Ущільнюваність сипучих матеріалів в умовах комбінованого вібраційного впливу
DOI:
https://doi.org/10.31649/2413-4503-2026-23-1-97-105Ключові слова:
дисперсне середовище, ущільнення, вібрація, когезійний порошок, тиск, тертя, рекомпакція, об’ємна щільністьАнотація
Насипна щільність та ущільнюваність сипких матеріалів відіграють важливу роль у технологічних процесах. Хоча стиснення статичним навантаженням можна відтворити та математично описати, вплив ударів та вібрацій залишається дуже погано вивченим. Вивчення реологічної поведінки дисперсних середовищ під механічним навантаженням має стратегічне значення для оптимізації промислових процесів, де пористість матеріалу критично залежить від системного стану ущільнення. Оскільки стандартні методики оцінки ущільнюваності мають переважно якісний характер, забезпечення відтворюваності реологічних характеристик в аерованому стані як базисному рівні потребує впровадження прецизійних математичних моделей. Тому, було проведено дослідження для вивчення впливу одноосьового навантаження та вібрацій на стиснення сипучого матеріалу. Метою дослідження є комплексний аналіз ефективності комбінованого вібраційного впливу на процес ущільнення когезійного порошку каоліну H1 special. У межах роботи застосовано логарифмічну модель ущільнення, що демонструє високу якість апроксимації для тонкодисперсних систем при піковому статичному тиску, з урахуванням характеристичної довжини Янссена, коефіцієнта бічного тиску та тертя. Встановлено, що інтеграція динамічних навантажень суттєво трансформує безрозмірний коефіцієнт стисливості: від базового рівня 0,15 при статичному стисненні до 0,22 за умови осьових коливань (50 Гц, ~2g) та 0,32 при додаванні реверсивного крутильного впливу (45 Гц). Незважаючи на те, що додатковий динамічний тиск є незначним порівняно зі статичним максимумом, основним фізичним чинником виступає вібраційна рекомпакція структури, яка забезпечує зростання об’ємної щільності за рахунок застосування комбінованого режиму ущільнення. Величина тангенціального прискорення дозволяє ефективно руйнувати когезійні арки, нівелювати ефект аркування за моделлю Янссена та усувати радіальну неоднорідність щільності. Впровадження розробленої конструкції пристрою для комбінованого впливу дозволяє досягати майже подвоєння насипної щільності та забезпечувати високу гомогенність структури композитів у промислових масштабах.
Посилання
M. Černý, J. Petruš and I. Chamradová, “The Influence of Porosity on Mechanical Properties of PUR-Based Composites: Experimentally Derived Mathematical Approach”, Polymers, 15(8), 1960. 2023. https://doi.org/10.3390/polym15081960.
Xiaoli Zhu, Yi Xu, Qiuya Tu, Hanqiao Che and Haigang Wang, “Advanced measurement techniques for gas-solids fluidized beds in the power and energy industry - A review”, Measurement: Energy, Volume 4, 100030. 2024. https://doi.org/10.1016/j.meaene.2024.100030.
K. Szwajka, M. Szewczyk and T. Trzepieciński, “Experimental Compaction of a High-Silica Sand in Quasi-Static Conditions”, Materials, 16(1), 28. 2023. https://doi.org/10.3390/ma16010028.
Zhazira Berkinova, Assem Sauirbayeva, Almaz Kenzheshov, Boris Golman and Christos Spitas, “Experimental and numerical analysis of compaction of fine powder bed under artificial high gravity for additive manufacturing”, Advances in Industrial and Manufacturing Engineering, Volume 12, 100178. 2026. https://doi.org/10.1016/j.aime.2025.100178.
Jerzy Rojek, Szymon Nosewicz, Kamila Jurczak, Marcin Chmielewski and Kamil Bochenek and Katarzyna Pietrzak, “Discrete element simulation of powder compaction in cold uniaxial pressing with low pressure”, Computational Particle Mechanics, Volume 3, Issue 4, Pages 513-524. 2016. https://doi.org/10.1007/s40571-015-0093-0.
A. Dalirnasab, M. Fatehi Marji, H. R. Nejati & M. Mohebi, “Effects of porosity on the strength and mechanical behaviour of porous geo-materials under cyclic loading: Mechanics of Porous Geo-Materials”, Rudarsko-geološko-Naftni Zbornik, 39(2), 15-30. 2024. https://doi.org/10.17794/rgn.2024.2.2.
N. Xiao, J.-Q. Chen, X. Qiu, F. Huang & T.-H. Ling, “Study on the Relationship Between Porosity and Mechanical Properties Based on Rock Pore Structure Reconstruction Model”, Applied Sciences, 15(13), 7247. 2025. https://doi.org/10.3390/app15137247.
G. Lu and Y. Tao, “Experimental study into the propagation and attenuation of blasting vibration waves in porous rock-like materials”, Front. Mater, 10:1284158. 2023. doi: 10.3389/fmats.2023.1284158.
M. Berdychowski, J. Górecki, A. Biszczanik and K. Wałęsa, “Numerical Simulation of Dry Ice Compaction Process: Comparison of Drucker-Prager/Cap and Cam Clay Models with Experimental Results”, Materials, 15(16), 5771. 2022. https://doi.org/10.3390/ma15165771.
O. Mitrosz, M. Kurpińska, M. Miśkiewicz, et al., “Effect of vibration duration on strength and permeability of pervious concrete with recycled aggregate and low-carbon cements”, Sci Rep 15, 35905. 2025. https://doi.org/10.1038/s41598-025-19842-6.
V. Sharma, N. Grujovic, F. Zivic and V. Slavkovic, “Influence of Porosity on the Mechanical Behavior during Uniaxial Compressive Testing on Voronoi-Based Open-Cell Aluminium Foam”, Materials, 12(7), 1041. 2019. https://doi.org/10.3390/ma12071041.
F. M. Zaid, H. Al-Rubaye, T. M. Aljuwaya and M. H. Al-Dahhan, “Assessment of the Dimensionless Groups-Based Scale-Up of Gas–Solid Fluidized Beds”, Processes, 11(1), 168. 2023. https://doi.org/10.3390/pr11010168.
Chunguang Zhou, Christian Jonasson, Marcus Gullberg, Fredrik Ahrentorp and Christer Johansson, “Measurement and modeling of solids flow behaviors in an aerated standpipe and inclined pipe of circulating fluidized bed full-loop system”, Powder Technology, Volume 449, 120414. 2025. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2024.120414.
Samadi Mahdi, Rostampour Vahid and Abdollah Pour Shamsollah, “A review of solid particles mass flow rate measuring methods: screening analytic hierarchy process for methods prioritization”, Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 359, 44. 2022. DOI: 10.1007/s40430-022-03663-z.
Mohmad M. Thakur, Sohanjit Ghosh and Ryan C. Hurley, “On rapid compaction of granular materials: Combining experiments with in-situ imaging and mesoscale modeling”, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Volume 186, 105576. 2024. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105576.
A. V. Laptiev, “New Die-Compaction Equations for Powders as a Result of Known Equations Correction: Part 1–Review and Analysis of Various Die-Compaction Equations”, Powders, 3(1), 111-135. 2024. https://doi.org/10.3390/powders3010008.
Ku Quan, Zhao Jidong, Mollon Guilhem and Zhao Shiwei, “Compaction of highly deformable cohesive granular powders”, Powder Technology, 118455, 421. 2023. DOІ: 10.1016/j.powtec.2023.118455.
Nurettin Yilmaz, Luca Placidi and Anil Misra, “Exploring One-Dimensional Uniaxial Compression through a Granular Micromechanics Model”, Powder and Particle Journal, KONA, advpub, 2026014. 2025. DOI:10.14356/kona.2026014.
Juanlan Zhou, Mulian Zheng, Qiwei Zhan, Rubing Zhou, Yongsheng Zhang and Yaqi Wang, “Discrete element modelling of the uniaxial compression behavior of pervious concrete”, Case Studies in Construction Materials, Volume 18, e01937. 2023. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2023.e01937.
R. Sivak, V. Kulykivskyi, V. Savchenko, S. Minenko and V. Borovskyi, “Determination of porosity functions in the pressure treatment of iron-based powder materials in agricultural engineering”, Scientific Horizons, 26(3), 124-134. 2023. DOI: 10.48077/scihor3.2023.124.
##submission.downloads##
-
PDF
Завантажень: 0
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
