Взаимодействие частицы грунта с плоской поверхностью контакта и механизм влияния температуры на силу адгезии
Демишев А.Ю.
Донецкий национальный технический университет
Тезисы доклада на студенческой конференции «День науки», 14 мая 2009, ДонНТУ, Донецк.
Одной из самых значимых проблем любых землеройных машин, в том числе и скреперов, является налипание грунтов на поверхность рабочих органов, в результате чего затрудняется выгрузка и последующая загрузка ковша. Кроме того уменьшается фактический объем ковша. В результате снижается производительность машины.
Российский ученый С.А. Гончаров в результате своих исследований пришел к выводу, что повышение температуры плоскости контакта грунта с металлом приводит к подсушиванию массы грунта и ведет к предотвращению налипания его на рабочие органы машин. В статье «Влияние температуры на липкость связных пород» профессор С.А. Гончаров и кандидат технических наук С.А. Потапов описали определение оптимальной температуры нагрева контактирующих поверхностей [1].
Рис. 1. Схема взаимодействия частицы связного грунта с плоской поверхностью контакта
Для этого они рассмотрели взаимодействие посредством жидкой прослойки воды отдельной частицы скелета породы с металлической поверхностью. Благодаря поверхностному натяжению воды σ происходит капиллярное прижатие частицы к поверхности контакта. Однако за счет искривления боковой поверхности мениска капилляра сила притяжения уменьшается.
Общая схема взаимодействия частиц с поверхностью контакта с по¬мощью капиллярного мениска представлена на рисунке 1[1]. Центр сферической частицы радиуса R находится в точке О1. Радиус кривизны мениска капилляра r1 описывает в плоскости чертежа дугу окружности АС с центром в точке O2; α — угол, образованный нормалью в точке касания А мениска капилляра к частице и вертикалью О1К; θ2, θ1 — углы смачивания жидкостью поверхности контакта и частицы, соответственно. При увеличении температуры процесс испарения жидкостных манжет происходит все интенсивнее, что приводит к синижению силы адгезии единичного контакта.
На основе статьи были проведены расчеты, которые подтвердили, что при увеличении температуры поверхности контакта снижается липкость связной массы, в результате чего грунт легко отделяется от поверхности.
Примем радиус частицы равным 50∙10-6м. Тогда по графику, изображенному на рисунке 2 [1] определяем значения угла α при температуре 20°С(273К) и 120°С(393K).
Расчет силы адгезии при температуре 20°С.
По эмпирической зависимости находим угол смачивания и поверхностное натяжение жидкости:
Из геометрических построений находим радиус кривизны мениска капилляра в плоскости, перпендикулярной поверхности смачивания:
Находим радиус кривизны мениска в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа и проходящей через прямую МО2:
Радиус пятна растекания мениска на поверхности контакта:
Тогда перепад давления, обусловленный кривизной поверхности раздела фаз, по уравнению Лапласа:
Капиллярная составляющая силы адгезии:
Адгезионную прочность контакта связного грунта с поверхностью площадью 1 см2 можно найти, умножив Fад на число единичных контактов χ. Допустим, что число контактов для грунта с радиусом частиц 5•10-6м составляет 106.
Расчет силы адгезии при температуре 120°С производится аналогично.
Сравнивая результаты, видим, что подогрев поверхности контакта приводит к значительному снижению силы адгезии. Расчеты показали, что при увеличении температуры поверхности контакта с 20 до 120°С силы адгезии на участке 1 см2 контакта дисперсной связной массы с радиусом частиц 50∙10-6м уменьшились почти в 14 раз. Полученные данные хорошо согласуются с данными экспериментальных исследований [2]. Для решения математической задачи была применена система MathCAD14.
- Гончаров С.А. Влияние температуры на липкость связных пород / C.A. Гончаров, С.А. Потапов. - Изв. ВУЗов «Горный журнал» 1976, с.74 – 77.
- Потапов С.А. Экспериментальное определение адгезионных свойств пород. – В кн.: Комплексные исследования физических свойств горных пород. М., 1977, с. 4, 11 – 12.