Из-за интенсивности смерзания серный флотационный колчедан на производство серной кислоты завозят в летний период из расчета на годовую потребность и хранят в штабелях. В период с декабря по март колчедан смерзается в монолитную корку толщиной 2-2,2 м. Подача колчедана со склада в печи сжигания становится зимой проблематичной. При перегрузке смерзшихся сыпучих материалов высокую эффективность дает применение грейфера-рыхлителя конструкции В.А. Севастьянова [4,6,7]. Представляет практический интерес использование данной конструкции и для подачи смерзшегося колчедана со склада в бункер транспортеров [1].

Цель исследования

Получение отсутствующих данных по зачерпыванию смерзшегося флотационного колчедана, по установлению влияния температуры и влажности колчедана на момент сопротивления зачерпыванию.

Экспериментальная часть

Проведено обследование работы грейферного мостового крана при перегрузке смерзшегося в штабеле хранения флотационного колчедана. Температуру слоя замеряли мерной рейкой, описанной в [4]. Влажность колчедана определяли весовым методом по [3]. Коэффициент заполнения грейфера определяли взвешиванием порожнего и груженого самосвала на автомобильных весах с точностью ±1%. Силовые и геометрические параметры грейфера показаны на рис.1.

Результаты и их обсуждение

В начальный момент смыкания челюстей после завершения внедрения в смерзшийся материал происходит захват очерченной контуром челюстей плиты корки материала и сжатие ее с последующим растрескиванием и рыхлением зажатой корки .

В данный момент натяжение замыкающего каната Fзк уравновешивает силу трения челюстей о смерзшийся материал Fтp и силу веса грейфера Grp, поскольку вес грейфера приходится на замыкающий канат (рис. 1 а).

F_зк = G_rp +2F_тp. (1)

Сила трения пропорциональна силе сжатия корки челюстями Fсж:

F_тp = F_сж · μ_т , (2)

где μт - коэффициент трения смерзшегося материала по стали.

Сила сжатия равна:

F_сж= P₀·Z·n·b, (3)

где P0 - начальное давление деформации материала, Па;

Z - глубина внедрения РЭ, м;

n - число РЭ;

b - ширина режущей кромки, м.

Таким образом, сила натяжения замыкающего каната определяется по формуле:

F_зк⁼ G_rp+2 P₀·Z ·μ_т·n·b. (4)

Рис. 1. Схема сил, действующих на челюсть канатного грейфера в начальный (а) момент захвата смерзшейся корки и в конце зачерпывания (б)

флотационного серного колчедана

Исследованиями установлено, что значение момента сил разрушения корки смерзшегося флотационного колчедана падает при повороте челюстей в начале зачерпывания на первых 5-10° вращения челюстей от максимального значения Мрк, равного 61 кНм, до нуля.

Усилие в замыкающем канате в процессе зачерпывания меняется от величины веса грейфера Grp и усилия сжатия корки до величины веса полностью загруженного грейфера (Grp+Qм) , где Qм - вес зачерпнутого груза (рис.1 б).

При любой степени смыкания челюстей (угол раскрытия меняется от φ0 до φкон=0) усилие в замыкающем канате равно:

Fзк= Grp + ∑Mi/h=, (5)

Г где (∑Mi)з - суммарный момент всех сил сопротивлению при зачерпывании в данный момент процесса;

Mрк – момент сил сопротивления резанию в конце зачерпывания

h – высота челюсти грейфера.

Следовательно, при разработке смерзшейся корки общий момент сил сопротивления зачерпыванию должен включать и момент сил разрушения корки.

Суммарный момент определяется по формуле:

(∑M_i)_з=M_д+M_бв+M_бн+M_р+M_сж, (6)

где Мд - момент сил трения материала по днищу, обусловленный весом зачерпнутого материала и сжатием материала;

Мбв и Мбн - моменты сил трения материала соответственно по боковым внутренним и наружным стенкам;

Мр - момент сил сопротивления резанию материала шинами челюстей;

Мсж - момент сил, обусловленных сжатием и уплотнением материала.

Уравнения расчета моментов сил включены в РТМ [2]. Однако, они предполагают полное заполнение челюстей зачерпываемым материалом и не включают поправку на коэффициент заполнения, температуру и влажность материала.

Обследование работы грейферного крана при перегрузке смерзшегося в штабеле хранения флотационного колчедана показало, что заполнение грейфера связанно с температурой материала . Как видно из рис. 2, при температуре груза в -12°С средняя величина коэффициента заполнения грейфера равна 0,25 (при разбросе величин от 0,15 до 0,36); при температуре -7°С φср= 0,3; при температуре 0°С φср= 0,7 и при температуре выше +2°С величина коэффициента заполнения приближается к единице (φср= 0,95).

Рис.2

Совершенно очевидно, что при меньшем заполнении грейфера трение материала по днищу как за счет веса груза, так и за счет сжатия и уплотнения материала, должно быть ниже, и оно должно быть пропорционально коэффициенту заполнения челюстей φ.

С учетом реальной работы грейфера даны уравнения моментов сил, предлагаемые к включению в РТМ, учитывающие и изменение свойств материала в зависимости от температуры и влажности:

М_рк= G_rp·g·h+σ_сж·Z · n ·b μ₀[(1+k₇t)·(1-k₈ω)], (7)

(8)

(9)

(10)

Значения коэффициентов влияния температуры и влажности приведены в табл.1.

Таблица 1

Момент сил трения, обусловленных весом зачерпнутого груза Мд', в течение всего периода смыкания челюстей возрастает до 18-20 кНм.

Уплотнение материала и момент сил трения по днищу, обусловленных их действием, нарастают и достигают максимума, равного ~ 280 кНм к моменту смыкания челюстей.

Силы уплотнения приобретают значащие масштабы на завершающей стадии смыкания челюстей, практически на последних 10-15° поворота челюстей перед их закрытием. При этом момент от сил сжатия достигает 17,0 кНм.

Суммарный момент от сил резания составляет 16-23,6 кНм.

Таким образом, суммарный момент от сил сопротивления зачерпыванию меняется от 61 кНм в момент захвата очерченной корки, затем после снижения до 11 кНм начинает расти после смыкания валков перед режущей шиной челюсти и достигает 80-110 кНм к моменту завершения смыкания челюстей (рис.3).

Рис. 3. Изменение величины суммарного момента сил сопротивления зачерпыванию при смыкании челюстей грейфера от угла поворота челюстей δ

Средняя сила сопротивления зачерпыванию Rзач равна отношению средней величины момента от сил сопротивления к высоте челюсти до оси нижнего шарнира h и ее значение равно 35 кН.

R_зач =ω·Ζ·B, (11)

где ω - удельное сопротивления материала зачерпыванию, кН/м2;

B – ширина челюсти грейфера, м.

Исследованиями установлено, что для флотационного колчедана удельное сопротивление зачерпыванию равно 200-220 кН/м2.

Рис.4. Изменение усилия в замыкающем канате (F3К) при понижении температуры слоя смерзшегося колчедана

Усилие в замыкающем канате грейфера, как видно из рис.4, при разработке смерзшейся корки, увеличивается с повышением температуры смерзшегося слоя с 26435Н при (-130С) до 38600 Н при (-50С) и до 48756 Н при (-10С).

Заключение

1. На сопротивление зачерпыванию существенно влияет степень заполнения челюстей материалом.
2. Получены уравнения расчета моментов сил сопротивления разрушению корки, трения по днищу, трения по внутренним боковым стенкам и момента сил уплотнения материала.
3. Даны предложения по уточнению формул расчета моментов сил.

Рецензенты:

Луконин В.П., д.т.н., профессор, генеральный директор ФГУП «НИИ полимеров им. академика В.А. Каргина», г. Дзержинск;

Сажин С.Г., д.т.н., профессор, генеральный директор НТЦ АСТ, г. Дзержинск.