Зависимость силы адгезии от температуры, реализация подогрева поверхности контакта
Демишев А.Ю.
Донецкий национальный технический университет
Тезисы доклада на студенческой конференции «День науки», 20 мая 2010, ДонНТУ, Донецк.
Задача разработки способов и технических средств борьбы с адгезионными явлениями при перемещении грунта является задачей большой народнохозяйственной значимости, решение которой обеспечит значительный рост производительности транспортного оборудования и снижение себестоимости транспортирования. Наибольшую важность эта задача приобретает при транспортировании именно связных пород, как наиболее активных в адгезионном отношении.
Результы анализа адгезионных свойств грунта и обзор материалов по данной теме показали, что повышение температуры значительно влияет на силу прижатия частиц грунта к поверхности контакта. На основании известных закономерностей был произведен расчет силы адгезии единичного контакта дисперсного связного грунта для различных радиусов частиц при разной температуре. Результаты расчетов сведены в таблицу 1. По данным таблицы построен график, изображенный на рисунке 1.
Таблица 1. Результаты расчета силы адгезии единичного контакта дисперсного связного грунта при изменении температуры, Fадx106, Н
| Радиус частиц, Rx106м |
Температура, °К (°С) | ||||||
| 293 (20) | 313 (40) | 333 (60) | 353 (80) | 373 (100) | 393 (120) | 413 (140) | |
| 5 | 153,92 | 88,63 | 47,96 | 27,88 | 17,35 | 12,58 | 8,92 |
| 10 | 255,83 | 136 | 72,47 | 43,51 | 28,27 | 17,35 | 11,15 |
| 20 | 367,58 | 208,34 | 112,79 | 65,85 | 38,69 | 24,3 | 16,36 |
| 40 | 537,41 | 272,67 | 156,27 | 87,09 | 51,6 | 31,25 | 25,28 |
| 50 | 594,12 | 310,23 | 176,76 | 97,7 | 54,58 | 32,55 | 24,16 |
| 100 | 840,15 | 443,45 | 241,98 | 145,18 | 84,36 | 47,74 | 33,36 |
| 250 | 1340 | 733,78 | 403,41 | 237,36 | 161,29 | 97,66 | 74,36 |
| 500 | 1862 | 1024 | 527,64 | 363,06 | 223,35 | 108,522 | 92,95 |
Рисунок 1. График зависимости силы адгезии единичного контакта от температуры для различных радиусов частиц дисперсного связного грунта
Из графика видно, что с увеличением температуры сила адгезии единичного контакта снижается в разы. Например, при увеличении температуры с 20 до 120 градусов по Цельсию сила адгезии частицы радиусом 5x10-6 м уменьшилась в 12 раз.
Также заметно, что при достижении температурой определенного значения сила адгезии перестает изменяться и продолжает оставаться практически неизменной. Такая температура — 120-140 градусов по Цельсию для металлической плоской поверхности контакта — хорошо согласуется с результатами экспериментальных исследований [2]. Доказано, что подогрев поверхности контакта ковша скрепера с грунтом является очень эффективным методом предотвращения налипания массы.
Произвести подогрев поверхностей рабочего органа скрепера можно при помощи отработавших газов двигателя внутреннего сгорания тягача. При этом необходима небольшая модификация конструкции ковша, а именно: необходимо сконструировать систему каналов на внешней или внутренней поверхности стенок ковша для прохождения по ним уже нагретых газов и обеспечить связь этой системы с выхлопной системой тягача скрепера.
- Таким образом:
- отпадает необходимость в дополнительных энергозатратах, в разработке каких-либо сложных систем с нагревательными элементами, кабелями и т. д., как, например, при электрическом подогреве;
- обеспечивается относительная простота конструкции ковша по сравнению с известными способами принудительной выгрузки и очистки, например, разгрузка посредством шнеков, гибкого ленточного днища [3];
- достигается пассивная очистка ковша, т.е. без произведения каких-либо дополнительных действий (поверхность контакта подогревается в процессе транспортирования грунта).
- 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.
- Описания изобретений (полезных моделей) патентов Украины №5303 C1, №59669 А, №4920 U, №31977 A, №53997 A.
Из приведенных выше преимуществ следует, что разработка способа очистки ковша с использованием подогрева поверхности контакта отработавшими газами двигателя тягача является перспективным направлением работы по увеличению производительности, экономичности и эффективности скрепера.
В настоящее время ведется разработка конструкции ковша скрепера с системой обогрева отработавшими газами двигателя учитывая результаты проведенной работы по изучению процесса подогрева и влияния температуры на липкость связного дисперсного грунта. Предполагается, что предложенная конструкция позволит снизить количество налипшего грунта на стенки и днище ковша скрепера в несколько раз, что в свою очередь приведет к увеличению эффективности процесса разгрузки и повышению производительности машины