Исследование зависимости адгезионных свойств грунта от температуры поверхности контакта ковша скрепера.
Демишев А.Ю.
Донецкий национальный технический университет
Тезисы доклада на Всеукраинском конкурсе студенческих научных работ в области науки «Транспорт» по специальности «Машины для земельных дорожных и лесотехнических работ», 16 марта 2010, ХНАДУ, Харьков.
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.
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.
Способ подогрева поверхности контакта
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