Эффективность вибротранспортирования материалов

Перемещение строительных материалов является одной из наиболее трудоемких операций строительства [1]. Оно осуществляется в определенной последовательности, поскольку нарушение режимов представляет опасность для транспортирующих средств и устройств и окружающей среды.

Чаще всего транспортирование строительных грузов требует обустройства, строительства бункера или использования механизмов, конвейеров и контейнеров. Сыпучие грузы перемещаются или в виде гидро-смесей с использованием в качестве транспортного средства воды или в сухом виде без использования воды. Оба варианта реализуются с использованием трубопроводов.

Важной характеристикой бетонных смесей является влажность, определяющая их основные свойства. технологии с использованием в качестве транспортного средства воды должны уступать технологиям с минимизацией ее количества.

Проблема транспортирования материалов отличается особой актуальностью при подземной разработке месторождений полезных ископаемых при необходимости перемещения больших объемов материалов в сложных условиях.

Вибро-транспортирование увеличивает доступную длину доставки материалов и в подземных условиях, и на дневной поверхности, за счет активации ее компонентов. Это позволяет использовать запасы малоактивного природного сырья и отходов производства. Немаловажно, что это позволяет сохранить земную поверхность и устраняет необходимость строительства новых бетонных установок.

Целью исследований указанного направления является обоснование эффективности вибротранспортирования сыпучих и гидро-насыщенных материалов с моделированием параметров перемещения.

Вибрационное транспортирование материалов заключается в воздействии на трубопровод колебаний знакопеременной силы, которые уменьшают сопротивление транспортированию, в то время, как гидравлический или пневматический напор перемещает материал [].

При неполном заполнении трубопровода сопротивление транспортированию равно коэффициенту динамического трения. При полном же заполнении трубы сопротивление транспортированию превышает массу перемещаемого материала, что препятствует его перемещению.

Показатели вибро-транспорта зависят от амплитуды и частоты вибрации. Амплитуда вибрации не должна превышать 1 мм. Для беспрепятственного перемещения материала диаметр трубопровода и наиболее крупного куска перемещаемого материа- ла должны соотноситься, не более, чем 5/1. Сжатый воздух при необходимости подают в магистраль через эжекторы в верхней части трубопровода.

Первое использование технологии относится к практике разработки месторождений объединения «Висмут» (Германия). Там смесь с осадкой конуса 8 перемещали на расстояние до 2 км.

В конце прошлого века при подземной разработке месторождения Шокпак-Камышовое (Казахстан) использовали вибро – установку для доставки бетонных смесей на расстояние, недоступное традиционной технологии. Если для повышения транспортабельности в материал обычно добавляли воды до осадки конуса 11, то при новой промышленно-экспериментальной технологии материал транспортировали при осадке конуса 9, что улучшало условия работы цемента.

Параметры транспортирования смесей: диаметр воздушной врезки 40 мм; диаметр закладочного трубопровода 170 мм; давление сжатого воздуха в воздушном трубопроводе 6000 Па; производительность установки 60 м3/ч. Состав транспортируемой смеси, кг/м3: цемента до 100, доменных шлаков 160-250, воды – 380. Скорость движения смеси по трубопроводу, м/с: 1,2-1,5. Производительность системы, м3/ч – 100.

При подаче бетонной смеси на расстояние до 2,5 км, частоте колебаний 10-30 Гц и амплитуде 0,51,5 мм расход энергии составил 0,15-0,22 кВт/м3. При равном расходе цемента прочность бетонной смеси увеличилась на 20-25 %.

Вибрационные колебания производили инерционные вибро-возбудители на упругих опорах (рис.1).

• 1    – двигатель;

• 2    – муфта;

• 3    – вибратор;

• 4    – трубопровод;

• 5    – амортизатор;

• 6    – фундамент

Рисунок 1. Устройство вибратора на транспортном трубопроводе

1– узел загрузки;

2– транспортный трубопровод;

3– вибратор;

4– амортизатор;

5– причал;

6– судно

Рисунок 2. Схема погрузки сыпучих грузов на морское судно

Опыт вибро-транспортирования сухих грузов может быть востребован при транспортировании и погрузке материалов в смежных отраслях хозяйства, например, на морском транспорте (рис.2).

Воздействие вибрации обеспечивает тиксотропное разжижение дисперсной среды и перемещение контактирующего со стенками трубопровода материала. Оно проявляется путем ускорения колебаний трубопровода ю:

В транспортируемой массе выделяется основной поток с вязко-пластичными свойствами и пристенный слой. Внутренний диаметр трубопровода:

/ (0,6 - 0,9) g

A

где V_ср – средняя скорость транспортирования, м/с;

d_ср – средний размер транспортируемого материала, мм.

Пропускная способность трубопровода:

При А = 1,0-1,5 м создается исключающий расслоение материала тиксотропно разжиженный пристенный слой. Эффективная вибрация осуществляется при колебании трубопровода с минимальной амплитудой А_m :

где Q – производительность установки, м³/ч; Д – диаметр трубопровода, мм.

A m

ρ r - ₂ ρ o _g ω ^ρ r

где ρ_r , – плотность частиц материала, кг/м³;

ρ_о – плотность дисперсной среды, кг/м³.

При расположении вибровозбудителя в центре инерции длина секции:

A - l1 = b    Am            (3)

a1

где b – коэффициент, учитывающий расположение вибро возбудителя;

a₁ – коэффициент затухания колебаний (0,0070,008 мм/м).

Удельные потери давления на горизонтальном участке трубопровода:

158,73 Д । 4T\ где До - удельные потери давления, П a/м;

• τ¹_о – напряжение сдвига пристенного слоя, а;

• ^ 1 - вязкость тиксотропно разжиженного пристенного слоя, Па с.

Па с            (7)

1 1 = 1 о П i

Рисунок 3. Расчетная схема трубопровода

Дальность подачи материала установкой;

ρ l = c                       (8)

∆ρ где ρ – плотность твердеющей закладочной смеси, кг/м3

Упругие опоры УВТ выполняют функции основных и поддерживающих упругих связей (рис. 3).

Мощность N , потребляемая вибро-возбудителем, складывается из расходуемой на поддержание вынуждающих колебаний трубопровода мощности N_i и идущей на компенcацию потерь энергии в вибро-возбудителе мощности N_M :

N = N_i + N_M             (9)

Мощность на поддержание колебаний трубопровода:

N_i                            (10)

где ф - угол сдвига фаз между перемещением трубопровода и направлением его вынуждающей силы.

Угол сдвига фаз:

Ф = arctg bcST2            (11)

Kw где           – внутренняя поверхность тру бопровода – секции;

b_c – коэффициент сопротивления смеси колебаниям трубопровода, (4,0-7,0) 10⁴кг/(с. м²).

Величина N :

M

N M = f n dPW            (12)

где f – 0,003 – условный коэффициент трения в подшипниках качения;

d – диаметр шейки дебалансного вала в месте сопряжения с подшипником.

Мощность электродвигателя секции:

где ^ M - к. п. д. упругой муфты, 0,95.

Установленная мощность привода установки вибро-транспорта:

где n_c – количество секций.

Значение скорости движения материала принимается минимальной, что позволяет исключить его расслоение при незначительных изменениях подачи из-за неточности дозировки компонентов.

Реализация технологии при осуществлении погрузки сыпучих грузов существенно улучшает экологические условия в окрестностях промышленного объекта.

Рассматриваемая технология позволяет оптимизировать параметры транспортирования грузов и снизить объем попадающих в окружающую среду опасных ингредиентов с получением экологического и технологического эффекта [17-23].

Показатели транспортирования и погрузки сыпучих грузов и гидро-смесей могут быть радикально улучшены путем применения инновационной вибро-технологии с использованием трубопроводов.

Технология вибро-проводной доставки грузов, кроме радикального улучшения экологической обстановки в районе погрузочных работ, обладает достоинствами:

• –    уменьшает объемы и площади погрузочных устройств и сооружений;

• –    осуществляется в изолированном пространстве трубопровода;

• –    легко контролируется и управляется.

Реализация вибро-технологии отвечает направлению комплексного решения экономических и экологических проблем в смежных отраслях народного хозяйства.