Содержание к диссертации
Введение
1.1. Анализ работ по исследованиям движения сыпучих материалов в бункерах и распределению сил, действующих на их стенки 10
1.2. Краткий анализ работ по исследованиям слеживаемости зерновых материалов в емкостях сельскохозяйственного назначения 19
2. Исходные предпосылки и допущения при исследовании свойств и движения связанных зерновых материалов 29
2.1. Допущения о форме бункера. Размеры и объем бункеров 29
2.2. Материалы для изготовления бункеров. Гидрофобные и гидрофильные покрытия 38
2.3. Виды истечения зерновых материалов из бункеров 41
2.4. Модели зерновых материалов. Их достоинства и недостатки 43
2.4.1. Модель сплошной среды 43
2.4.2. Модель профессора Л.В.Гячева 45
2.4.3. Модель профессора В.А.Богомягких, модель влажного зернового материала 54
3. Факторы, способствующие слеживаемости зерновых материалов 60
3.1. Трение зерен между собой и стенками емкости 61
3.1.1. Трение при кондиционной и меньше влажности зерна 61
3.1.2. Трение при повышенной влажности. Граничное трение и его переход в жидкостное 63
3.2.Силы сцепления в зерновых материалах 65
3.2.1. Адгезионные силы 66
3.2.2. Аутогезионные силы 67
3.3. Существующие методы борьбы со слеживаемостью 70
3.3.1. Хранение зерна в сухом состоянии 71
3.3.2. Хранение зерна в охлажденном состоянии 73
3.3.3. Хранение зерна в бескислородной среде 74
3.3.4. Активное вентилирование 76
4. Модель зернового материала, предложенная для исследования слеживаемости 78
4.1. Взаимосвязь между внутренними и внешними силами в зерновых материалах, имеющих повышенную и избыточную влажность 79
4.2. Коэффициенты сопротивления 84
4.2.1. Коэффициент сопротивления, вызванный силами сухого трения зерен между собой и стенками бункера 85
4.2.2. Коэффициенты сопротивления, вызванные силами жидкостного трения 88
4.2.3. Коэффициенты сопротивления, вызванные силами аутогезии и адгезии..90
5. Дифференциальное уравнение движения элементарного слоя влажного зерна в трубах переменного сечения 95
5.1. Дифференциальное уравнение движения элементарного слоя влажного зерна в бункере произвольной формы 95
5.2. Дифференциальное уравнение движения элементарного слоя влажного зерна в пирамидальном бункере 97
5.3. Дифференциальное уравнение движения элементарного слоя влажного зерна в щелевом бункере 101
6. Решение дифференциальных уравнений для труб переменного сечения 114
6.1. Расход и скорость движения влажного зерна в пирамидальном бункере..
6.2. Расход и скорость движения влажного зерна в щелевом бункере 122
7. Условия слеживаемости зернового материала в емкостях различных форм 127
7.1.Слеживаемость зернового материала в пирамидальном бункере 127
7.2.Условие слеживаемости зернового материала в щелевом бункере 145
8. Экспериментальное и теоретическое исследование влияния сил сцепления на процесс слеживания влажного зернового материала 161
8.1.Экспериментальное исследование сил аутогезии в зерновом материале кондиционной и повышенной влажности ...161
8.2. Оценка влияния сил адгезии и аутогезии на движение зернового материала в бункерах различных форм. Случай пирамидальной укладки. 167
8.3. Оценка влияния сил жидкостного трения зерен между собой и стенками бункера на движение зернового материала в бункерах различных форм. Случай пирамидальной укладки 173
9. Экспериментальное исследование истечения влажного зернового материала из бункера 178
9.1. Экспериментальное исследование истечения влажного зернового материала из модельного бункера осесимметричной формы. Теоретический расчет расхода из модельного бункера пирамидальной формы 178
9.2. Расход зернового материала из реального бункера. Формулы расчета расхода зернового материала из глубоких бункеров сельскохозяйственного назначения по экспериментальным данным для модельных бункеров 182
Выводы 185
Приложение 188
Литература 189
- Анализ работ по исследованиям движения сыпучих материалов в бункерах и распределению сил, действующих на их стенки
- Допущения о форме бункера. Размеры и объем бункеров
- Трение при повышенной влажности. Граничное трение и его переход в жидкостное
- Взаимосвязь между внутренними и внешними силами в зерновых материалах, имеющих повышенную и избыточную влажность
Введение к работе
Проблема обеспечения страны сельскохозяйственной продукцией решается в настоящее время на основе коренного изменения структуры управления народным хозяйством, изменения собственности на средства производства и землю, а также путем дальнейшего совершенствования и развития материально-технической базы. Для создания сельхозмашин нового поколения требуется ускорение научно-технического прогресса, сокращение сроков создания новой сельскохозяйственной техники.
Существенную помощь конструкторским бюро и заводам, изготовляющим технику, могут оказать научные и, прежде всего теоретические исследования технологических процессов, выполняемых машинами и агрегатами. Теоретическое описание процесса, если оно передает все его закономерности с высокой степенью точности, может существенно сократить стадию проектирования машины, предсказать её технические возможности, сократить время производственных испытаний. При наличии теории могут быть использованы современные вычислительные машины и графопостроительные средства, что значительно облегчает и ускоряет работу конструкторских бюро.
Мобильные машины и стационарные агрегаты, предназначенные для посева, уборки, транспортировки, очистки от примесей, имеют бункеры. С их помощью происходит накопление зернового материала, и выполняются погрузочно-разгрузочные работы. По данным [1] на одну тонну закупленного зерна приходиться 7-8 тонн погрузочно-разгрузочных работ. В РФ общий объем выращенной зерновой продукции составляет 80-90 млн. тонн. При этом почти на порядок больше тонн зернового материала приходиться на погрузочно-разгрузочные работы. Несмотря на большие объемы перемещения зерновых материалов к настоящему времени нет теории, которая с единой точки зрения описывала состояние и движение зерновых материалов в бункерах, силосах, трубах постоянного и переменного сечений, скатных досках, в кузове автомобиля при выгрузке и в других случаях.
Особый интерес представляет собой исследование движения и состояния при хранении зерновых материалов, имеющих влажность больше кондиционной. В работе [2] отмечается, что длительному хранению подлежит зерновой материал имеющий влажность менее 13 %. При такой влажности дыхание зерна столь незначительно, что для жизнедеятельности зерновок достаточно того кислорода, который имеется в межзерновом пространстве, оболочках и складках самих зерновок. При более высокой влажности процесс дыхания усиливается и увеличивается потребление зерном кислорода. Недостаток кислорода приводит к гибели зерновок. По данным других авторов [3] с ростом влажности дыхание зерновок переходит в анаэробное состояние, при котором из зерна выделяется этиловый спирт или молочные кислоты. В более поздних работах [4] показано, что подобная жидкость из зерновок поступает на поверхность по капиллярам, имеющим в среднем диаметр порядка 4-5 мкм, и на каждом квадратном миллиметре имеется примерно 104-И05 шт. Появление влаги на поверхности зерновок качественно изменяет взаимодействие зерен между собой и со стенками емкости по сравнению с зерном, имеющим кондиционную и меньше влажность.
Зерно повышенной влажности обладает малой текучестью, имеет повышенное стремление к появлению застойных зон в бункере. Происхождение застойных зон может быть истолковано формированием статически устойчивого свода, однако визуальные наблюдения [5] за движением в бункере влажного зерна показывают, что они могут появляться и без сводов в обычном их понимании.
Кроме того, при вынужденном хранении влажного зерна в емкости (бункере) происходит явление слеживаемости, которое заключается в том, что с течением времени хранения возрастают силы связи зерен между собой (силы аутогезии) и силы связи со стенками емкости (силы адгезии) до значения превышающего силу тяжести зерна. Зерно полностью теряет текучесть. Гравитационных сил недостаточно для нормального либо гидравлического истечения зернового материала из бункера (силоса), либо кузова транспортного средства. При хранении зернового материала большими по высоте насыпями происходит запрессовывание и слеживаемость возрастает. При этом даже изменяется форма отдельных зерновок, на них образуются вмятины. Известны случаи [6] слеживаемости сухих зерновых масс влажностью 12-14% при продолжительном (в течении года и более) хранении в высоких железобетонных и металлических силосах. После на внутренних стенках обнаруживаются сплошные или гнездовидные одно или многослойные наросты зерна, своего рода сталактиты, для удаления которых приходиться применять механические средства.
Большое влияние на процесс слеживаемости зернового материала оказывает температура. При отрицательной температуре происходит смерзание зерновок между собой, с образованием кристалликов льда между ними. При высокой температуре влажное зерно подвергается самосогреванию и самовозгоранию. Для выгрузки зернового материала в таких случаях приходиться использовать дополнительные устройства, например вибраторы, либо примитивные средства, например лопаты, что иногда приводит к травмированию обслуживающего персонала. Обрушение слежавшегося зерна в емкостях больших размеров, например, башнях элеваторов, приводит иногда к их разрушению, на ремонт которых приходиться тратить большие средства [7].
В связи с изложенным в работе решается проблема выявления формы емкостей (бункеров, силосов и др.) внутри которых влажный зерновой материал менее подвергался слеживаемости и изыскание технических средств обеспечивающих текучесть зерна на ранних стадиях появления слеживаемости. Работа выполнялась по гранту № 97-7-1-6-36 Минобразования Российской Федерации по фундаментальным исследованиям в области сельскохозяйственного машиностроения (раздел 1 "Тракторное, сельскохозяйственное машиностроение", направление 1.6 "Погрузочные и транспортные средства, применяемые в сельском хозяйстве"). Цель исследования: Обосновать рациональную форму бункеров и их параметры, обеспечивающих истечение подверженного слеживаемости зернового материала с целью повышения эффективности их функционирования.
Объект исследования: Бункеры стационарных сельскохозяйственных агрегатов для хранения зернового материала сельскохозяйственного назначения.
Предмет исследования: Закономерности взаимодействия влажного зернового материала со стенками и выпускным отверстием бункеров. Научная гипотеза: В результате наблюдения в производственных и лабораторных условиях за истечением влажного зерна из емкостей было предположено, что основную роль при переходе его в состояние слеживания играют силы сцепления зерен между собой и стенками емкости. Учет этих сил позволит исследовать переходные процессы и определить оптимальную форму емкостей для кратковременного или длительного хранения зерна. Научная новизна: Предложены и обоснованы параметры и форма емкостей, в которых зерновая масса меньше подвергается слеживаемости. Определены основные закономерности истечения сыпучего зернового материала и влияние формы и параметров бункера на процесс истечения. Смоделирован физико - механический процесс перехода влажного зернового материала из текучего состояния в состояние слеживаемости. Учтены физические параметры влажного зерна, характеризующие состояние слеживаемости.
Анализ работ по исследованиям движения сыпучих материалов в бункерах и распределению сил, действующих на их стенки
Определена форма и обоснованы рациональные параметры бункера, найдены основные принципы проектирования бункерных устройств, в которых зерновой материал наименее подвержен слеживанию. Показана методика и программа параметрической оптимизации стационарных бункерных устройств, обеспечивающих миминизацию слеживания и истечения из них зерновых материалов повышенной влажности. Результаты научных исследований переданы для использования в НПП "Терра" и ООО "ДОНЭЛЕВАТОР" Апробация: Данная работа была представлена на XVI Международной научной конференции в Ростовской государственной академии сельхозмашиностроения (РГАСХМ), научных конференциях в Азово -Черноморской государственной агроинженерной академии (АЧГАА), в Донском государственном техническом университете (ДГТУ). Публикация результатов. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них в центральной печати 3. На защиту выносятся: - обоснование методики проектирования емкостей, в которых влажное зерно меньше подвергается слеживаемости; - метод приближения идеальной модели сыпучего материала к реальным свойствам влажного зерна; - анализ сил внешнего и внутреннего трения во влажном зерновом материале; - анализ адгезионных и аутогезионных сил во влажном зерновом материале; - аналитический анализ коэффициентов сопротивления, вызванных трением и силами сцепления в зерновых материалах; - определение расхода и скорости истечения зерновых материалов с учетом сил сцепления зерен между собой и стенками емкости; - аналитический анализ перехода зерна из текучего в состояние слеживаемости; - выбор и обоснование основных физических параметров,характеризующих состояние слеживаемости зернового материала; - экспериментальные исследования явления слеживаемости зернового материала; - обоснование экономической целесообразности использования предложенной методики. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, общих выводов, списка литературы из 90 наименований. Работа изложена на 190 страницах, содержит 107 рисунков и 8 таблиц. 1.1.Анализ работ по исследованиям движения сыпучих материалов в бункерах и распределению сил, действующих на их стенки. Истечение сыпучих материалов из отверстий сосудов одна из древних и интересных задач. Первое применение законов истечения выразилось в изобретении песочных часов, которые по данным [8] были предложены в VIII веке н. э. Луитпрандтом и используются в некоторых случаях и сейчас. Первые исследования по механике сыпучих материалов являются экспериментальными, в которых устанавливаются зависимости объемного (либо весового) расхода сыпучего материала и распределения сил от форм и размеров емкостей и от свойств сыпучей среды. Теоретические исследования появились значительно позже экспериментальных после создания моделей сыпучей среды, которые отражают ее основные свойства и позволяют решать практические задачи. Из известных работ впервые функциональную зависимость расхода сыпучего материала на основании обобщения экспериментальных данных получил Е. Хаген [9] в 1852 году в таком виде: где q - расход сыпучего материала, D - диаметр отверстия, h - высота столба сыпучего тела, d - диаметр частиц, С - постоянный коэффициент. Впервые формулу для определения давления столба сыпучего материала на выработку в горном деле предложил французский физик Кулон в 1773 г. в таком виде: P = pgx, где Р - давление столба сыпучего материала, высота которого равна х; р -плотность материала столба сыпучего материала; g - ускорение свободного падения. Первая экспериментальная работа по определению сил, действующих на зерновой материал в емкости, была выполнена в 1882 году И. Робертсом. Изучая движение зерна из призматических сосудов разных размеров с квадратными и шестиугольными поперечными сечениями, он пришел к заключению, что усилие, действующее на дно сосуда, значительно меньше веса зерна. При любой высоте столба зерна в сосуде, превышающей удвоенную ширину дна, давление на дно остается практически неизменным. Автором была получена следующая формула: F = C-A-D-W где F - сила, действующая на дно сосуда, А - площадь дна сосуда, D - диаметр вписанной окружности в дно, W - вес единицы объема сыпучего материала, С -коэффициент пропорциональности, С = 1,03. Несколько позже М. Фрид [10], проведя серию экспериментов по определению давления зерна на дно и стенки моделей силосов с квадратным поперечным сечением, отметил, что сила давления на дно значительно меньше веса зернового столба, и объяснил это передачей части веса зерна на стенки сосуда в виде сил, действующих на распор и трение. Анализ кривых зависимостей бокового давления от веса засыпанного в силос зерна, полученных А. Е. Делакроа [11], позволяет сделать вывод, что давление с глубиной возрастает, но с некоторой глубины остается неизменным, что согласуется с работой И. Робертса. Ряд последующих работ зарубежных и советских ученых М. С. Берн-штейна [12,13], Л. М. Емельянова [14], М. И. Хаймовича [15] и других в этой области подтвердили ранее полученные зависимости. Но теоретического обоснования найденных эмперических закономерностей к тому времени не существовало. Впервые на возможность формирования сводов в сыпучей среде обратил внимание В. А. Надеждин в 1891 г. В работе [16] на основе им предложенной теории, автор определяет давление сыпучей среды на дно и стенки сосуда и устанавливает условия истечения из отверстий. Критическое отношение к теории сводов В. Надеждина высказал И. С. Карчевский [17], положивший в основу теории давлений зерна в силосе равновесие призмы и пирамиды обрушения.
Допущения о форме бункера. Размеры и объем бункеров
Помимо работ, направленных на исследование процесса слежи-вания, существует ряд работ, исследующих оптимальные условия для улучшения протекания процесса слеживания.
Например, в работе [73] исследуются методы определения слеживаемости удобрений. Сущность одного из методов заключается в том, что партию удобрений в мешках закладывают на длительное (6-Ю месяцев) хранение и через некоторые промежутки времени определяют степень слежалости с помощью рассева на сите. Ускоренные лабораторные методы основаны на моделировании процесса слеживания удобрений и сводится к их брикетированию с последующим испытанием брикетов на разрушение. В данной работе предлагается метод определения слеживаемости удобрений, основанный на кристаллизационных процессах, протекающих на поверхности гранул. В работе выявлена зависимость между слеживаемостью удобрений при их длительном хранении в складских условиях и прочностью гранул, полученных данным методом. Определена степень слеживаемости для удобрений различного состава.
Этим же вопросом посвящены работы [74,75], в которых проводилось измерение слипаемости порошков, аналогичным методом, то ест первоначально проводилось прессование, а потом послойный разрыв, в котором усилие разрыва было перпендикулярно плоскости разрыва. В работе приведены, полученные степени слипаемости для порошков различного состава.
К исследованиям в области зерновых материалов повышенной и избыточной влажности относится работа [76]. В качестве сыпучих ма-териалов использовалась пшеница, ячмень, кукуруза, подсолнечник, соя, зерновые отходы, овес. В результате исследований установлено, что с повышением влажности сыпучего материала, время истечения его из бункера возрастает, причем, при изменении угла наклона стенок днища бункера к вертикали, наименьшее время истечения происходит при угле наклона 30 градусов. С уменьшением угла наклона, время истечения уменьшается, достигает минимума, а при дальнейшем уменьшении угла наклона время растет, так же исследовано влияние диаметра выпускного отверстия на время истечения: чем больше диаметр, тем меньше время истечения. При применении сводоразрушающего устройства снижается время истечения пшеницы из бункера на 6-9%, зерноотходов на 5,6-19,25%, сои засоренной на 5,25-15,47%, чистой на 5,48-17,52%, кукурузы на 6,01-16,46%, подсолнечника на 5,95-16,24%, ячменя на 5,62-17,34%. Авторами установлено, что наименьшее время истечения сыпучего материала из бункера происходит при величине эквивалентного диаметра выгрузного отверстия А/=9,5-11, угле наклона стенок днища бункера к вертикали 30-40 градусов и влажности зерна не выше 12-13%.
Некоторый анализ факторов, влияющих на процесс слеживаемости сыпучих материалов, изложен в работе [77]. Авторами предлагается различные методы определения влажности порошкообразных сыпучих материалов, и приводятся факторы, влияющие на процесс слеживания. Эксперименты проведены с материалами различной влажности. Возрастание сил взаимодействия между частичками, вызывающее повышение слеживаемости, объясняется капиллярным эффектом. Капиллярные силы возникают вследствие образования мениска жидкости в зазоре между частицами. Наблюдаемый рост когезионных сил, то есть сил, обуславливающих сцепление частей одного и того же тела, обуславливающий увеличение слеживаемости, авторы объясняют происходящими изменениями свойств поверхностей контактирующих частиц, ростом концентрации жировых добавок в продукте, повышение липкости (аутогезии) соприкасающихся поверхностей частичек.
В работе [78] изложены исследования антиадгезионных и антифрикционных свойств внутренних покрытий хранилищ на истечение и распределение давления тонкодисперсных продуктов переработки зерна на стенки бункеров и силосов. Применение таких покрытий позволяет направленно изменять давление зернопродукта на стенки хранилища, а сочетание внутренних покрытий с различным коэффициентом внешнего трения обеспечивает устойчивое истечение продуктов переработки зерна из бункеров и силосов.
Исследование влияния адгезионных и аутогезионных сил на устойчивость динамических и статических сводов в зерновых материалах изложены в работе [64]. Автором показано, что своды могут существовать только в сыпучей среде, обладающей трением. Силы трения, адгезии и аутогезии значительно увеличивают устойчивость опоры и звеньев свода. Определено влияние сил аутогезии и адгезии на частоту формирования динамических сводов. Установлены границы перехода динамических сводов в статические. Из изложенного краткого анализа можно сделать следующие выводы: до сих пор не выявлена природа сил, которые возникают в зерновых материалах при длительном хранении и приводящие к слеживаемости; не установлена взаимосвязь между внутренними силами в зерновом материале и его такими основными свойствами, как влажность, засоренность, формой и размерами частиц и др.
Трение при повышенной влажности. Граничное трение и его переход в жидкостное
На процессы хранения и последующую выгрузку зернового материала из бункеров или силосов особенное влияние оказывают физико-механичекие и биологические процессы, происходящие в зерновом материале. К физико-механическим факторам относятся силы трения и силы сцепления, возникающие при соприкосновении зерен между собой и стенками емкости, в которой они находятся. На величину данных параметров ощутимое влияние оказывают процессы уплотнения под давлением насыпи зерна. Зерновки приходят в очень тесное соприкосновение, между ними возникает значительное сцепление, в результате чего зерновая масса частично теряет сыпучесть. Особенно это характерно для нижних слоев насыпи и зерна в углах силосов. Такое слеживание наблюдается в основном при длительном хранении (больше года) без перемещения. Очищенная пшеница может уплотняться до 0,6% своего объема, а овес на 28% объема [86]. Зерно влажное и сырое слеживается даже при непродолжительном хранении значительно быстрее, чем сухое. Стены силосов под давлением зерна могут несколько оседать, а зерно подвергаться дополнительному уплотнению-осадке, что так же является одним из проявлений физического характера слеживания зерна в силосах.
Биологические факторы [86], влияющие на стойкость зерна при хранении, можно условно разделить на две группы: биологические факторы, определяемые природой зерна (химический состав, морфологическое и анатомическое строение) и биологические факторы из внешних источников. Из последних можно выделить прочно взаимосвязанные с зерновой массой (микроорганизмы) и слабосвязанные с зерновой массой, наличие которых можно избежать (вредители хлебных запасов).
Трение возникает при относительном перемещении двух соприкасающихся твердых тел (трение скольжения) или при попытках вызвать такое перемещение (трение покоя). Трение так же наблюдается при относительном перемещении частей одного и того же сплошного тела. [80] Учитывая то, что частицы зернового материала представляют собой твердое тело, можно обозначить трение, возникающее между зерновым материалом и стенкой бункера как внешнее трение, а трение, возникающее между зернами как внутреннее трение.
Различают так же сухое и жидкостное (вязкое) трение. Сухое трение возникает между поверхностями твердых тел в отсутсвии смазки ( то есть жидкостной прослойки) между ними. Жидкостным называется трение между твердым телом и жидкой средой, а так же между слоями этой среды[80]. 3.1.1. Трение при кондиционной и меньше влажности зерна.
В зерновом материале кондиционной влажности количество влаги в зерне ничтожно мало и не оказывает существенного влияния на трение в зерновом материале. Зерно считается сухим. Силы трения зерен между собой и стенками бункера носит характер сухого.
Опытным путем установлено, что максимальная сила трения покоя не зависит от площади соприкосновения тел и приблизительно пропорциональна модулю силы нормального давления N, прижимающей трущиеся поверхности друг к другу: где //0 - коэффициент трения покоя, зависящий от природы трущихся поверхностей[80]. Аналогичная зависимость имеет место и для силы сухого трения скольжения: где fi - коэффициент трения скольжения, зависящий от природы и состояния взаимодействующих поверхностей. Основной закон сухого трения в таком виде был найден еще Леонардо да Винчи (в 1508 году ) и почти через 200 лет дополнен французскими физиками Амонтоном и Кулоном. F = fi-N + Fot где F0 -касательная к поверхности раздела тел, составляющая сил сцепления. Сухое зерно находится в состоянии неполного анабиоза[86] (обезвоживание). Полный анабиоз возможен при глубоком высушивании и обычных температурах, а так же при охлаждении до низких температур или при сочетании высушивания и охлаждения. В природе полный анабиоз встречается при благоприятном сочетании условий внешней среды. Известны случаи сохранения жизнедеятельности семян и растений, находящихся в полном анабиозе в течение многих лет. При неполном анабиозе разрушительные процессы имеют место, но протекают они с небольшой интенсивностью. Жизнеспособность сохраняется при этом в течение длительного времени. Помимо этого, существенную роль в увеличении трения зерновых материалов, играют вредители хлебных запасов. В результате их воздействия нарушается структура зерна, поверхность приобретает шероховатый вид, что создает дополнительное трение и ухудшает выгрузку зернового материала из емкости. Состав вредителей хлебных запасов включает в себя ряд видов животных (как беспозвоночных, так и позвоночных), групп некоторых видов клещей, насекомых, птиц и млекопитающих. Не менее важную роль играют и примеси, попадающие в зерновой материал в процессе уборки. Основными группами примесей в массе зерна является зерновая примесь (примесь неполноценных зерен основной культуры, а так же зерна других культурных растений) и сорная примесь (примесь органического и неорганического происхождения). В реальных условиях заготовки и поставок зерна примеси будут всегда присутствовать, так как убрать, высушить, очистить и перемешать массу зерна невозможно без того, что бы в массу основного зерна не попали бы примеси-частицы земли, песка, травмированных зерновок, частиц растений, колосовых частиц, семян сорняков, семян неосновной культуры [86]. 3.1.2. Трение при повышенной влажности. Граничное трение и его переход в жидкостное. Вода в зерне является важнейшим фактором всех биологических, физико-механических и физико-химических процессов. Многогранность функций воды в зерне с охватом всех его тканей и соединений означает обязательное участие воды в формировании физических, биологических, физико-механических, физико-химических свойств и признаков зерна. Физико-химически связанная влага представляет собой адсорбционно связанную влагу [86]. Она входит в состав материалов в различных не строго определенных соотношениях. При этом вода меняет свои свойства. Энергия связи средней интенсивности. Вода может быть удалена из материала высушиванием. Физико-механически связанная влага представляет собой структурно связанную влагу, находящуюся в микро- и макрокапиллярах, и влагу смачивания. Вода механически удерживается в зерне. Основная масса связанной влаги является свободной и сохраняет свои свойства.
Взаимосвязь между внутренними и внешними силами в зерновых материалах, имеющих повышенную и избыточную влажность
Сухое зерно находится в состоянии неполного анабиоза[86] (обезвоживание). Полный анабиоз возможен при глубоком высушивании и обычных температурах, а так же при охлаждении до низких температур или при сочетании высушивания и охлаждения. В природе полный анабиоз встречается при благоприятном сочетании условий внешней среды. Известны случаи сохранения жизнедеятельности семян и растений, находящихся в полном анабиозе в течение многих лет. При неполном анабиозе разрушительные процессы имеют место, но протекают они с небольшой интенсивностью. Жизнеспособность сохраняется при этом в течение длительного времени.
Помимо этого, существенную роль в увеличении трения зерновых материалов, играют вредители хлебных запасов. В результате их воздействия нарушается структура зерна, поверхность приобретает шероховатый вид, что создает дополнительное трение и ухудшает выгрузку зернового материала из емкости. Состав вредителей хлебных запасов включает в себя ряд видов животных (как беспозвоночных, так и позвоночных), групп некоторых видов клещей, насекомых, птиц и млекопитающих.
Не менее важную роль играют и примеси, попадающие в зерновой материал в процессе уборки. Основными группами примесей в массе зерна является зерновая примесь (примесь неполноценных зерен основной культуры, а так же зерна других культурных растений) и сорная примесь (примесь органического и неорганического происхождения). В реальных условиях заготовки и поставок зерна примеси будут всегда присутствовать, так как убрать, высушить, очистить и перемешать массу зерна невозможно без того, что бы в массу основного зерна не попали бы примеси-частицы земли, песка, травмированных зерновок, частиц растений, колосовых частиц, семян сорняков, семян неосновной культуры [86]. 3.1.2. Трение при повышенной влажности. Граничное трение и его переход в жидкостное. Вода в зерне является важнейшим фактором всех биологических, физико-механических и физико-химических процессов. Многогранность функций воды в зерне с охватом всех его тканей и соединений означает обязательное участие воды в формировании физических, биологических, физико-механических, физико-химических свойств и признаков зерна. Физико-химически связанная влага представляет собой адсорбционно связанную влагу [86]. Она входит в состав материалов в различных не строго определенных соотношениях. При этом вода меняет свои свойства. Энергия связи средней интенсивности. Вода может быть удалена из материала высушиванием. Физико-механически связанная влага представляет собой структурно связанную влагу, находящуюся в микро- и макрокапиллярах, и влагу смачивания. Вода механически удерживается в зерне. Основная масса связанной влаги является свободной и сохраняет свои свойства. Повышенная влажность зерновой массы или отдельных ее частей приводит к интенсификации диссимиляционных процессов в самом зерне, усилению жизнедеятельности микроорганизмов. Происходит снижение или полная потеря всхожести, уменьшение массы зерна, накопление тепла, повышение температуры, влажности и в конечном счете глубокая порча зерновой массы. При работе с зерном экономические затраты напрямую зависят от его влажности. Расчеты показывают, что при перевозке зерна влажностью 14,5% в вагоне грузоподъемностью 70 тонн приходиться оплачивать перевозку двух тонн "лишней" воды, по сравнению с перевозкой этого же зерна влажностью 12%. В зерновом материале влажностью выше 35% имеет место жидкостное трение [64]. Сила трения ведущего слоя с промежуточным, сила трения промежуточного слоя с ведомым и сила трения зерен о стенки бункера определяются по формулам (2.4.22) и (2.4.2). В реальных условиях зерновой материал может иметь от 10% до 35% влаги. Трение, возникающее в таком материале нельзя назвать сухим, так как слой жидкости между поверхностями есть, но его нельзя отнести к жидкостному трению, так как для жидкостного трения толщина слоя недостаточна [87] .Такое трение было названо граничным. Термин " граничное трение " был введен в 1922 году В. Гарди. В физической и технической литературе явление трения классифицируют как " трение идеально чистых (ювенильных) поверхностей ", вполне свободных от молекул, чуждых твердым телам, между которыми происходит трение как процесс прямого взаимодействия между ними, и о " гидравлическом трении " в условиях, когда среда, разделяющая твердые поверхности, подчиняется при трении законам гидродинамики вязкой жидкости, в первую очередь, уравнению Ньютона, следовательно, этот термин определяет процессы трения, характеризуемые вязкостью как важнейшим физико-механическим свойством смазочной среды. Граничное трение является промежуточным между трением ювенильных поверхностей и гидродинамическим трением или, другими словами, между " сухим " и " жидкостным " трением. Граничное трение наблюдается во всех случаях, когда весьма тонкий слой третьей фазы, разделяющей твердые поверхности, находится в границах их влияния на смазочное вещество. По гипотезе А.С.Ахматова [87], граничное трение выражается уравнением, в котором учитывается одновременное наличие силы трения, определяемой по закону Амонтона-Кулона, и силы трения, определяемой по закону Ньютона. Исследования показали, что в интервале влажности от 10 % до 35 % сила трения носит характер граничного трения и определяется выражением: При решении теоретической задачи о нахождении зависимости расхода трудносыпучего зернового материала от времени необходимо учитывать все перечисленные в данном разделе силы взаимодействия зерен между собой и стенками емкости, а если влажность зернового материала не превышает 35% необходимо учитывать и силы сухого трения. В свежеубранном и долго хранившемся зерне всех культур возможно развитие микроорганизмов. Прежде всего, развиваются плесневые грибы из группы плесеней хранения. Они более приспособлены к существованию в зерновой массе, чем находящиеся в ней бактерии, дрожжи и актиномицеты. Микроорганизмы проникают в зерновую массу и накапливаются там различными путями, главным из которых является поступление из почвы, контактирующей с корнями растений. В колосья и на зерновки микроорганизмы из воды и воздуха, осадками, заносятся ветром, а так же мигрирующими насекомыми и в процессе вегетации.
