6. Угол естественного откоса

На практике данными о величине угла естественного откоса пользуются при определении площади штабелирования груза, количества груза в штабеле, объема внутритрюмных штивочных работ, при подсчете величин давления груза на ограждающие его стенки, при расчетах остойчивости судов, учитывающих перемещение груза при крене судна, а также при расчетах погрузочно-разгрузочных и транспор­тирующих устройств.

Справочные данные об углах естественного откоса для одних и тех же насыпных грузов в разных источниках иногда существенно отличаются друг от друга, так как замеры углов производятся раз­личными методами и при разном исходном состоянии исследуемого материала. Например, для пшеницы величина угла естественного откоса, по данным различных авторов, изменяется от 16 до 38°, для углей – от 30 до 45°, для рудных концентратов – от 25 до 50°, для некоторых видов руд – от 30 до 45° и т. д.

Величина угла естественного откоса груза зависит от формы, размера, шероховатости и однородности грузовых частиц, влажно­сти массы груза, способа его отсыпки, исходного состояния и мате­риала опорной поверхности.

Применяются различные методы определения величины угла естественного откоса; к числу наиболее распространенных относятся способы насыпки и обрушения.

Экспериментальное определение сопротивления сдвигу и основных параметров груза производится обычно методами прямого среза, одноосного и трехосного сжатия.

Испытания свойств груза методами прямого среза применимы как к идеальным, так и к связным сыпучим телам. Метод испытания на одноосное (простое) сжатие – раздавливание применим только для оценки общего сопротивления сдвигу связных сыпучих тел при условном допущении, что во всех точках испытываемого образца сохраняется однородное напряженное состояние. Наиболее надежные результаты испытаний характеристик связного сыпучего тела дает метод трехосного сжатия, позволяющий исследовать прочность образца груза при всестороннем сжатии.

Определение угла естественного откоса мелкозернистых веществ (размеры частиц менее 10 мм) производится с помощью «наклонного ящика». Угол естественного откоса в этом случае – угол, образованный горизонтальной плоскостью и верхней кромкой испытательного ящика в тот момент, когда только начнется массовое осыпание вещества в ящике. Размеры ящика: длина 600 мм, ширина 400 мм, высота 2000 мм. С помощью угломера измеряют угол между верхней кромкой ящика и горизонтальной плоскостью с точностью до 0,5 . Угол естественного откоса рассчитывают как среднеарифметическое из трех измерений и округляют до 0,5 .

Судовой метод определения угла естественного откоса вещества используют при отсутствии «наклоняемого ящика». В этом случае угол естественного откоса – это угол между образующей конуса груза и горизонтальной плоскостью. Образец испытуемого вещества высыпают так, чтобы образовался начальный конус. Затем оставшуюся часть очень осторожно высыпают с высоты нескольких миллиметров на вершину конуса так, чтобы форма конуса была симметричной. Угол измеряется в четырех точках на уровне полувысоты конуса, расположенных вокруг конуса с шагом 90 . То же повторяется с двумя другими пробами. За величину естественного откоса принимают среднее арифметическое двенадцати измерений, округленное до 0,5.

Практика производства замеров углов естественного откоса в натурных условиях показывает, что их вели­чина несколько изменяется в зависимости от метода отсыпки груза (струей или дождем), массы исследуемого груза, высоты, с которой производится экспериментальная отсыпка.

Для определения угла естественного откоса в условиях пор­та рекомендована следующая методика. Зерно из бункера объемом 2 м³ высыпается с высоты 2,5 м через отверстие 400х400 мм на ровную бетонную или асфальтированную площадку. Под углом естественного откоса понимается среднее арифметическое значение углов наклона к горизонту образую­щих зернового конуса, измеренных с четырех его сторон. Практическое использование методики показало, что она успешно может быть применена для сухих насыпных грузов со сравнительно однород­ными частицами ограниченного размера, а для увлажненных и крупнокусковых грузов пользоваться этим методом затруднительно из-за зависания материала. Поэтому для производства отсыпки груза при определении угла естественного откоса более целесооб­разно использовать ленточный или скребковый транспортер, обеспе­чивающий сбрасывание груза с высоты 2,5 м.

Угол естественного откоса можно определить и другим способом. Напри­мер, зерно насыпается в ящик с размерами 400х400х1000 и отверстием 300X400, расположенным внизу одной из стенок. После открытия задвижки зерно высыпается в от­гороженный двумя стеклянными стенками лоток. Угол наклона поверхности зерна к горизонту принимается за угол естествен­ного откоса .

Для быстрых измерений удобен способ Мооса, при котором зерно насыпают в прямоугольный ящик со стеклянными стенками размерами 100х200х300 мм на 1/3 его высоты. Ящик осторожно поворачивают на 90° и измеряют, угол между поверхностью зерна и горизонтальной (после поворота) стен­кой. Опыты проводят при всех указанных способах по 3 раза.

В лабораторных условиях для определения углов естественного откоса используют приборы различных систем, общим недостатком которых является возможность производства экспериментов только с грузами, имеющими относительно небольшие и однородные гру­зовые частицы.

Наиболее распространенными методами определения угла естественного откоса в лабораторных условиях являются следую­щие.

1. В ящик прямоугольной формы размером 10х20х30 мм (или больше) насыпают исследуемый материал так, чтобы свободная его поверхность была горизонтальной, а затем осторожно поворачи­вают его на угол 45 или 90° и после прекращения осыпания груза определяют угол естественного откоса  с помощью транспортира или путем замера высоты h и длины L заложения откоса и вычисления тангенса угла  (tg = L/h)

2. Диск диаметром 10 см (или больше), имеющий вертикальный тарированный стержень, опускают в стеклянную банку и засыпают исследуемым материалом. Затем диск плавно вынимают. Высота оставшегося на диске конуса материала показывает величину угла естественного откоса, значения которого нанесены на стержне.

3. В воронку с диаметром трубы 5 мм (или больше, в зависи­мости от гранулометрического состава материала) осторожно засыпают исследуемый материал, и затем воронку медленно под­нимают по мере образования конуса груза. Полученный таким об­разом конус замеряют угломером с четырех сторон и среднее зна­чение принимают за величину угла естественного откоса исследуе­мого материала.

Вне зависимости от метода определения угла естественного от­коса каждый опыт необходимо проводить не менее трех раз для получения наиболее характерных средних значений.