Использование полимерных противоналипающих листов как средства снижения адгезии грунтов к рабочим органам землеройных машин

При разработке влажных связных грунтов происходит интенсивное налипание грунта к поверхностям рабочих органов землеройных машин [1-5]. Применяемые на практике методы борьбы с налипанием и намерзанием (адгезией) трудоёмки и малоэффективны, отрицательно сказываются на работоспособности рабочего оборудования землеройных машин [6-25]. Одним из методов борьбы с адгезией является создание промежуточного слоя на границе контакта грунта и рабочего органа (профилактическое воздействие) [6-9] с использованием футеровочных покрытий из полимерных материалов.

Футеровочные покрытия изготавливаются на основе сверхвысокомолекулярных полимеров. Опыт эксплуатации различного технологического оборудования в отраслях промышленности, занятых добычей и переработкой полезных ископаемых, доказывает, что наиболее эффективным средством борьбы с налипанием и намерзанием влажных горных масс, минерального сырья на контактирующие с ними узлы рабочего оборудования, является их защита (футеровка) полимерными покрытиями, обладающими гидрофобными, антиадгезионными свойствами [2, 3]. Это полимерные противоналипа-ющие футеровочные пластины (ППФП) ООО «Ас-Тик КП» и полимерные противоналипающие листы (ППЛ), рекомендуемые группой компаний «Технотекс». Разработанный НИИОГРом полимерный материал графитопласт успешно внедряется на предприятиях Минэнерго РФ в качестве профилактического средства, однако внедрение этого материала ограничено из-за недостаточной стойкости к ударным нагрузкам и отсутствием профилактического эффекта при отрицательных температурах. В результате проведенных исследований установлено, что наиболее полно техническим требованиям отвечают модифицированный полиуретан, фторопласт марки Ф-3М [4].

В зависимости от режима работы наиболее эффективными полимерными антиадгезионными листами являются футеровочные листы ППЛ различных видов. Марки ППЛ: ППЛ-ЭИ: износостойкость - 400 ед.; ударопрочность - 9 ед.; эксплуатационный интервал температур -45+90°С; применение: для контакта с сырьем с коэффициентом f до 5 ед. [4]; ППЛ-УИ (ВМ): износостойкость - 200 ед.; ударопрочность - 25 ед.; эксплуатационный интервал температур -80+100°С; применение: для контакта с сырьем с коэффициентом f до 8 ед. Эффективность от использования сверхвысокомолекулярных полимеров достигается за счет следующих свойств: низкий износ, хорошие свойства скольжения, высокая ударная вязкость, химическая стойкость к кислотам, щелочам, солям и другим агрессивным средам, большой эксплуатационный интервал температур от -50°С до +90°С, высокая прочность при указанных температурах, шумопоглощение, трещино-стойкость, водоотталкивающие свойства (гидрофобность), не позволяющие влагосодержащим материалам налипать или намерзать на поверхности полимерного покрытия.

Цель работы: для проверки достоверности приведенных данных провести эксперимент на специальном стенде сдвигового типа [6].

Метод решения задачи. Для поставленных задач экспериментальных исследований были использованы методы многофакторного планирования, что позволяет получить максимально полезную информацию об исследуемых процессах при минимальном количестве опытов. Эффект оценивался по величине отношения условно-мгновенного удельного коэффициента смерзания (УМУКС), за который принимают напряжение сдвига ^т , соответствующее началу перемещения образца грунта относительно рабочей поверхности, определяемое по формуле:

т = P

S

где P C - нагрузка, необходимая для сдвига различных поверхностей относительно образца грунта, Н; S - площадь рабочей части примороженного образца грунта, м².

Для проведения активного эксперимента с целью получения математической модели в соот- ветствии с рекомендациями [6] и особенностями данных экспериментальных исследований, выбираем ротатабельный центральный композиционный план (РЦКП). Уровни факторов и интервалы варьирования при проведении эксперимента представлены в табл. 1.

Таблица 1 . Уровни факторов и интервалы варьирования при проведении эксперимента

Факторы	Уровни факторов					Интервалы варьирования
	-2	-1	0	1	2
X 1 –дисперсность грунта, D Э , мм	9·10-3	7·10-3	5·10-3	3·10-3	1·10-3	2·10-3
X 2 – нормальное давление на грунт P, кПа	0	10	20	30	40	10
X 3 – влажность грунта весовая, W, %	7,5	12,5	17,5	22,5	27,5	5,0
X 4 – температура внешней среды, Т, ° С	5	-5	-15	-25	-35	10
X 5 – продолжительность контакта грунта с металлом, t, мин	0,5	10,5	20,5	30,5	40,5	10

Для определения необходимого числа повторных опытов в проводимом исследовании была специально поставлена серия пробных экспериментов, в которую были включены эксперименты по сдвигу всех применяемых в экспериментальном исследовании типов грунтов. Эксперименты проводились с профилактическим воздействием и без воздействия при температуре внешней среды Т=-15°С, продолжительности контакта грунта с поверхностью tк = 20,5 мин., весовой влажности грунта W=17,5%, нормальном давлении на грунт Р=20 кПа. Эксперименты проводились на сдвиговом стенде (рис. 1), используя два ППЛ с различными характеристиками. ППЛ зажимаются струбцинами, что делает их неподвижными относительно каретки. Использовались два вида ППЛ, наиболее рациональные по параметрам и рекомендуемые группой компаний «Технотекс»: ППЛ-УИ (10 мм) и ППЛ-ЭИ (6 мм).

В результате обработки экспериментальных данных получены следующие уравнения регрессии, определяющие количественный и качественный характер изменения функции отклика от исследуе- мых факторов при реализации матрицы эксперимента. Напряжение сдвига грунта без применения ППЛ листов:

Рис. 1 . Сдвиговой стенд

R,_e = 20.28 + 0.74 x, + 1.69 x - 1.91 x - 1.24 x. - 1.01 x - 0.88 x 2 - 1.49 x 2² - 0.31 x 2 -

. в .                                  1                2                3                4                5                 1                 2                 3

0.163 x 4 - 0.51 x ₅ ² + 1.42 x , x ₂ - 0.283 x , x ₃ - 0.046 x , x ₄ - 1.058 x , x ₅ - 0.092 x ₂ x ₃ + 1.47 x ₂ x ₄ -

4.167 x ₂ x ₅ + 0.02 x ₃ x ₄ + 2.183 x ₃ x ₅ - 3.254 x ₄ x ₅

Напряжение сдвига грунта по ППЛ-ЭИ:

К ЭИ = 2.596 + 0.06 x 1 + 0.225 x ₂ - 0.627 x ₃ - 0.152 x ₄ + 0.007 x ₅ - 0.158 x 2 + 0.203 x ₂ ² + 0.053 x ₃ ² - 0.171 x ₄ ² - 0.103 x ₅ ² + 0.025 x 1 x ₂ - 0.679 x 1 x ₃ + 0.058 x 1 x ₄ - 0.225 x 1 x ₅ - 0.236 x ₂ x ₃ - 0.09 x ₂ x ₄ - 0.333 x ₂ x ₅ - 0.679 x ₃ x ₄ + 0.08 x ₃ x ₅ - 0.225 x ₄ x ₅

Напряжение сдвига грунта по ППЛ УИ:

Я УИ = 3.028 + 0.506 x 1 + 0.127 x ₂ - 0.247 x ₃ - 0.522 x ₄ + 0.289 x ₅ - 0.103 x 2 + 0.308 x 2² + 0.058 x 2 - 0.203 x 42 - 0.241 x ₅ ² + 0.334 x 1 x ₂ - 0.203 x | x ₃ + 0.178 x 1 x ₄ - 0.290 x 1 x ₅ - 0.159 x ₂ x ₃ - 0.090 x ₂ x ₄ - 0.771 x ₂ x ₅ - 0.128 x ₃ x ₄ + 0.359 x ₃ x ₅ - 0.334 x ₄ x ₅

По данным уравнениям регрессии были построены квазиоднофакторные зависимости напряжения сдвига от внешних факторов при фиксации остальных переменных факторов.

Анализ полученных результатов. Анализ полученных результатов показывает, что исследуемые поверхности имеют различные значения напряжений. Характер изменения напряжения сдвига по ППЛ ЭИ и по стали 3 аналогичны друг другу, но отличающиеся усилием в среднем на 17 КПа и наибольшее напряжение возникает при 17,5% влажности. Для всех покрытий с уменьшением температуры увеличивается напряжение сдвига. При понижении температуры на 10 градусов напряжение сдвига в среднем увеличивается на 1 КПа, для всех поверхностей. Разница в напряжении сдвига по полимерным покрытиям и по стали в среднем составляет 18 КПа. Различие между ППЛ ЭИ и ППЛ УИ незначительно, и составляет в среднем 0,5 КПа. Для поверхности ППЛ ЭИ при температуре -25 градусов напряжение сдвига перестает увеличиваться и остается практически неизменным.

Зависимость напряжение сдвига от времени контакта для всех поверхностей различна. Для стали напряжение сдвига возрастает при увеличении времени контакта до 20,5 минут, а при дальнейшем увеличении времени практически неизменно. Для полимерных покрытий напряжение сдвига на протяжении всего интервала времени изменяется незначительно.

Рис. 2. Ковш экскаватора ЕК-18 с ППЛ ЭИ до эксплуатации

Выводы и рекомендации. ППЛ различны по химическому составу, с различной структурой, эффективность каждого проверена экспериментально. Из двух полимерных покрытий наиболее подходящим для сдвига грунта по своим характеристикам является ППЛ ЭИ. Анализ полученных результатов показывает, что разница в напряжении сдвига по ППЛ и по стали очевидна, и составляет в среднем 17-18 КПа, что было доказано экспериментально.

Рис. 3. Ковш экскаватора ЕК-18 с ППЛ ЭИ после эксплуатации

В качестве практического применения результатов исследования, ППЛ ЭИ были установлены на ковш экскаватора ЕК-18 на муниципальном предприятии «Дирекция городской инфраструктуры» г. Братска (рис. 2, 3). Применение ППЛ ЭИ к ковшу экскаватора ЕК-18 в течение двух лет эксплуатации позволило сократить время цикла при разработке влажных связных грунтов при отрицательных температурах за счет снижения налипания и намерзания грунта на рабочий орган экскаватора на 17%; снизить энергоемкость в процессе работы за счет лучшей очистки ковша от грунта.