Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса и задачи исследований 5
1.1. Требования к нерудным строительным материалам 5
1.2. Существующие технологические схемы гидромеханизированной добычи, переработки и укладки нерудных строительных материалов 9
1.3. Анализ методов расчета процесса продольного фракционирования грунта при его гидромеханизированной укладке 18
1.4. Сгустители гидросмеси 24
1.5. Автоматизация расчетного обоснования координат рабочей точки гидравлической системы грунтонасосов 30
1.6. Задачи исследований 38
2. Обоснование физической и математической моделей попеременно двухсторонней технологии намыва штабеля 40
2.1. Физическая модель 41
2.2. Математическая модель 47
3. Обоснование физической и математической моделей камерного сгустителя 58
3.1. Физическая модель 58
3.2. Математическая модель 63
3.3. Исследования методом математического моделирования предлагаемой конструкции камерного сгустителя 72
4. Исследования в производственных условиях Марусинского месторождения нерудных строительных материалов (Новосибир ская область) 76
4.1. Исследования методом математического моделирования попеременно-двухсторонней технологии намыва на примере ЗАО «Новосибирский песчаный карьер» 76
4.1.1. Характеристика основного оборудования гидромеханизации 77
4.1.2. Расчетные параметры штабеля-усреднителя 79
4.2. Расчет гранулометрического состава намытого грунта 88
4.2.1. Гидравлические параметры потока гидросмеси на пляже намыва 88
4.2.2. Расчет кривых рассеивания фракций грунта 91
4.2.3. Расчет процентного содержания фракций в составе намытого грунта 92
5. Основные выводы и рекомендации 142
Список литературы
- Анализ методов расчета процесса продольного фракционирования грунта при его гидромеханизированной укладке
- Автоматизация расчетного обоснования координат рабочей точки гидравлической системы грунтонасосов
- Математическая модель
- Характеристика основного оборудования гидромеханизации
Анализ методов расчета процесса продольного фракционирования грунта при его гидромеханизированной укладке
Как уже отмечалось, отложение частиц грунта на пляже намыва сопровождается фракционированием — раскладкой частиц грунта по длине пляжа в зависимости от крупности. В соответствии с общепринятыми представлениями [11, 16, 17, 19, 32-36 и др.] частица грунта будет двигаться по пляжу намыва до тех пор, пока сила гидродинамического воздействия потока гидросмеси Р будет больше или равна сопротивлению этой частицы перемещению, т.е. где f - коэффициент трения; G; - сила тяжести, соответствующая массе і-ой частицы.
В.А. Мелентьевым [16] предложена следующая интерпретация формулы (1.1): 1) сила гидродинамического воздействия Р представляется в виде Р = С-Уд2Ч2-Рг, (1.2) где С = cp(Re) - коэффициент сопротивления, зависящий от числа Re; Уд донная составляющая средней скорости Vcp, равная а Vcp {а - эмпирический коэффициент со значением меньше единицы); d - диаметр частицы і-ой фракции; рг - плотность гидросмеси в рассматриваемом створе пляжа намыва; 2) сила тяжести частицы і-ой фракции с учетом архимедовой силы за писывается в виде G,= -g-(pT.-p0), (1.3) о где ртв и р0 - плотность, соответственно частиц грунта в абсолютно плотном сложении и воды; 3) после преобразований (1.1) - (1.3) - находится соотношение ti T, (1.4) а где h и Ід - соответственно глубина потока гидросмеси и уклон пляжа намыва в рассматриваемом створе; Г - сложная эмпирическая зависимость вида Г = \/(рг,1д,п, Vcp).
При этом автор предложенной расчетной схемы признает, что ее практическая реализация сопряжена с непреодолимыми трудностями. По данной причине им предложена другая расчетная схема, изложенная ниже.
Б.А. Волнин [35] предложил упрощенную схему прогноза процесса продольного фракционирования с построением осредненных кривых гранулометрического состава по трем зонам фракционирования: зоне боковой призмы, соответствующей примерно первой трети длины штабеля от места выпуска гидросмеси и переходной зоне и зоне ядра, т.е. соответственно второй и третьей трети длины штабеля. Для этого Б.А. Волнин предлагает два альтернативных графических метода: метод В.Н. Маслова [16, 17 и др.] и метод П.И. Гордиенко [36].
Метод В.Н. Маслова (рис. 1.10) характеризуется простотой и наглядностью, что предопределило его широкое использование в проектной практике. Метод основан на большом объеме статистических данных процессов фрак ционирования при намыве земляных плотин гидроузлов. Норма отмыва (НО) назначается в каждом конкретном случае в зависимости от гранулометрического состава карьерного грунта и допустимого содержания засоряющих мелких фракций в уложенном материале. По мнению А.П. Юфина [30] недостатком метода В.Н. Маслова является излишне произвольная перестройка кривых гранулометрического состава, исключающая возможность попадания крупных фракций в зону отложения мелких фракций и наоборот. При этом А.П. Юфин, во-первых, признает широкое практическое использование метода В.Н. Маслова в проектной практике, во-вторых, рекомендует его для ориентировочных расчетов.
Метод П.И. Гордиенко (рис. 1.11), по мнению А.П. Юфина [30] лишен недостатков метода В.Н. Маслова. Однако с этим нельзя согласиться, так как в методе П.И. Гордиенко на кривой гранулометрического состава произвольно задаются граничные крупности грунта между соответствующими зонами фракционирования (d3o% на границе 2-й и 3-й частей штабеля и d7o% на границе 1 -й и 2-й частей штабеля).
Графический метод прогноза осредненного гранулометрического состава грунта по зонам фракционирования П.И. Гордиенко Общим недостатком методов В.Н. Маслова и П.И. Гордиенко является малое количество (три) расчетных зон фракционирования, т.е. в каждой из трех зон имеет место большая разница между гранулометрическим составом грунта в начале и в конце зоны.
Из аналитических методов прогноза раскладки частиц грунта в потоке гидросмеси на расстоянии X от выпуска следует отметить методы И.А. Шнеера [33, 34], И.Я. Русинова [30], Д.Л. Меламута [17] и В.А. Мелентьева [16].
И.А. Шнеер в основу своего метода принял формулу А.Н. Густанского для расчета осаждения взвешенных наносов в потоке и уравнение М.А. Вели-канова распределение взвеси в потоке гидросмеси. Полученное им уравнение имеет вид где q g - удельный расход і-той фракции на расстоянии X от выпуска гидросмеси; q — начальный удельный расход і-той фракции; со4 - гидравлическая крупность і-той фракции; q = Q(x)/b(x) - удельный расход гидросмеси; n = Vf -скорость выпадения частиц і-той фракции в стесненных условиях; г - величина, характеризующая неравномерность распределения частиц по глубине потока гидросмеси.
Для определения содержания фракций грунта в потоке гидросмеси на расстоянии X от выпуска И.А. Шнеером предложено уравнение = J-\l-0,01±O0i .ехр(-а га)\ (1.6) где j - отношение расхода отмываемых мелких фракций к начальному расходу твердой составляющей гидросмеси; к - число фракций гранулометрического состава; Ф0 - процентное содержание і-той фракции в составе карьерного 1 Vn-dx грунта; а = — I степенной показатель, характеризующий гидродинами q о г ку потока; L — длина карты намыва.
В методе И.Я. Русинова основное внимание уделяется не потоку гидросмеси на пляже намыва, а характеру движения твердых частиц. При этом поверхность пляжа намыва рассматривается И.Я. Русиновым как отражающий и поглощающий экран, на котором частицы грунта задерживаются и остаются в неподвижном состоянии, образуя тело намыва. Иногда задержанные частицы по И.Я. Русинову покидают свое место и вновь приходят в движение скачками или перекатыванием. Это послужило основанием для представления процесса фракционирования стохастическим (вероятностным). Однако, предложенный автором математический аппарат теории вероятностей остался не адаптированным в должной мере к физическому процессу фракционирования и потому не нашел практического применения.
Метод Д.Л. Меламута разработан на основании большого объема фактических данных фракционирования при намыве различных сооружений и представлен семейством номограмм [17]. Учитывая эмпирический характер этого метода, основанного на измерениях при производстве работ ограниченным количеством типов земснарядов, в основном мелиоративного назначения, метод Д.Л. Меламута также не нашел широкого практического применения.
На основании анализа большого количества литературных источников [1, 6, 11, 20-22, 25, 30 и др.] можно утверждать, что наиболее распространенным в проектной практике и наиболее проверенным в натурных условиях конкретных объектов является метод прогноза процесса фракционирования, разработанный В.А. Мелентьевым [30].
Автоматизация расчетного обоснования координат рабочей точки гидравлической системы грунтонасосов
После реализации одного из указанных способов вывод сначала на экран, а затем на печать обновленной графической информации и необходимого набора расчетных данных, в том числе координат рабочей точки, которое можно определить только после вывода ГН из рассматриваемой нештатной ситуации. С помощью отдельного вспомогательного блока можно определить необходимое место установки перекачивающей станции.
Информацией на экране дисплея отмечается, во-первых, сложность визуальной фиксации данной ситуации машинистом земснаряда (показания всех КИП, кроме амперметра главного привода, соответствуют номинальным), во-вторых, неблагоприятные последствия такой нештатной ситуации: сброс грун-топроизводительности земснаряда в 1,5-2 раза, в-третьих, указывается единственный способ выхода из нештатной ситуации - замена берегового трубопровода на трубопровод меньшего диаметра. С помощью вспомогательного блока программного продукта можно определить требуемую величину диаметра берегового трубопровода. КОШМОЮ ступеней «опора Графическая информация на экран дисплея в нештатной ситуации «Работа гидравлической системы на левой рабочей точке»: 1 - напорная характеристика ГН; 2 - гидравлическая характеристика трубопроводной сети; 3 - вакуумметрическая характеристика; 4 - кавитационная характеристика
Нештатная ситуация «Разорванные рабочие характеристики» (рис. 2). После вывода на экран дисплея информации о наличии рассматриваемой нештатной ситуации указывается ее явный признак при расходе гидросмеси Q Qmax (где Qmax - максимальный расход воды по паспортной напорной характеристике ГН) напор ГН превышает гидравлические потери в трубопроводной сети. Отмечается, что данная нештатная ситуация характерна для случая комплектации ГН нештатным электроприводом. Рассматриваются все альтернативные способы вывода ГН из нештатной ситуации: замена берегового трубопровода на трубопровод большего диаметра, введение в напорный трубопровод местного гидравлического сопротивления (дроссельного устройства в виде диафрагмы), увеличение (с расчетным контролем его возможности) грунтопроизводительности земснаряда.
Рабочая зона грунтонасоса: построение рабочих характеристик при плотности гидросмеси 1,0; 1,1; 1,2; 1,3 и 1,4 т/м3, определение координат рабочей точки при всех плотностях гидросмеси и масштабное графическое отображение очертания рабочей зоны, вывод графической информации на печать. Учитывая широкие возможности описанного программного продукта, автор во всех дальнейших исследованиях использовал его для установления достаточно достоверных величин плотности и консистенции гидросмеси, подаваемой земснарядами в конические грохоты и являющиеся исходными параметрами для расчетного обоснования попеременно-двухсторонней технологии намыва штабелей-усреднителей и конструктивных размеров камерных сгустителей.
1. Важной и актуальной задачей является научное обоснование попеременно-двухсторонней технологии гидромеханизированной укладки нерудных строительных материалов с осреднением их гранулометрического состава по объему штабеля. При этом в качестве технологического аналога может быть принята типовая схема намыва узкопрофильных насыпей железных и автомобильных дорог с «блуждающим» прудком [1, 11, 18, 26, 37-40, 44]. Но если основное назначение указанной типовой схемы - обеспечение возможности бульдозерного возведения попутного обвалования при очередном изменении направления намыва грунта с большим содержанием мелких фракций, то главное назначение попеременно-двухсторонней технологии укладки НСМв штабель — осреднение их гранулометрического состава. По данной причине необходима не упрощенная адаптация типовой схемы намыва узкопрофильных сооружений, а научное обоснование попеременно-двухсторонней технологии гидромеханизированной укладки НСМ в штабель-усреднитель путем: 1) обоснования физической и достоверной математической моделей предложенной технологии; 2) разработка и проверка в натурных условиях метода прогноза осред ненного (по высоте Ш) гранулометрического состава НСМ в зависимости от расстояния от выпуска гидросмеси и на основании этого метода исследование возможности двойного осреднения в зависимости от режима переключения на правлений намыва штабеля в процессе последующего вертикального движения ковша экскаватора при отгрузке продукции; 2) исследования методом математического моделирования процессов послойного фракционирования грунта и влияния режима переключения направлений намыва штабеля на степень осреднения гранулометрического состава НСМ при последующем вертикальном движении ковша экскаватора; 3) обоснование такого режима переключений направлений намыва штабеля, который обеспечивает требуемое осреднение гранулометрического состава продукта при его отгрузке потребителю экскаватором;
Доказано, что наиболее эффективным способом решения важной и актуальной задачи разработки безбульдозерной технологии укладки НСМ в штабель является применение камерных сгустителей. Однако ввиду полной непригодности камерных сгустителей в типовом исполнении необходимо научно обосновать такую конструкцию сгустителя, которая обеспечивает безотрывное движение гидросмеси в камере, что в свою очередь, обусловит минимальные потери полезных фракций. Для этого необходимо: 1) обосновать физическую и математическую модели безотрывного камерного сгустителя; 2) обосновать возможность корректировки гидравлических характеристик камерных сгустителей в зависимости от расхода гидросмеси, подаваемой от земснаряда или конического грохота; 3) испытать предложенную конструкцию камерного сгустителя в производственных условиях
Математическая модель
Вход гидросмеси с расходом QBX осуществляется через входной патрубок 1 с фланцевым соединением. Учитывая обычно имеющее место наклонное расположение выпускного трубопровода конического грохота (КГ), фланец к нему должен быть приварен под таким углом, чтобы обеспечить обязательное соблюдение требования горизонтальной установки сгустителя КСГ. Средняя скорость течения гидросмеси во входном патрубке КСГ - V0, площадь входа со0 = itD20/4, где D0 - внутренний диаметр входного патрубка. Плотность гидросмеси на входе рвх определяется по методу, изложенному в первой главе диссертации.
В соответствии Объемная консистенция на входе SBX. Напор Н0 = Z—-h , где Z - превышение свободной поверхности гидросмеси над Ро осью входного (в КСГ) сечения, м; h - гидравлические потери напора в выходном трубопроводе КГ, м.с исследованиями Т.Н. Пеняскина [3] и М.И. Хрустале-ва [2] в рабочем состоянии КГ можно считать полностью заполненным гидросмесью, т.е. с достаточной степенью достоверности отсчет статического напора можно вести от внутренней поверхности верха КГ.
Выпускной патрубок 2 (рис. 3.1) устроен в виде сопряжения конфузора с цилиндрическим патрубком. Фланцевый разъем цилиндрического патрубка предусмотрен для экспериментальной корректировки отношения расходов выпуска и слива с помощью изменения внутреннего диаметра дроссельного устройства (сменных диафрагм). По данным [50] коэффициенты местного сопротивления в таком патрубке: на входе в выпуск вх1 =0,15 и на выходе
С„ых1 = 0,5. Потерями в цилиндрической части патрубка можно пренебречь ввиду их малости. Диаметр цилиндрической части выпускного патрубка D,, расход выпуска Q,, плотность гидросмеси на выпуске р,, объемная консистенция S,, средняя скорость течения в цилиндрической части выпуска V,.
Взаимосвязь между плотностью и консистенцией гидросмеси на выпуске характеризуются зависимостями [23, 24]: PI=S.(PTB-PO)+P0; SI=(P.-POXPTB-PO) Сливной трубопровод, присоединяемый к сливному патрубку 3, предназначен для отвода отработанной воды преимущественно с содержанием мелких (d 0,16 мм) частиц за пределы контура основания штабеля (обогащение НСМ на выходе из штабеля) и состоит, как правило, из трех прямых (1,, 12, 13) участков и двух поворотов на углы а, и а2. Коэффициент местного сопротивления на входе в сливной патрубок вх2=0,15. Расход слива Q2, плотность сливаемой отработанной жидкости р2, консистенция мелкодисперсных частиц S2. Коэффициент местного сопротивления на выходе вых2=0,5. Коэффициенты местных сопротивлений на поворотах о1 и Са20П ределяются по [50] в зависимости от углов поворота а, и а2.
Обозначим расстояние между осями выпускного и сливного патрубков как сумму h = h, +h2 (см. рис. 3.1).
Обозначим процентное содержание грунта, удаляемого со сливом, через норму отмыва НО (приняв за 100% грунтовую составляющую гидросмеси на входе в СГ). Тогда:
Согласно [56] скорость падения частиц грунта в стесненных условиях может быть определена по формуле Vh = 1,2(68 А d + с ), см/с, (3.5) где А = (ртв - р0)/Ро = 1,65; d = 0,16 см - граничная крупность между выпуском и сливом; c = 0,5(t/26-l) - поправка на температуру; t - температура гидросмеси, С. Для d = 0,16 мм (0,016 см) имеем Vh= 1,2-(68-1,65-0,016+ 0,5(20/26-1)) = 2,12 см/с =0,0212 м/с. В соответствии с задачами расчетов (осаждение частиц на расстоянии L, равном длине КСГ) и с учетом геометрической формы КСГ назовем эту скорость требуемой для полного осаждения частиц диаметром d в камере КСГ и обозначим ее VhTP.
Учитывая сложность физического процесса осаждения частиц, обусловленную, во-первых, наличием стесненных условий, во-вторых, линейно увеличивающейся площади живого сечения камеры КСГ:
1) рассмотрим еще один метод расчета Vh (В.В. Длоугого), рекомендованный А.П. Юфиным [30] для условий гидротранспорта грунта в наклонных трубопроводах;
2) при разработке эскизного проекта экспериментального образца безотрывного сгустителя предусмотрим возможность вставки диафрагм с различным внутренним диаметром для экспериментальной корректировки процесса сгущения гидросмеси в производственных условиях;
3) во время производственных испытаний экспериментального образца КСГ сравним точность расчетов по обоим указанным выше расчетным методам (по методу А.Е. Смолдырева и по методу В.В. Длоугого).
Характеристика основного оборудования гидромеханизации
Общая блок-схема алгоритмической реализации математической модели (3.13), приведенная нарис. 3.3, состоит из следующих основных этапов: Описание обозначений вводимых исходных данных, а также целых и вещественных расчетных величин. Расчет расхода гидросмеси на входе в КСГ QBx=Q3/cH-AQKr. (3.14) Блок «KSG» («Расчет длины камеры КСГ»), более детальная блок схема которого представлена на рис. 3.4.. Итоговые данные расчетов по бло ку, учитываемые при гидравлическом расчете разветвленной сети КГ и КСГ: конструктивные размеры КСГ при угле расширения его вертикальных и го ризонтальных граней а 8-10 (в расчетах а = 10); длина L, обеспечивающая осаждение частиц с граничной крупностью d = 0,16 мм, начальные (b, и В,) и конечные (b2 и В2) размеры соответственно горизонтальных и вертикальных граней КСГ, средневзвешенная по длине КСГ скорость течения гидросмеси (vcr).
Производится расчет общих параметров для выпускного и сливного отверстий КСГ: потери напора в камере КСГ (hcr); потери напора в сливном трубопроводе КГ (hKr); напор на входе в сливной патрубок (Z- h2)— на пор на входе в выпускной патрубок (Z + h, )— ;
Блок «PUSK» («Выпуск сгущенной гидросмеси»). Его детальная блок-схема приведена на рис. 3.5. Итоговый результат расчетов по блоку: уравновешивание гидравлического баланса. То есть, статический напор за вычетом потерь в трубопроводе КГ и в камере КСГ должен быть равен сумме потерь напора в ответвлении выпуска сгущенной гидросмеси из камеры КСГ (формула 1, математической модели (3.13)). Баланс достигается увеличением потерь в ответвлении (установкой диафрагмы и подбором ее диаметра) или уменьшением потерь (увеличением диаметра выпуска (D,) сгущенной гидросмеси). Способ уравновешивания выбирается с помощью условного оператора, указанного в блок-схеме.
Блок «SLIV» («Слив отработанной воды с мелкодисперсными фракциями»). Детальная схема блока приведена на рис. 3.6.. Итоговый результат расчетов по блоку: уравновешивание гидравлического баланса. То есть статический напор за вычетом потерь в трубопроводе КГ и в камере КСГ равен сумме потерь напора в ответвлении слива отработанной воды с мелкодисперсными фракциями (формула 2 математической модели (3.13)). Гидравлический баланс достигается либо увеличением потерь в ответвлении (ус тановкой и подбором диаметра диафрагмы), либо уменьшением потерь (увеличением диаметра слива (D2) и подбором его величины). Способ уравновешивания выбирается с помощью условного оператора, указанного в блок-схеме.
Блок-схема блока «SLIV» Автором разработан программный продукт «Сгуститель», работа которого осуществляется в диалоговом режиме. Программный продукт позволяет: рассчитать параметры (длину и размеры поперечного сечения) камерного сгустителя гидросмеси; подобрать диаметры выпускного и сливного патрубков КСГ.
Диаметр мгадного патрубка DO. м.. ..... , Диаметрвыггускг1огогтфтрубка01.м (предварительно). Диаметр сливного патрубка 02. м [правмритеїьної Диаметр с»вногогрчвопровпв »о» леского грохота. Макоимельїчея длина сгустителя Lman м Расчстньйиіагподтеїе сгустителя, м... . Расход пумы на выходе грунтового насоса. мЗ/с
Раскол пульпы на входе е вьктускной патрубок сгустителя. Раскол пульпы на входе в сливной патрубок сгустителя. мЗ/е
Статический напор, м. Длима сливного трубопроеогм КГ. м. Плотность пульпы на икса» в сгуститель. тЛ 3. Суммарная длима сливного трубопровода сгустителе.» Кинвматичвскій коэффициент вязкости, м2/с Коэффициент потерь напора на поворот е сливном трубогфоводе КГ Коэффициент местных потерь напора на вкюд в выпускной патрубок, сгустителя . Кдэс«ьициеи1 естмь гжлї ьнотарановьиойнзеьгіус лигогйтру6».і: у .-і ... Коэффициент мветнаи потерь напора в конфуэлеввьетускногогтрускв сгуст... Коэффициент местным потерь напоре на вход в сливной патрубок сгустителя Коэффициент местным потерь напора на выход из сливного патрубка сгустителя Коэффициент местных потерь напора на поворот в елчвном трубопроводе сгуст. Норма ел
Расход пульпы на входе в выпускной патрубок сгустителя. мЗУ Расход пульпы на входе в сливной патрубок сгустителя. мЗ с . Суммарная длина сливного трубопровода сгустителя. м Кинематическим кмФФииивнт вяэкости. м2/с. Коэффициент потерь напора на поворот в сливном труоЧ-rw oecee КГ К со ффишент мест мы потерь напоре не вход в выпусжиойгтрубУж сгустителя
Вывод на экран информации о необходимости установки гидравлического сопротивления в сливном и выпускном патрубках КСГ Рис. 3.9. Вывод на экран результатов расчета диаметров выпускного и сливного патрубков КСГ
Назначение и область применения программного продукта: гидромеханизация работ в строительстве. Расчет параметров безотрывного камерного сгустителя (длина камеры сгустителя, размеры поперечных сечений, диаметры сливного и выпускного отверстий).