Technica Agraria 1(2) 02, 81-87 WPŁYW WYBRANYCH PARAMETRÓW NA WŁACIWOCI CIERNE ZIARNA ZBÓ Józef Horabik, Robert Rusinek, Marek Molenda, Mateusz Stasiak Streszczenie. W pracy przedstawiono wyniki bada współczynnika tarcia ziarna zbó (jczmienia, pszenicy, owsa i yta) o materiały konstrukcyjne: blach stalow ocynkowan, blach nierdzewn oraz beton B 30. Pomiary przeprowadzono w aparacie bezporedniego cinania Jenikego przy naporze normalnym w zakresie 60 kpa według procedury zalecanej przez norm Eurocode 1 oraz w aparacie z płyt uchyln przy naporze w zakresie kpa dla piciu poziomów wilgotnoci ziarna. Stwierdzono, jak wartoci współczynnika tarcia badanych materiałów zale od rodzaju materiału konstrukcyjnego, wła- ciwoci powierzchniowych ziarna, wilgotnoci i naporu normalnego. Słowa kluczowe: współczynnik tarcia, ziarno zbó, materiał konstrukcyjny, napór normalny, wilgotno WSTP Ziarno zbó w trakcie procesów przetwarzania podlega licznym operacjom technologicznym. Przy opracowywaniu nowych konstrukcji maszyn i urzdze oraz przy wprowadzaniu nowych technologii przerobu niezbdna jest m.in. wiedza o zachowaniu si złoa ziarna w warunkach zewntrznych obcie mechanicznych. Jedn z podstawowych właciwoci mechanicznych ziarna jest współczynnik tarcia o materiały konstrukcyjne. Współczynnik tarcia zewntrznego charakteryzuje opory ruchu wzgldnego pomidzy materiałem konstrukcyjnym urzdze technologicznych a ziarnem. Oprócz właciwoci powierzchniowych materiału konstrukcyjnego [Thompson i in. 1983, Thompson i in. 1988, Zhang i in. 1996] i naporu normalnego istotny wpływ na warto tego parametru maj właciwoci ziaren tworzcych orodek: kształt, wymiary, powierzchniowe właciwoci cierne i wilgotno. Norma Eurocode 1 [1996], a take zmodyfikowana aktualnie Polska Norma [Dyduch i in. 00], zaleca wyznacza parametry mechaniczne materiałów sypkich w cile okrelonych warunkach odpowiadajcych obcieniom eksploatacyjnym. Według normy Eurocode 1 współczynnik tarcia, słucy do obliczania parcia materiału sypkiego,
82 J. Horabik, R. Rusinek, M. Molenda, M. Stasiak naley wyznacza przy maksymalnej wartoci naporu normalnego w silosie, za kt tarcia, słucy do okrelenia warunków tarcia o powierzchni leja wysypowego podczas opróniania, przy moliwie niskim naporze normalnym. MATERIAŁ I METODY Badania współczynnika tarcia o materiały konstrukcyjne przeprowadzono w aparacie bezporedniego cinania Jenikego [Jenike 1961] według procedury zalecanej przez norm Eurocode 1 oraz w aparacie z płyt uchyln (rys. 1 i 2). Pomiary w aparacie z płyt uchyln przeprowadzono w zakresie naporu normalnego od do kpa, a w aparacie Jenikego w zakresie 60 kpa, odpowiadajcym naporowi poziomemu na cian redniej wielkoci silosu. σ n 4 τ 3 2 1 τ 1 τ Rys. 1. Metoda wyznaczania współczynnika tarcia o cian w aparacie bezporedniego cinania Jenikego Fig. 1. The method of determination of the wall friction coefficient in the Jenike shear cell Metoda wyznaczania współczynnika tarcia w aparacie bezporedniego cinania Jenikego polega na pomiarze oporów tarcia towarzyszcych przemieszczaniu badanego materiału konstrukcyjnego (1), zastpujcego doln cz komory pomiarowej, wzgldem górnej czci komory (2) (rys. 1). W przeprowadzonych badaniach komor pomiarow zasypywano ziarnem (3) bez wibracji oraz innych sił zagszczajcych, po czym obciano poprzez pokryw (4) do momentu uzyskania naporu równego 100 kpa. Przy tym naporze wykonywano standardowe obroty pokryw (4), o kt 10 stopni w obu kierunkach, w celu dodatkowej konsolidacji materiału. Nastpnie napór redukowano do przyjtej wartoci pomiarowej i rozpoczynano pomiar wartoci współczynnika tarcia. Przebieg naprenia stycznego rejestrowano na drodze ok. mm. Prdko przemieszczenia wynosiła 0,35 mm s -1. Sił styczn mierzono tensometrycznym czujnikiem siły o zakresie 500 N i dokładnoci ± N. Do wyznaczenia współczynnika tarcia przyjmowano ustabilizowan warto naprenia stycznego, jakie powstawało po przebyciu co najmniej połowy całkowitej drogi tarcia (rys. 1). W celu uniknicia redukcji współczynnika tarcia zewntrznego, pojawiajcej si wraz z liczb wykonanych cykli pomiarowych na skutek osiadania kutyny na powierzchni tarcia [Bucklin i in. 1989], po kadym pomiarze powierzchni blachy przemywano czterochlorkiem wgla. Współczynnik tarcia obliczano z zalenoci: w Acta Sci. Pol.
Wpływ wybranych parametrów na właciwoci cierne ziarna zbó 83 gdzie: naprenie styczne, n naprenie normalne τ µ = (1) Współczynnik tarcia o materiał konstrukcyjny w zakresie niskiego naporu normalnego wyznaczano w aparacie z płyt uchyln [Molenda i in. 00] (rys. 2). Na płaskiej płycie formowano próbk ziarna o wymiarach 0,2 m na 0,2 m i wysokoci mm wewntrz ramki (3) o pomijalnej masie. Przed rozpoczciem pomiaru ramk unoszono ponad powierzchni materiału konstrukcyjnego (5) za pomoc podkładek dystansowych na wysoko ok. 1 mm w celu uniknicia tarcia pomidzy powierzchni ramki i badanego materiału. Próbk ziarna (4) obciano grawitacyjnie poprzez sztywn pokryw (2), po czym za pomoc mechanizmu rubowego (1) zwikszano kt nachylenia płyty aparatu. Tangens kta nachylenia płyty, przy którym nastpował polizg ziarna, przyjmowano jako współczynnik tarcia zewntrznego, w zakresie niskiego naporu. σ n 1 3 2 4 5 Rys. 2. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania kta tarcia w aparacie uchylnym Fig. 2. Scheme of the experimental set for determination of the angle of wall friction using the tilting table Pomiary wykonano dla ziarna pszenicy odmiany Begra, yta odmiany Amilo, jczmienia odmiany Rudnik oraz owsa odmiany Borowiecki. Wyznaczano współczynnik tarcia o blach nierdzewn, stalow ocynkowan oraz beton klasy B 30 przy piciu poziomach wilgotnoci ziarna: 10, 1, 15, 17,5 i %. Kady pomiar wykonano w trzech powtórzeniach. α WYNIKI Współczynnik tarcia ziarna o badane materiały konstrukcyjne zaley od rodzaju materiału, właciwoci powierzchniowych ziarna, wilgotnoci i naporu normalnego (tabele 1, 2 i 3 ). Najwikszy wpływ na współczynnik tarcia miał rodzaj powierzchni materiału konstrukcyjnego. Wartoci współczynnika tarcia o beton otrzymane w aparacie z płyt uchyln oraz w aparacie Jenikego były zblione i zawierały si w przedziale od 0,4 do 0,6. Wartoci te były istotnie wysze od otrzymanych dla blachy ocynkowanej Technica Agraria 1(2) 02
84 J. Horabik, R. Rusinek, M. Molenda, M. Stasiak Tabela 1. rednie wartoci (±odch. st.) współczynnika tarcia ziarna pszenicy odmiany Begra o wilgotnoci w zakresie 10 % o blach nierdzewn, ocynkowan oraz beton B30 wyznaczane przy naporze normalnym w zakresie kpa Table 1. Mean values (±St. Dev.) of the friction coefficient of wheat grain variety Begra at the moisture content of 10 % against stainless steel, galvanized steel and concrete B30 determined at the normal pressure of kpa Wilgotno Moisture content, % 10 1 15 17,5 Napór normalny Normal stress, kpa Współczynnik tarcia o materiały konstrukcyjne Coefficient of wall friction Blacha nierdzewna Stainless steel 0,282 ± 0,005 0,275 ± 0,007 0,249 ± 0,002 0,260 ± 0,004 0,257 ± 0,003 0,265 ± 0,010 0,248 ± 0,009 0,269 ± 0,008 0,259 ± 0,010 0,262 ± 0,009 0,335 ± 0,003 0,310 ± 0,003 0,280 ± 0,003 0,287 ±0,004 0,292 ± 0,008 0,383 ± 0,003 0,344 ± 0,004 0,323 ± 0,005 0,326 ± 0,001 0,313 ± 0,007 0,414 ± 0,003 0,375 ± 0,009 0,346 ± 0,004 0,341 ± 0,009 0,335 ± 0,012 Blacha stalowa ocynkowana Galvanized steel 0,32 ± 0,005 0,30 ± 0,008 0,27 ± 0,004 0,26 ± 0,003 0,23 ± 0,011 0,34 ± 0,007 0,31 ± 0,011 0,28 ± 0,008 0,27 ± 0,004 0,26 ± 0,006 0,34 ± 0,013 0,33 ± 0,003 0,31 ± 0,013 0,29 ± 0,003 0,26 ± 0,021 0,42 ± 0,016 0,41 ± 0,019 0,42 ± 0,022 0,37 ± 0,016 0,35 ± 0,017 0,44 ± 0,007 0,42 ± 0,003 0,41 ± 0,007 0,40 ± 0,009 0,34 ± 0,026 Beton B30 Concrete B 30 0,422 ± 0,010 0,388 ± 0,012 0,425 ± 0,015 0,399 ± 0,013 0,409 ± 0,022 0,379 ± 0,006 0,438 ± 0,012 0,408 ± 0,015 0,458 ± 0,016 0,434 ± 0,010 0,476 ± 0,011 0,458 ± 0,006 0,441 ± 0,026 0,476 ± 0,011 0,462 ± 0,013 0,479 ± 0,012 0,494 ± 0,013 0,472 ± 0,006 27 ± 0,006 0,494 ± 0,013 36 ± 0,050 46 ± 0,007 0,483 ± 0,006 27 ± 0,006 08 ± 0,011 i nierdzewnej o 30 50%. W przypadku tarcia ziarna o wilgotnoci 10% o beton współczynnik tarcia był najniszy dla owsa i yta i wynosił rednio w całym zakresie wysokiego naporu odpowiednio: 0,33 (owies), 0,34 (yto) oraz niskiego naporu 0,36 (owies), 0,35 (yto). Ze wzrostem wilgotnoci ziarna rosła warto współczynnika tarcia o wszystkie trzy badane materiały. Najwikszy wzrost stwierdzono w przypadku ziarna pszenicy. W zakresie niskiego naporu przy wzrocie wilgotnoci od 10 do % redni wzrost współczynnika tarcia o blach nierdzewn wyniósł 37%, blach ocynkowan 46%, a o beton 27%. W zakresie wysokiego naporu wzrost ten wyniósł odpowiednio: 83, 32 i 22% (rys. 3). W przypadku blachy ocynkowanej i nierdzewnej współczynnik tarcia otrzymany w aparacie z płyt uchyln był wyszy od otrzymanego w aparacie Jenikego. Przyczyn wzrostu współczynnika tarcia wraz ze zmniejszaniem naporu normalnego jest rosncy udział sił adhezji w przypadku powierzchni o niewielkiej szorstkoci. Acta Sci. Pol.
Wpływ wybranych parametrów na właciwoci cierne ziarna zbó 85 0,7 0,6 µ 0,4 0,3 µ blacha nierdzewna [stainless steel] µ blacha ocynkowana [galvanized steel] µ beton B30 [concrete B30] 0,2 0,1 10 1 15 17,5 Wigotno [%] Moisture content [%] Rys. 3. Wartoci współczynnika tarcia dla piciu poziomów wilgotnoci pszenicy odmiany Begra Fig. 3. Values of the wall friction coefficient for five levels of moisture content of wheat grain variety Begra Tabela 2. Współczynnik tarcia ziarna zbó (o wilgotnoci 10%) o materiały konstrukcyjne wyznaczany przy naporze normalnym w zakresie 60 kpa Table 2. Wall friction coefficient of cereals grain (at the moisture content of 10%) determined at the normal stress in the range of 60 kpa Materiał Material Jczmie Rudnik Barley var. Rudnik Owies Borowiak Oat var. Borowiak yto Amilo Rye var. Amilo Napór normalny Normal stress, kpa 30 40 50 60 30 40 50 60 30 40 50 60 Blacha nierdzewna Stainless steel 0,176 ± 0,006 0,163 ± 0,008 0,157 ± 0,002 0,160 ± 0,006 0,150 ± 0,005 0,158 ± 0,004 0,150 ± 0,001 0,147 ± 0,004 0,148 ± 0,003 0,149 ± 0,004 0,5 ± 0,004 0,195 ± 0,009 0,219 ± 0,013 0,214 ± 0,013 0,218 ± 0,011 Współczynnik tarcia zewntrznego Coefficient of wall friction Blacha stalowa ocynkowana Galvanized steel 0,217 ± 0,014 0,193 ± 0,009 0,173 ± 0,010 0,171 ± 0,003 0,171 ± 0,007 0,195 ± 0,014 0,0 ± 0,008 0,180 ± 0,004 0,180 ± 0,002 0,176 ± 0,003 0,155 ± 0,005 0,169 ± 0,001 0,175 ± 0,014 0,143 ± 0,001 0,150 ± 0,003 Beton B 30 Concrete B 30 0,487 ± 0,013 0,468 ± 0,007 0,451 ± 0,012 0,444 ± 0,004 0,426 ± 0,004 0,345 ± 0,005 0,328 ± 0,001 0,324 ± 0,002 0,327 ± 0,001 0,343 ± 0,009 0,349 ± 0,002 0,354 ± 0,007 0,349 ± 0,006 0,337 ± 0,007 0,337 ± 0,004 Technica Agraria 1(2) 02
86 J. Horabik, R. Rusinek, M. Molenda, M. Stasiak Tabela 3. Współczynnik tarcia ziarna zbó (o wilgotnoci 10%) o materiały konstrukcyjne wyznaczany przy naporze normalnym w zakresie - kpa Table 3. Wall friction coefficient of cereals grain (at the moisture content of 10%) determined at the normal stress in the range of 0.5-2.5 kpa Materiał Material Jczmie Rudnik Barley var. Rudnik Owies Borowiak Oat var. Borowiak yto Amilo Rye var. Amilo Napór normalny Normal stress, kpa Blacha nierdzewna Stainless steel 0,257 ± 0,002 0,242 ± 0,009 0,241 ± 0,012 0,234 ± 0,009 0,226 ± 0,005 0,268 ± 0,004 0,260 ± 0,006 0,246 ± 0,006 0,237 ± 0,004 0,237 ± 0,006 0,230 ± 0,004 0,227 ± 0,010 0,235 ± 0,005 0,213 ± 0,005 0,224 ± 0,001 Współczynnik tarcia zewntrznego Coefficient of wall friction Blacha stalowa ocynkowana Galvanized steel 0,252 ± 0,003 0,244 ± 0,006 0,237 ± 0,010 0,225 ± 0,004 0,228 ± 0,007 0,271 ± 0,010 0,253 ± 0,001 0,255 ± 0,007 0,246 ± 0,007 0,237 ± 0,006 0,196 ± 0,005 0,196 ± 0,005 0,196 ± 0,005 0,194 ± 0,005 0,199 ± 0,008 Beton B 30 Concrete B 30 0,428 ± 0,015 0,402 ± 0,008 0,405 ± 0,018 0,383 ± 0,007 0,408 ± 0,006 0,359 ± 0,015 0,359 ± 0,003 0,356 ± 0,002 0,380 ± 0,021 0,353 ± 0,039 0,369 ± 0,0 0,366 ± 0,019 0,363 ± 0,014 0,329 ± 0,018 0,338 ± 0,009 WNIOSKI 1. W przypadku blachy ocynkowanej i nierdzewnej wraz ze zmniejszaniem naporu normalnego decydujcy wpływ na współczynnik tarcia ma rosncy udział sił adhezji. 2. Ze wzrostem wilgotnoci ziarna rósł współczynnik tarcia o wszystkie trzy badane materiały. 3. Wartoci współczynnika tarcia o beton klasy B 30 otrzymane w aparacie z płyt uchyln oraz aparacie Jenikego były zblione, a zarazem istotnie wysze od otrzymanych dla blachy ocynkowanej i nierdzewnej. PIMIENNICTWO Bucklin R. A., Thompson S. A., Ross I. J., Biggs R. H., 1989. Apparent cofficient of friction of wheat on bin wall material. Transactions of the ASAE 32(5), 1769 1773. Dyduch M., Kamiski M., Łapko A., Runkiewicz L., 00. Nowelizacja normy PN-89/B-03262 elbetowe zbiorniki na materiały sypkie i kiszonki. Obliczenia statyczne i projektowanie. Mat. Konf. elbetowe i sprone zbiorniki na materiały sypkie i ciecze, wieradów Zdrój, 00, 65 69. Eurocode 1, 1996. Basis of design and actions on structures. Part 4. Actions in silos and tanks. DD ENV 1991-4. Jenike A. W., 1961. Gravity flow of bulk solids. Bulletin of the University of Utah, 52(29). Molenda M., Thompson S. A., Ross I. J., 00. Friction of wheat on corrugated and smooth galvanized steel surfaces. J. Agric. Eng. Res. 77(2), 9 219. Acta Sci. Pol.
Wpływ wybranych parametrów na właciwoci cierne ziarna zbó 87 Thompson S. A., Ross I. J., 1983. Compressibility and frictional coefficients of wheat. Transactions of the ASAE 26(4), 1171 1176. Thompson S. A., Bucklin R. A., Batich C. D., Ross I. J., 1988. Variation in the apparent coefficient of friction of wheat on galvanized steel. Transactions of the ASAE 31(5), 1518 1524. INFLUENCE OF SELECTED PARAMETERS ON FRICTION OF CEREALS GRAIN Abstract: This paper presents results of experimental investigations of friction coefficient of cereals grain (barley, wheat, oat, rye) against galvanized steel, stainless steel and concrete B 30. Test were performed in the Jenike shear cell in a range of normal stress 60 kpa according to procedure recommended by the Eurocode 1 and in the tilting table apparatus in a range of normal stress kpa at five levels of moisture content of grain. It was stated, how friction coefficient depends on wall material, surface properties of grain, level of moisture content and normal stress. Key words: coefficient of friction, cereals grain, wall material, normal stress, moisture content Józef Horabik, Robert Rusinek, Marek Molenda, Mateusz Stasiak, Instytut Agrofizyki PAN, ul. Dowiadczalna 4, -290 Lublin, e-mail: jhorabik@demeter.ipan.lublin.pl Prac wykonano w ramach projektu badawczego 5 P06F 021 17 finansowanego przez Komitet Bada Naukowych w latach 1999 02. Technica Agraria 1(2) 02