f_t=10
• piaskowce f_t=3
• twardy węgiel kamienny f_t=1,8

Ścieralność

Jest to zdolność materiału transportowanego do stałego usuwania materiału z elementów maszyn transportowych przez rysowanie i żłobienie podczas względnego ruchu ich powierzchni. Ścieralność danego materiału zależy od jego twardości, wielkości ziarn i ich kształtu.

Do materiałów ścierających się w małym stopniu należą: węgiel kamienny i drzewny, cement, wióry, zboże.

Do ścierających : antracyt, sól kamienna, piryt siarkowy, piasek.

Do nadzwyczaj ścierających: kwarc, żużel, kamień wapienny, rudy żelaza, rudy manganu, koks.

Przyczepność

Jest własnością materiału trudną do zdefiniowania, gdyż jest ona wynikiem wielu zjawisk, tj.:

• adhezja,
• spójność,
• napięcie powierzchniowe,
• lepkość,
• wytrzymałość na płyniecie,
• czystość i chropowatość powierzchni,

Zwiększoną przyczepność do elementów niosących urządzeń transportowych wykazują materiały wilgotne i mokre, jak muł węglowy, mieszanki betonowe, gliny, miał węglowy itp. Przy przemieszczaniu tych materiałów należy odpowiednio zabezpieczyć ich wyładowywanie z elementów nośnych maszyn transportowych.

W tablicy zestawiono niektóre własności mechaniczne materiałów sypkich.

Bibliografia

Antoniak Jerzy :Urządzenia i systemy transportu podziemnego w kopalniach. Wydawnictwo „Śląsk” Katowice 1990