MOLIWO ZASTOSOWANIA POMIARU PRDKOCI FAL AKUSTYCZNYCH DO WYZNACZANIA PARAMETRÓW SPRYSTOCI MATERIAŁÓW SYPKICH

Transkrypt

1 Technica Agraria 1(2) 2002, MOLIWO ZASTOSOWANIA POMIARU PRDKOCI FAL AKUSTYCZNYCH DO WYZNACZANIA PARAMETRÓW SPRYSTOCI MATERIAŁÓW SYPKICH Mateusz Stasiak, Marek Molenda, Mirosław J. Lipiski Streszczenie. Wartoci modułu sprystoci E złoa nasion pszenicy i rzepaku wyznaczono metod znan w geotechnice. Polega ona na obliczeniu jego wartoci na podstawie prdko- ci poprzecznych fal akustycznych. Testy przeprowadzono dla kondycjonalnej wilgotnoci złó nasion. Wartoci modułu sprystoci otrzymane dla pszenicy w zakresie od 23,6 do 88,1 MPa oraz otrzymane dla rzepaku (od 26,3 do 67,0 MPa) zaleały od cinienia hydrostatycznego i były wysze od otrzymanych w wyniku testów jednoosiowego ciskania. Słowa kluczowe: rzepak, pszenica, parametry sprystoci, prdko fal poprzecznej WSTP Przemysły rolniczy i spoywczy w duej mierze przetwarzaj materiały sypkie, które wystpuj zarówno jako surowiec (np.: zboa, nasiona), jak i produkt (np.: cukier, mki, kasze, ruty). W przemyle rolno-spoywczym materiały te poddawane s licznym operacjom technologicznym, a to z kolei powoduje potrzeb badania ich właciwoci. Precyzyjna wiedza o reakcji materiału na obcienia mechaniczne złoa wystpujce w czasie zbioru, przechowywania, transportu, dozowania czy przetwarzania jest niezbdnym elementem optymalizacji procesu oraz projektowania urzdze biorcych udział w cigach technologicznych. Złoone reakcje mechaniczne złó biologicznych materiałów sypkich wynikaj zarówno z ich trójfazowej budowy, struktury geometrycznej, jak i właciwoci sprysto-plastycznych pojedynczych ziaren. Blisze poznanie reakcji złoa na obcienie pozwoli lepiej przewidywa jego zachowanie w projektowanych procesach technologicznych. Dziki temu mona unikn strat, które podnosz koszty lub te obniaj jako produktu kocowego.

2 90 M. Stasiak, M. Molenda, M. J. Lipiski CEL BADA Na obecnym etapie rozwoju technik pomiarowych oraz duego postpu standaryzacji procedur pomiarowych poszukuje si optymalnych rozwiza bada właciwoci sypkich materiałów rolniczych. Podejmuje si próby zastosowania metod stosowanych przez współczesn technik, ale równie adaptuje si sprawdzone metody z innych działów mechaniki [Sawicki 1994, Lipiski 2000, Eurocode 1, PN-89/B-03262, Dyduch i in. 2000]. W prezentowanych badaniach do okrelenia stałych sprystoci złoa materiału sypkiego zastosowano metod wyznaczania prdkoci fal akustycznych w próbce materiału, poddanej cinieniu hydrostatycznemu. Metoda ta wykorzystywana jest w mechanice gruntów [Lipiski 2000] jednak dotychczas nie stosowano jej do wyznaczania właciwoci biologicznych materiałów sypkich. MATERIAŁ I METODA Metody pomiaru prdkoci rozchodzenia si fal akustycznych stosowane s w geotechnice do celów eksploracyjnych od pocztku lat szedziesitych. Zastosowanie przetwornika piezoelektrycznego typu bender umoliwiło znaczny rozwój zastosowa [Lipiski 2000], gdy zaistniała moliwo wyznaczenia prdkoci fal poprzecznych, dajca szersze moliwoci interpretacyjne poprzez zwizki z parametrami materiałowymi. Piezoelement odbiorczy Oscyloskop T H Piezoelement nadawczy Selektywny wzmacniacz Generator fal Rys. 1. Schemat stanowiska do pomiaru prdkoci poprzecznych fal akustycznych Fig. 2. Experimental set constructed to determine shear wave velocity Drgania wywołane przez fale akustyczne w próbce materiału maj bardzo niewielk amplitud odkształcenia rzdu m. Odpowiada to zakresowi odkształce spr- ystych złoa materiału. Dziki temu, stosujc zalenoci prdkoci rozchodzenia si fali akustycznej od gstoci w sprystym orodku izotropowym, mona wyznaczy moduł odkształcenia postaciowego, a nastpnie moduł sprystoci zaleny od gstoci, Acta Sci. Pol.

3 Moliwo zastosowania pomiaru prdkoci fal akustycznych prdkoci fali poprzecznej oraz współczynnika Poissona materiału [Fung 1969, Timoshenko i Goodier 1970, Jastrzbski i in. 1985]: E = 2 V s2 (1 + ) (1) gdzie: E moduł sprystoci, MPa, gsto objtociowa, kg m -3, V s prdko fali poprzecznej, m s -1, współczynnik Poissona. Badania złoa ziarna pszenicy i nasion rzepaku o wilgotnoci kondycjonalnej przeprowadzono w komorze hydrostatycznego ciskania z moliwoci generowania i rejestracji fal akustycznych dziki czujnikom piezoelektrycznym umiejscowionym w podstawie i kopułce aparatu (zakres czstotliwoci od 1 do 10 khz) (rys. 1). Generator równoczenie wysyła sygnał do piezoelementu i bezporednio do oscyloskopu tak, e mona dokładnie okreli czas, po jakim sygnał dociera do elementu odbiorczego. W ten sposób mona wyznaczy prdko propagacji fal akustycznych, która zaley od właciwoci sprystych złoa. Badania przeprowadzono w przedziale cinienia hydrostatycznego od 10 do 90 kpa zwikszanego co 10 kpa. W kadym przypadku rednica pocztkowa próbki wynosiła 70 mm, a wysoko 150 mm. W czasie eksperymentu mierzono zmieniajc si w trakcie zwikszania cinienia wysoko próbki. Czstotliwo poprzecznych fal akustycznych wynosiła 4 khz. WYNIKI Stwierdzono, e prdko fali akustycznej zaley od cinienia hydrostatycznego wywieranego na próbk materiału i zwiksza si w miar jego wzrostu. Wyznaczone prdkoci fal akustycznych zawierały si dla pszenicy w przedziale od 106 m s -1 przy ci- nieniu 10 kpa do 204 m s -1 przy 90 kpa, natomiast dla rzepaku odpowiednio od 119 do 190 m s -1 (rys. 2). Prdko fal akustycznych, m s rzepak pszenica Cinienie hydrostatyczne p h, kpa Rys. 2. Przebieg zalenoci prdkoci fal akustycznych od cinienia hydrostatycznego otrzymany dla złoa ziarna pszenicy i rzepaku Fig. 2. Relationship between hydrostatic pressure and shear wave velocity determined for wheat and rapeseed Technica Agraria 1(2) 2002

4 92 M. Stasiak, M. Molenda, M. J. Lipiski Tabela 1. Wartoci modułu sprystoci rzepaku i pszenicy Table 1. Modulus of elasticity of rapeseed and wheat determined in experiments Cinienie hydrostatyczne p h Hydrostatic pressure p h kpa E obliczone dla = 0,2 E evaluated for = 0,2 MPa E obliczone dla = 0,4 E evaluated for = 0,4 MPa Rzepak Rapeseed 10 22,6 ± 1,9 26,4 ± 2, ,9 ± 0,9 33,8 ± 1, ,6 ± 0,6 40,4 ± 0, ,7 ± 0,5 45,1 ± 0, ,5 ± 1,3 49,6 ± 1, ,4 ± 1,6 53,0 ± 1, ,4 ± 1,8 57,6 ± 2, ,5 ± 0,7 62,4 ± 0, ,5 ± 1,0 67,1 ± 1,2 Pszenica Wheat 10 20,2 ± 3,3 23,6 ± 3, ,8 ± 4,6 31,3 ± 5, ,8 ± 6,5 41,8 ± 7, ,8 ± 9,4 48,8 ± 11, ,9 ± 8,5 61,8 ± 9, ,6 ± 7,2 70,7 ± 8, ,6 ± 4,2 76,5 ± 5, ,1 ± 7,6 82,9 ± 8, ,4 ± 7,4 88,0 ± 8,6 Zakresy otrzymanych wartoci modułu sprystoci dla pszenicy zmieniały si w szerszym zakresie ni dla rzepaku. Moduł sprystoci zmieniał si w zakresie od 23,6 do 88,1 MPa dla złoa pszenicy odpowiednio przy minimalnym i maksymalnym cinieniu oraz od 26,3 do 67,0 MPa dla złoa rzepaku (tab. 1). Wartoci modułu sprystoci s wysze od otrzymanych z bada edometrycznych przeprowadzonych dla złoa pszenicy o wilgotnoci od 10 do 20% i rzepaku od 6 do 16% [Molenda i Stasiak 2001]. Otrzymane wówczas wartoci malej wraz ze wzrostem wilgotnoci i zawieraj si dla pszenicy w zakresie od 11,1 MPa dla wilgotnoci 20% do 22,4 MPa dla wilgotnoci 10% i odpowiednio od 6,6 do 9,0 MPa dla rzepaku. Rónice te wynikaj z zakresu odkształce, który dla fal akustycznych w próbce materiału wynosi m, podczas gdy w badaniach jednoosiowego ciskania odkształcenia siga 12% wysokoci próbki. WNIOSKI 1. Metoda przyjta w badaniach nadaje si do wyznaczania właciwoci mechanicznych rzepaku i pszenicy, daje moliwo wyznaczenia stałych materiałowych w szerokim zakresie cinienia, w rónych stanach naprenia oraz w zakresie niewielkich odkształce wzgldnych próbki (do ok. 2%). 2. Prdko fal akustycznych w próbkach rzepaku i pszenicy zaley od wartoci ci- nienia hydrostatycznego. 3. W wyniku przyjtego zakresu odkształcenia wartoci modułu sprystoci s wysze od otrzymanych w wyniku bada edometrycznych. Acta Sci. Pol.

5 Moliwo zastosowania pomiaru prdkoci fal akustycznych PIMIENNICTWO Dyduch M., Kamiski M., Łapko A., Runkiewicz L., Nowelizacja normy PN-89/B elbetowe zbiorniki na materiały sypkie i kiszonki. Obliczenia statyczne i projektowanie. Mat. Konf. elbetowe i sprone zbiorniki na materiały sypkie i ciecze, 65 69, wieradów Zdrój. Eurocode 1, Basis of design and actions on structures. Part 4. Actions in silos and tanks. DDENV Fung Y. C., Podstawy mechaniki ciała stałego. PWN Warszawa. Jastrzbski P., Mutermilch J., Orłowski W., Wytrzymało materiałów. Arkady Warszawa. Lipiski M. J.: Laboratoryjne pomiary prdkoci fal akustycznych dla okrelenia parametrów geotechnicznych. Maszynopis. Molenda M., Stasiak M., Zastosowanie testu jednoosiowego ciskania do wyznaczania właciwoci mechanicznych złoa ziarna zbó. In. Roln. 13(33), , Warszawa. PN-89/B Zbiorniki elbetowe na materiały sypkie i kiszonki. Obliczenia statyczne i projektowanie. Sawicki A., Elasto-plastic interpretation of oedometric test. Archives of Hydro-Engineering and Environmental Mechanics 41 (1 2), Timoshenko S. P., Goodier J. N., Theory of elasticity. Tokyo. POSSIBILITY OF DETERMINATION ELASTIC PARAMETERS OF GRANULAR MATERIALS BASED ON MEASUREMENT OF SHEAR WAVE VELOCITY Abstract: Values of modulus of elasticity E of wheat and rapeseed beds were determined with method adopted from geotechnique and based on measurement of shear wave velocity. Tests were performed for bedding of wheat and rapeseed under equilibrium moisture content. Values of modulus of elasticity for wheat obtained in a range from 23.6 to 88.1 MPa and those for rapeseed (from 26.3 to 67.0 MPa) were found to depend on hydrostatic pressure and were higher then those determined in uniaxial compression test. Key words: grain, wheat, rapeseed, elastic parameters, shear wave velocity Mateusz Stasiak, Marek Molenda, Instytut Agrofizyki PAN, ul. Dowiadczalna 4, Lublin, mstasiak@demeter.ipan.lublin.pl Mirosław J. Lipiski, Katedra Geotechniki SGGW, ul. Nowoursynowska 166, Warszawa Technica Agraria 1(2) 2002