Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ сущетвующих способов и средств борьбы с адгезионными и криогенными процессами при производстве вскрышных работ
1.1. Особенности эксплуатации добычного оборудования при отработке влажных связных пород
1.2. Современные представления о криогенных процессах в грунтах и физических свойствах льда и мерзлых грунтов
1.3. Анализ существующих способов и технических средств профилактики и очистки добычного и транспортного оборудования роторных комплексов от налипшего и намерзшего материала
1.4. Выводы, цель, задачи и методика исследований
Глава II. Исследование процесса намерзания горной массы на рабочие органы экскаваторов
2.1. Основные закономерности процесса намерзания горной массы на рабочие органы экскаваторов
2.2. Влияние температуры воздуха и состава на физические свойства горной массы
2.3. Анализ и практическое использование полученных результатов
Глава III. Исследование процессов термодинамической и комбинированной очистки добычного оборудования от намерзшей горной массы
3.1. Обоснование выбора способа очистки рабочих органов экскаваторов
3.2. Физические основы процесса термодинамической очистки рабочих органов роторных экскаваторов в режиме хрупкого разрушения намерзшей горной массы
3.3. Физические основы процесса термодинамической очистки в режиме плавления и подсушивания намерзшего материала
3.4. Особенности процесса теплопереноса при комбинированном способе очистки горного оборудования от намерзшей горной массы
Глава IV. Экспериментальные исследования физических .свойств налипшей и намерзшей горной массы, процессов обмерзания и очистки рабочих органов роторных экскаваторов
4.1. Определение коэффициента температуропроводности горной массы
4.2. Исследование интенсивности намерзания горной массы на рабочие органы роторных экскаваторов
4.3. Исследование процесса термического разрушения мерзлых грунтов
4.4. Рекомендации по созданию технических средств для очистки рабочих органов роторных экскаваторов
Глава V. Разработка технических средств и технологии термодинамической очистки рабочих органов добычного оборудования
5.1. Методика инженерного расчета режимных и тепло вых параметров термодинамической очистки рабо чих органов роторных экскаваторов
5.2. Расчет оптимальных параметров работы установки для очистки рабочих органов роторных экскаваторов
5.3. Описание конструкции установки и технологии очистки рабочих органов роторных экскаваторов
5.4. Описание конструкции и работы устройства, применяемого при комбинированной очистке горного оборудования от намерзшего материала
5.5. Технико-экономическая оценка результатов внедрения разработанных технических средств
Заключение
Литература
Приложения
- Анализ существующих способов и технических средств профилактики и очистки добычного и транспортного оборудования роторных комплексов от налипшего и намерзшего материала
- Влияние температуры воздуха и состава на физические свойства горной массы
- Физические основы процесса термодинамической очистки в режиме плавления и подсушивания намерзшего материала
- Исследование процесса термического разрушения мерзлых грунтов
Введение к работе
Важнейшим техническим направлением, осуществляемым в СССР в горной промышленности, является преимущественное развитие открытого способа разработки месторождений полезных ископаемых, в том числе железорудных месторождений. Рост потребления металлов является одним из важнейших показателей технико-экономического потенциала страны.
Советский Союз по разведанным запасам железных руд занимает первое место в мире. За период I97I-I985 гг. в СССР будет добыто примерно 8,5 млрд.т сырой руды. Наибольшего роста в этот период, в соответствии с директивами ХОТ съезда КПСС, достигнет Центральный железорудный район, где на месторождениях КМА добыча сырой руды должна возрасти к 1985 г. до 133 млн.т в год /I/. Здесь действуют крупные горнодобывающие предприятия: Михайловский ГОК, Лебединский ГОК, Стойленский ГОК, комбинат КМА руда. В ближайшее время войдут в строй новые предприятия: Губкинекий ГОК, Погромецкий ГОК и др. уже в іО-й пятилетке добыча железной руды открытым способом на предприятиях КМА составила 87,5 млн.т, что потребовало перемещения в отвалы более 300 млн. м3 вскрышной горной массы.
Развитие горнодобывающей промышленности идет по пути широкого освоения новых регионов, имеющих концентрированные запасы полезных ископаемых. Так, к 1990 г. планируется ввод в строй Западно-Сибирского топливно-энергетического комплекса на базе Канско-Ачинского бассейна, где объем добычи угля открытым способом достигнет 250 млн. т в год /2/.
Обеспечить выемку столь значительных объемов пород возможно только с применением мощной высокопроизводительной техники. В
этой связи все более широкое применение находят поточная и циклично-поточная технологии, которые позволяют совмещать процессы выемки, транспортировки и складирования. Динамику роста производства вскрышных работ с использованием поточной технологии можно проследить по следующим цифрам: только за период 10-й пятилетки объемы вскрышных работ с использованием роторных комплексов возросли на КМА более, чем в два раза; в 1974 г. эти объемы составили 24%, а в I960 г. - 4і>% от всех объемов вскрыши, т.е. около 13Ь млн. м3.
Применение техники непрерывного действия, и в частности, роторных комплексов, повышает производительность труда, высвобождает рабочую силу, повышает культуру производства.
Однако использование роторных комплексов для разработки связных, особенно переувлажненных, пород сопряжено со значительными трудностями, резко снижающими эффективность работ. Одними из основных факторов, снижающих производительность роторных комплексов, являются последствия адгезионно-криогенных явлений, т.е. налипание, а при отрицательных температурах - намерзание влажной горной массы на поверхности транспортных и перегрузочных узлов и рабочих органов экскаваторов. С намерзанием горной массы на рабочие органы роторных экскаваторов связана главным образом невозможность использования комплексов в зимнее время, что приводит к их длительным межсезонным простоям.
В последнее время адгезионно-криогенные явления привлекли к себе пристальное внимание ; благодаря усилиям ряда исследователей проблема борьбы с вредными последствиями этих явлений для транспортных средств решена. Что же касается борьбы с намерзанием горной массы на рабочие органы роторных экскаваторов и другого добычного оборудования, то здесь проблема остается откры-
той.
Если в центральных областях европейской части СССР с таким положением вещей еще можно мириться, используя межсезонные простои для ремонтов, то развитие горной промышленности в районах Сибири и Дальнего Востока, районах вечной мерзлоты и сурового климата, настоятельно диктует необходимость эксплуатации техники непрерывного действия при отрицательных температурах.
Адгезионно-криогенные явления также отрицательно сказываются на работе техники цикличного действия. Снижение производительности, аварии, повышенный износ, простои горного оборудования - таковы последствия этих явлений.
Существующие малочисленные технические средства борьбы с обмерзанием рабочих органов добычного оборудования нельзя признать эффективными, а их применение имеет случайный характер.
В связи с вышеизложенным исследование вопросов борьбы с намерзанием горной массы на рабочие органы добычного оборудования является актуальной задачей, имеющей большое народно-хозяйственное значение.
В диссертационной работе рассмотрено влияние налипания и намерзания горной массы на рабочие органы роторных экскаваторов и экскаваторов цикличного действия на эффективность их использования; дана характеристика существующих представлений о физических свойствах льда и мерзлых грунтов и криогенных процессах в грунтах, определяющих интенсивность процесса намерзания. Анализ сзгществующих способов и средств борьбы с адгезионно-криогенными процессами в горной промышленности позволил показать, что подавляющее большинство из них направлено на очистку транспортных средств, в частности, конвейерных лент. Решение же проблемы очистки рабочих органов находится в зародышевом состоянии; существующие способы и технические средства, призванные разрешить
)'
эту проблему, нельзя признать эффективными. Показано, что перспективными являются тепловые способы борьбы с налипанием и намерзанием.
В результате исследования процесса фазовых переходов во влажных грунтах определена интенсивность намерзания горной массы на рабочие органы роторных экскаваторов, что позволило сделать выбор между превентивными и пассивными методами борьбы с намерзанием, отдав предпочтение пассивным методам, т.е. периодической очистке рабочего органа.
С целью определения эффективности теплового способа борьбы с намерзанием изучены процессы теплопереноса в мерзлых грунтах при различных условиях теплового воздействия. Доказана возможность хрупкого разрушения мерзлых грунтов при их нагреве за счет воздействия термических напряжений, установлены параметры теплового воздействия, обеспечивающие протекание указанного процесса. Определены параметры теплового воздействия, необходимые для разупрочнения намерзшей горной массы при термомеханической очистке.
Исследования процессов обмерзания и очистки рабочих органов добычного оборудования показали зависимость этих процессов от теплофизических свойств намерзшего материала, его плотности и влажности. С целью получения количественных характеристик указанных процессов разработана методика аналитического определения теплофизических свойств и плотности многокомпонентной горной массы по известным значениям тех же свойств отдельных компонентов и в функциональной зависимости от температуры (для отрицательных температур).
Результатом проведенных исследований явилась разработка и создание оригинальных технических средств борьбы с намерзанием: "Рабочего оборудования роторного экскаватора" и "Установки для
очистки ковшей экскаваторов".
"Рабочее оборудование роторного экскаватора" внедрено на Михайловском ГОКе в 1978 г. с фактическим годовым экономическим эффектом 93,21 тыс.руб,
"Установка для очистки ковшей экскаваторов" внедрена на Михайловском ГОКе в 1982 г. с фактическим годовым экономическим эффектом 16,45 тыс.руб.
Общий экономический эффект за все время использования разработанных технических средств составил 296 тыс.руб.
На защиту выносятся следующие новые научные положения: ,
получены новые соотношения, устанавливающие пропорциональность толщины намерзшего слоя горной массы коэффициенту интенсивности фазового перехода, величина которого возрастает с понижением температуры воздуха и влажности горной массы, причем ее влажность уменьшается при снижении температуры по степенному закону;
установлен новый критерий, равный произведению эффективной температуры теплоносителя О и относительного коэффициента теплоотдачи h , характеризующий качественные различия механизмов разрушения мерзлых связных пород при термодинамическом способе очистки от них рабочих органов добычного оборудования, причем его значение, равное 1,1*10 К/м, является критическим: при &^ , превышающих эту величину, имеет место хрупкое термическое разрушение мерзлых связных пород, в противном случае - их оттаивание.
Основные положения диссертационной работы докладывались на УП и УШ Всесоюзных научных конференциях вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов ^Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов" (Москва, МГЙ, 1981, 1984 г.г.)і на региональных научно-технических конференциях "Повышение качества и эффективности работы горно-рудных предприятий
(О
КМА (Курск, КПИ, 1979,1980, 1981 г.г.)
Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени горном институте на кафедре "Физика горных пород и процессов".
Анализ существующих способов и технических средств профилактики и очистки добычного и транспортного оборудования роторных комплексов от налипшего и намерзшего материала
В настоящее время имеется большое количество способов и технических средств борьбы с адгезионными и криогенными процессами в различных отраслях промышленности. Исследования в этом направлении ведутся как у нас в стране, так и за рубежом /40/.
По характеру ведения борьбы с адгезионными и криогенными процессами можно выделить два метода: превентивный, т.е. профилактический, предупреждающий налипание и намерзание путем изменения физических свойств материалов, и пассивный, подразумеваемый периодическое удаление налипшего и намерзшего материала каким-либо способом /41/,...,/43/.
На рис. 1.4.,1.5. представлена классификация способов и средств борьбы с адгезионно-криогенными процессами.
Наибольшее распространение в настоящее время получили механические очищающие устройства, характеризующиеся наличием скребка той или инок модификации, непосредственно контактирующего с очищаемой поверхностью /41/,...,/51/.
Простейшие механические очистители - скребковые, рабочий орган у них выполнен в виде пластины. Материалом пластины может служить металл, пластмасса, многослойная резина и пр.
Для обеспечения равномерного прижатия скребка к очищаемой поверхности используются подпорные механизмы: пружинные, гидравлические, гравитационные, пневматические, электромагнитные и др. Для повышения эффективности очистки очищающие устройства устанавливают каскадами, так что они дублируют друг друга. Простейшие скребки, надетые на ковш экскаватора, применяют для очистки железнодорожных вагонов.
Устройства принудительного вращения - барабанные, ротационные, барабанные с тросовым очистителем - применяются в условиях интенсивного налипания горной массы на конвейерную ленту. Барабан устройства вращается навстречу движению конвейерной ленты со скоростью, превышающей скорость ее движения в 242,5 раза. Находит применение вариант с односторонним вращением барабана конвейера и барабана очищающего устройства. В этом случае очистка осуществляется за счет сильного сжатия налипшего материала.
При отработке сыпучих материалов с незначительным влаго-содержанием применяют щеточные устройства вращающегося типа.
Наибольшей эффективностью из механических очистителей при очистке конвейерных лент обладают устройства с гибкими рабочими органами, выполненными в виде струн, изготовленных из стальной проволоки. Струны устанавливаются на барабане конвейера параллельно плоскости ленты и под углом 15-20 к оси барабана. Существенным недостатком подобных устройств является незначительный срок их службы (1,242,0 часа непрерывной работы).
Находят применение также дисковые очищающие устройства, выполненные в виде двух барабанов, устанавливаемых на холостой ветви конвейера под углом соответственно 20 и 160 к оси движения ленты. Очистка в этом случае осуществляется за счет различия в скоростях движения ленты и диска. Диски устанавливают с таким расчетом, чтобы их рабочие зоны перекрывали друг друга.
Существуют и создаются и другие механические очистители, так что дать их полный перечень вряд ли представляется возможным. Уже одно то, что механических очищающих устройств так много, говорит оо их недостаточной эффективности. Все они -и существующие, и те, которые появятся позднее, - обладают существенным и неустранимым недостатком. Этим недостатком является непосредственный контакт очищающего устройства с очищаемой поверхностью, что неизбежно приводит к повреждению очищаемого объекта.
В ряде случаев, когда необходимо производить очистку от твердых материалов, например, в цементном производстве, механические очищающие устройства вообще неприменимы.Большие трудности появляются при необходимости очистки объектов сложной конфигурации, таких, например, как ковш экскаваторов .
Таким образом, механические способы очистки нельзя считать эффективными, особенно при интенсивном налипании и намерзании.
Электрические способы очистки еще недостаточно изучены и находятся на стадии экспериментов. В МГИ в лабораторных условиях испытан способ электродинамической очистки конвейерных лент с помощью электрического пробоя. Испытания дали положительный эффект. Указанный способ можно рекомендовать для очистки от твердых материалов: застывшего цемента, мерзлого грунта и т.п. При этом очищаемый материал не должен обладать электропроводящими свойствами.
Тепловые способы очистки получают в настоящее время все более широкое применение /52/,...,/58/. В основе тепловых способов очистки лежит известное явление снижения и даже исчезновения адгезионных свойств нагретых и сухих материалов. Наиболее эффективными из тепловых способов являются термодинамическая очистка и особенно очистка реактивной газовой струей. Термодинамическая очистка заключается в том, что высокотемпературный газовый поток, воздействуя на налипший слой горной массы, нагревает и частично высушивает его, создавая благоприятные условия для разрушения и удаления налипшего слоя. При очистке реактивной газовой струей помимо нагревания и высушивания имеет место динамический напор газовой струи, истекающей со сверхзвуковой скоростью и под значительным давлением. Термодинамические способы очистки с успехом применяются на горнодобывающих предприятиях КМА.
Пневматическую (газодинамическую) очистку, т.е. очистку сжатым воздухом, применяют для очистки поверхностей от мелких сухих дисперсных-частиц.Гидравлическая очистка, т.е. смыв налипшего материала, применяется в исключительных случаях, когда дополнительное увлажнение не отражается вредно на технологических процессах.
Вибрационные методы очистки весьма перспективны и нашли достаточно широкое применение. Однако область их использования ограничена неподвижными объектами. Очистку же подвижных объектов, например, конвейерных лент или ковшей роторных экскаваторов вибрационными методами нельзя считать целесообразной.
Кроме указанных способов и средств очистки различных объектов от налипшего и намерзшего материала возможны их самые разнообразные комбинации и сочетания. Так, например, очистка реактивной газовой струей является сочетанием теплового способа и способа, основанного на динамическом воздействии. При очистке скользящим искровым разрядом используется тепловая энергия искры, так что этот способ можно отнести как к электрическим, так и к тепловым. При электродинамической очистке импульсный электрический разряд оказывает на налипший или намерзший материал мощное динамическое воздействие.
В ряде случаев целесообразно искусственно сочетать различные способы очистки. Так, например, при работе одноковшовых экскаваторов очистка ковшей от налипшей горной массы осуществляется механическим способом - путем встряхивания ковша. Очистка от намерзшей горной массы таким способом невозможна,
Влияние температуры воздуха и состава на физические свойства горной массы
Уравнение (2.1.42) следует решать относительно ее численными методами. Принципиальных трудностей здесь не возникает, сложность заключается в том, что физические свойства промерзшей и влажной зон меняются при изменении льдистости (влажности), причем льдистоеть (влажность) может меняться в довольно широких пределах. Экспериментальное определение физических свойств горной массы, особенно тепловых, в каждом конкретном случае очевидно нецелесообразно, а без знания этих свойств соотношение (2.1.42) теряет всякую практическую ценность. В этой связи возникает задача по установлению аналитических зависимостей плотности, теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности многокомпонентной среды от известных значений тех же параметров каждого компонента.
Для вывода этих зависимостей рассмотрим некоторый объем V , заполненный п -компонентной средой. Пусть ю, /з, ct At л. соответственно масса, плотность, удельная теплоемкость, коэффициенты тепло- и температуропроводности этого объема, т; /v, а, Лі Сії - те же параметры I -того компонента, a Vl - его объем. Обозначим
Для определения коэффициента теплопроводности рассмотрим пластину толщиной d , одна из поверхностей которой поддерживается при постоянной температуре l/j . В стационарном режиме на второй поверхности установится постоянная температура Ua Распределение температуры по толщине пластины будет линейным, а тепловой поток через пластину составит величину
Будем пока считать для простоты, что материал пластины состоит из двух компонентов.Представим теперь, что внутри пластины произошло перераспределение компонентов, как на рис. 2.2. Значения й и [ останутся прежними, а распределение температуры по толщине пластины будет изображаться ломаной линией. Тепловой поток через пластину также останется прежним. Этот же тепловой поток проходит и через каждый компонент, следовательно,
Выделим в пластине стержень, ориентированный нормально ее поверхности. Пусть S - площадь поперечного сечения стержня, V - его объем, V/ Vz - объемы частей стержня, находящихся соответственно справа и слева от границы раздела. Тогда, очевидно,
Анализ данных табл.2.1, 2.2 показывает, что при температурах воздуха ниже -5С зависимость относительной льдистости от температуры воздуха хорошо описывается корреляционными кривыми видагде оС) /3 - безразмерные коэффициенты корреляции;2Ґ - размерный коэффициент корреляции.
Для суглинков еС = 0,327,/5 =0,258; для глин С = 0,187, JZ = 0,353.Соотношение (2.2.26) необходимо учесть как в уравнении (2.1.42), определяющем коэффициент интенсивности фазового перехода, так и при определении физических СВОЙСТВ горной массы.
Для удобства выпишем соотношения, определяющие процесс намерзания горной массы на рабочие органы добычного оборудования, в явном виде:
Коэффициент температуропроводности вычисляется по общеизвестному соотношениюКак уже отмечалось, влажные и, особенно, мерзлые грунты представляют собой сложную многокомпонентную систему. Однако, с приемлемой для поставленной задачи точностью, можно ограничиться рассмотрением основных компонентов: скелета и воды для влажных и скелета, льда и незамерзшеи воды для мерзлых грунтов,
Для доказательства высказанного утверждения рассмотрим подробнее влияние пористости на плотность влажной горной массы,Согласно (2.2.8) плотность в этом случае определится соотношениемгде Wg , WCK л - соответственно весовые концентрации воды, минерального скелета и газов, заполняющих поры ;
Вычисления по формуле (2.2.53) дают значение WK = 13$, что косвенным образом подтверждается данными /62/, /64/» согласно которым именно при такой влажности глинистые породы теряют возможность впитывать воду без изменения объема. Такие не результаты можно получить для теплоемкости и теплопроводности. Адгезионные же явления имеют место при \Х/ 0,13. Таким образом, доказано, что пористость практически не влияет на процесс намерзания и соотношения (2.2.28),...,(2.2.32) являются достаточно точными.
Выведенные соотношения (2.2.27),...,(2.2.32) устанавливают основные закономерности процесса намерзания горной массы на рабочие органы роторных экскаваторов с учетом изменяющихся внешних условий и физических свойств горной массы.Для получения количественных характеристик процесса намерзания горной массы на рабочие органы роторных экскаваторов уравнение (2.2.27) с учетом зависимостей (2.2.28),...,(2.2.33) решено применительно к породам, слагающим обычно вскрышную толщу и обладающим повышенными адгезионными свойствами. Вычисления производились с помощью ЭЦВМ "МИР-2" /65/ по известным значениям физических параметров /66/. Исходные данные для расчетов сведены в табл .2.2.
Физические основы процесса термодинамической очистки в режиме плавления и подсушивания намерзшего материала
Рассмотрим теперь процесс очистки в том случае, когда начальная температура горной массы превышает -7 —4С или Л 4, т.е. когда хрупкого разрушения горной массы не происходит. Качественно процесс очистки в этом случае может быть описан следующим образом. Вначале происходит плавление льда -намерзшая горная масса превращается в налипшую.При этом, если в качестве теплоносителя используется газовый поток со сверхзвуковым истечением, вступает в действие следующий механизм разрушения горной массы, описанный в /67/, /68/.
Газовый поток с большой скоростью омывает налипший слой горной массы. При этом на горную массу действует давление разрежения. Под действием этого давления происходит отрыв и унос агрегатных частиц горной массы.
На некотором расстоянии П. от оси потока скорость его падает настолько, что давления разрежения оказывается недостаточно для разрушения горной массы. Согласно/С15.і4) /61/і величина Ґ"і определится соотношениемгде # - радиус сопла теплогенератора, /3 - плотность газа, 2 - скорость потока на срезе сопла, 3 - сцепление между агрегатными частицами, Р - пористость горной массы. Зону, в которой имеет место указанный механизм разрушения, естественно назвать зоной аэродинамического разрушения. За пределами этой зоны разрушение происходит следующим образом.
По мере дальнейшего нагрева в налипшем слое горной массы происходит постепенное испарение воды. При этом, как известно, в глинистых материалах имеет место явление усадки, т.е. сокращение размеров /57/. Развитие усадочных деформаций приводит к разрыву сплошности горной массы, налипший слой покрывается сетью трещин и представляет собой ряд отдельностей, которые уже легко отрываются и уносятся газовым потоком.
Произведем расчет усадочных деформаций, развивающихся в налипшем слое горной массы.Выделим в налипшем слое некоторый объем Va с абсолютах ной влажностью W0 . Пусть в результате усадки этот объемпримет значение VM С влажностью \х/к . Тогда усадочнаядеформация Усадка глинистых материалов происходит только в интервале вланностей от = 0,26 до W = 0,13 /63/, /64/. Подставляя в (3.3.13) численные значения параметров, найдем = 0,39. При таких больших деформациях практически любой материал теряет сплошность, т.е. разрушается. Таким образом, приведенные расчеты подтверждают правильность качественной картины процесса очистки.
Воспользовавшись соотношением (3.2.27), получим значениегде & р - температурафазового перехода.Следует учесть, что при локальном нагреве могут иметь место все три описанных выше механизма разрушения. Иными словами, при воздействии на мерзлую горную массу высокотемпературным газовым потоком можно выделить следующие характерные зоны (рис. 3.1):I - зона хрупкого разрушения О- Г Г0,
В этой зоне продукты разрушения имеют вид обломков неправильной формы с двумя приблизительно параллельными гранями. Величина Го определяется соотношением СЗ.2.29) .П - зона аэродинамического разрушения П Г ґі.В этой зоне продукты разрушения представляют собой отдельные агрегатные частицы. Величина Л определяется соотношением (3.3.1).Ш - зона усадочных деформаций П Г гг%В этой зоне имеет место в основном разупрочнение горной массы: она покрывается сетью вертикальных трещин. Разрушение протекает менее интенсивно. Продукты разрушения имеют характерную форму в виде выпукло-вогнутых чешуек. Величина Г& определяется соотношением (3.3.14).
В зависимости от температуры горной массы и параметров теплоносителя I или I и П зоны могут отсутствовать.
При очистке различного горного оборудования, например, рабочих органов одноковшовых экскаваторов, когда возможно сочетание теплового и механического способов очистки, целесообразно направлять высокотемпературный газовый поток на внешнюю поверхность ковша, свободную от намерзшей горной массы. При этом, ввиду высокой теплопроводности металла и сравнительно небольшой толщины стенки ковша, температура на контакте ковш - горная масса быстро достигает критической величины, т.е., в данном случае, температуры плавления льда.
Для определения эффективности такого способа очистки необходимо произвести оценку температурных полек, возникающих в процессе нагрева.Рассмотрим в качестве модели полупространство х % - с параметрамиНа свободной поверхности х=- полупространства при времени і 0 действует постоянный тепловой поток q, . В начальный момент времени 4 = 0 температура полупространства постоянна и равна То (рис. 3.2).
Для определения температуры Tj и Тг необходимо решить систему дифференциальных уравнений теплопроводности/гРазумеется, условие постоянства теплового потока на свободной поверхности является известным приближением к реальности. В действительности на свободной поверхности имеет место теплообмен по закону Ньютона, т.е. следует решать задачу с граничными условиями третьего рода. Однако решение такой задачи связано с большими трудностями, а погрешность, вызванная принятым допущением, как будет показано в дальнейшем, невелика.В соотношения (3.4.1),...,(3.4.7) входят только функции температур и их производные, поэтому можно везде положить
Исследование процесса термического разрушения мерзлых грунтов
Имеющийся опыт струйного термического разрушения мерзлых грунтов (/90/,...,/92/) не позволяет получить достаточно точную картину указанного процесса. Дело в том, что термическое разрушение производится, как правило, неподвижным термоинструментом. При этом распределение температуры по поверхности под чиняется, как указывалось выше, нормальному или близкому к нему закону, и условия хрупкого разрушения выполняются лишь в небольшой области Г Г6 (рис. 3.1). В области же Г Г0 имеет место плавления льда, причем Гг-$ га , т.е. зона плавления намного превышает зону хрупкого разрушения. По этой причине хрупкое разрушение мерзлых грунтов на практике малозаметно.
Если термическое разрушение происходит на некоторой глубине (в скважине), то продукты хрупкого разрушения витают в скважине, где доизмельчаются и расплавляются, и только затем выносятся на поверхность. Таким образом, и в этом случае хрупкое разрушение мерзлых грунтов весьма трудно обнаружить.
Очень важное значение имеет также тот факт, что для термического разрушения мерзлых грунтов использовались инструменты с водяным охлаждением. Вода, используемая для охлаждения, смешиваясь с продуктами разрушения, окончательно искажала физическую картину процесса разрушения.
Таким образом, для получения верного представления о механизме термического разрушения мерзлых грунтов необходимы следующие условия:1. Производить разрушение горизонтально перемещающимся термоинс трументом.2. Использовать термоинструменты без водяного охлаждения.3. Тщательно прослеживать за видом и состоянием продуктов разрушения.
Исследования процесса термического разрушения мерзлых грунтов проводились в производственных условиях, в частности, осуществлялась очистка рабочего органа роторного экскаватора комплекса "Михайловка-I" от намерзшего материала при различных температурах воздуха.В ходе исследований установлено: 1. Продукты разрушения при температуре воздуха Т&. -8 С имеют вид, характерный для хрупкого разрушения: "шелушки" -твердые мерзлые обломки неправильной формы с двумя приблизительно параллельными гранями. Продолжительность очистки без учета подготовительно-заключительных операций составляет I час.2. Разрушение неполностью промерзшей горной массы, когда влажная налипшая горная масса покрыта промерзшей коркой, происходит взрывообразно с мгновенным разрушением промерзшей корки.3. При температурах воздуха Т -8С продолжительность очистки зависит также от температуры воздуха в период, предшествующий очистке.4. В начале зимнего сезона, когда средняя температура воздуха в период, предшествующий очистке, превышала - 8С (оставаясь отрицательной), продолжительность очистки составляла 4-8 часов. Продукты разрушения имели округлую и чешуйчатую (выпукло-вогнутую) форму и температуру порядка 40-60С ; наблюдалось интенсивное парообразование.. В конце зимнего сезона, когда средняя температура воздуха в период, предшествующий очистке, была ниже -8С, продолжительность очистки составляла 2-3 часа. В продуктах разрушения встречались как "шелушки", так и округлые частицы.6. При положительной температуре (Т 0) продолжительность очистки составляет 3-3,Ь часа. Продукты разрушения такие же, как и в п. 4.7. При использовании теплогенераторов с дозвуковыми газовыми потоками хрупкого разрушения горной массы не наблюдалось.
Выявленные закономерности изменения времени очистки в зависимости от температуры воздуха (рис. 4.5) хорошо согласуются с расчетными данными, согласно которым эта зависимость должна иметь экстремум при температуре 7 - 7 —4С.
Сделанные наблюдения подтверждают вывод о различных механизмах термического разрушения мерзлых грунтов - за счет развития термических напряжений, либо за счет плавления с абляцией и, частично, усадочных деформаций - в зависимости от температуры грунта и режимных параметров теплового воздействия.
Абляция влажных связных грунтов имеет место не в момент плавления, как у дисперсных, а после повышения их температуры до 4О-60С.
Результаты вышеизложенных исследований позволяют сделать вывод о том, что термодинамическая очистка различных поверхностей от намерзшего материала сама по себе весьма перспективна. Следует, однако, отметить, что газоструйные горелки способны производить только локальный нагрев (это, как правило, круг некоторого радиуса 8. ). Локальность же нагрева неизбежно влечет за собой лоїшльность очистки, т.к. процесс распространения тепла по очищаемой поверхности за счет теплопроводности даже в том случае, когда эта поверхность металлическая, т.е. обладает высокой теплопроводностью, происходит слишком медленно. В подтверждение сказанному приведем следующие рассуждения. Рассмотрим полубесконечный стержень У.%0 с теплоизолированной боковой поверхностью. Пусть на конце х - О стержня поддерживается постоянная температура 9 . Вполне очевидно, что во все моменты времени О температура в точке х стержня будет превышать температуру в точках Г , где Г - расстояние до центра пятна нагрева на очищаемой поверхности, при условии, что стержень и очищаемый объект имеют одинаковую начальную температуру То и состоят из одного и того же материала, а у= Л- R . Известно (см., например, /87/), что температура в таком стержне вычисляется по формуле
Для сталей максимальное значение коэффициента температуропроводности составляет 0,04 ir/ч. Даже в этом случае температура в стержне на расстоянии І м от конца через І ч повысится всего на 0,5 град при 7 = 1000 град, а на расстоянии 0,5 м - на 21 град.
Столь медленное распространение тепла не позволяет протекать процессу хрупкого разрушения намерзшей горной массы под воздействием термических напряжений и, следовательно, не может дать положительного эффекта при очистке.
На практике требуется производить очистку поверхностей значительной площади. В этой связи необходимо либо наличие нескольких теплогенераторов, либо, что целесообразнее, придать теплогенератору подвижность.
