CC BY
26
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 <87) 2010
Сравнительный гранулометрический состав пульпы (диаметр частиц ё в мм,
% - процент содержания данного размера частиц в сухой навеске!
I, = 200 м, обычный метод
б 2.0 - 1.0 1,0 - 0,5 0,5 - 0,25 0,25 - 0.1 0.1 - 0.05
Карта намыва
% 0,2 1.2 22,5 66.4 9.7
Сброс (отведенная пульпа на дистанции /,)
% 0.0 0,1 4.9 81.6 13,4
1, — 200 м со спиральным ы-устителем
с1 2,0 1.0 1,0 - 0,5 0,5 - 0,25 0,25 - 0.1 0.1 - 0.05
Карта намыва
% 0.2 1.5 25.6 70.6 2.1
Сброс (отведенная пульпа на дистанции /,)
% 0.0 0.0 3,0 65,5 31.5
(4 — 5 месяцев). Следовательно, нужно использовать полосу толщиной не менее 10 мм или изготавливать ее из высококачественных сталей.
Таким образом, в целом следует констатировать, что использование центробежного сгустителя является целесообразным и перспективным при гидронамыве песка.
Библиографический список
1. Юфин, Л.П. Гидромеханизация / Л.П. Юфин. — М. : Стройиздат, 1974. - 544 с.
2. Юфин. А.П. Гидромеханизация / А.П. Юфин. — М.: Изд-во литературы по строительству, 1965. — 496 с.
3. Поваров. А.И. Гидроциклоны / А.И. Поваров. — М.: Гос-гортехиздат. 1960. — 184 с.
4. Пат. № 2111313 Российская Федерация. Способ повышения концентрации пульпы при гидронамыое / Ткаченко Н.М., Артюшин В.А., Савва А.Г., Чернышков А.П., Щерба В.Е., Болштни-ский А.11.. Казанцев В.В., Жанко Ю.Н. - 5068139: заянл. 26.06.92; опубл. 20.05.98. Бюл. N0 14
ЧИГРИН Максим Иванович, ведущий инженер ОАО «Сибнефтетранспроект».
ЩЕРБА Виктор Евгеньевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Гидромеханика и транспортные машины» Омского государственного технического университета.
Адрес д\я переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 28.12.2009 г.
© М. И. Чнгрин, В. Е. Щерба
УДК « 82 : «2 4 М И ЧИГРИН
ОАО «Сибнефтетранспроект», г. Омск
К ВОПРОСУ О ХАРАКТЕРЕ ДВИЖЕНИЯ ДЕФОРМИРОВАННЫХ ЧАСТИЦ В ПОТОКЕ ПУЛЬПЫ ПРИ НАМЫВЕ ПЕСКА
В статье исследуется влияние формы частиц песка на траекторию их движения и скорость опускания. Показано, что траектория движения и скорость опускания частиц существенно зависят от их формы. Это дает возможность корректировать результаты расчетов движения пульпы по гидропроводу.
Ключевые слова: гидромеханика, обтекание тел, пульпопровод, гидронамыв песка.
Одним из наиболее перспективных способов гид- ватые частицы, не представляющие интереса п каче-
ронамыва песка является использование гравитацион- стве строительного материала, отводятся вместе с
пых сгустителей, устанавливаемых на начальном водой из верхней части пульпопровода в исходный
участке пульпопровода |1]. Суть способа заключа- водоем (рис. 1, 2).
ется в том, что но мере продвижения пульпы от пода- Расчеттакой гидролинии, в принципе, может быть
ющего насоса ее движение стабилизируется, происхо- выполнен по рекомендациям (2-4), однако в этих
Аитчастичное расслоение, и наиболее мелкие и пыле- источниках не уделено должною внимания учету
I
і
В ИСХОДНЫЙ водосм
Рис. 1. Схема работы гравитационного сгустителя по |&]:
I _ пульпопровод, 2 - лона течения до заметного расслоения пульпы, 3 - переходная зона, 4 - зона полного расслоения. 5 - смесь ила и пылеватых частиц с водой, б - трубопровод возврата в исходный водоем
Рис. 2. Схема гидролинии намыва песка:
1 - исходный водоем, 2 - гидромонитор. 3 - насос, 4 - линия возврата осветленной пульпы, 5 - кран-задвижка, б - основной напорный трубопровод, 7 - карта намыва песка
некруглости частиц песка, поскольку во всех расчетах предполагается, что пульпа, имея определенный гранулометрический состав, состоит из частиц правильной формы.
В то же время автор |3] указывает на данное обстоятельство, приводя уравнение для гидравлической крупности (скорости свободного опускания частицы в жидкости) \УК и виде
где й - относительный удельный весь частицы, с/ -ее поперечное сечение, Кг — коэффициент, учитыва-ющий форму частицы, принимающий значение (для падения частицы в воде) 2,73 — для шарообразных тел, 2,97 — для продолговатых и 1,97 - для плоских. Данный коэффициент получен экспериментальным путем. Из этого следует, что продолговатые частицы опускаются в воде быстрее шарообразных примерно на 10 %, а плоские частицы опускаются медленнее шарообразных на 28 %.
Если учесть, что задача гидролинии сводится к отделению только относительно крупных частиц, то достаточно теоретически рассчитанную длину линии от насоса до точки отделения и сброса осветленной пульпы увеличить на 28 - 30 % (для плоских частиц), чтобы получить желаемый результат. Частицы относительно «правильной», близкой к шарообразной и продолговатой форме опустятся в нижнюю часть трубопровода раньше. Однако следует признать, что такое разделение частиц по форме (шар, плоская, продолговатая форма) слишком грубое, чтобы его можно было однозначно использовать для расчета реальной гидролинии.
Еще одним важным обстоятельством ири расчете с использованием уравнений 12 — 4) является предположение о том, что частицы песка двигаются по трубопроводу без взаимных столкновений, которые реально, конечно, будуг иметь место хотя бы уже потому, что скорость опускания частиц различна из-за их формы. Каким образом будет влия ть это обсто-
ятельство на движеиие пульпы, в настоящее время неизвестно и подробно не исследовалось из-за большой сложности фиксации таких столкновений. В то же время можно предположить, что столкновения частиц могут привести как к увеличению, так и к уменьшению скорости их осаждения в нижнюю часть трубопровода. Это же обстоятельство относится и к предположению о том, ч то частицы песка двигаются только в одной плоскости (вертикальной) вдоль и поперек потока.
Таким образом, задача исследования реального поведения частиц различной степени деформации при опускании в жидкости весьма актуальна и должна быть решена с целью использования при реальном проектировании гидролинии но (1 ]•
С целью решения этой задачи была спроектирована и изготовлена установка, показанная на рис. 3.
Установка состоит из жесткого основания 1, на котором через амортизирующие проставки 2 установлена прозрачная емкость 3 с плоским дном, имеющая вперху узкую часть 4. Емкость 3 практически до верхнего среза заполнена обычной водопроводной водой.
Пробные опускания круглых шариков через узкую часть 4 с фиксацией процесса их разгона с помощью видеокамеры позволили установить, что изменение скорости вертикального движения шарика прекращается через 50 — 60 мм от поверхности воды и дальше устанавливается его равномерное движение.
В связи с этим на расстоянии 60 мм ог поверхности воды установлено устройство для фиксации момента прохождения верхней контрольной точки (точка А).
Устройство состоит из двух источников 5 когерентного излучения (миниатюрные лампы накаливания с питанием 3,5 В), снабженных линзами конденсорами 6 для направления пучка света перпендикулярно траектории шарика, и соответственно двух фоторезисторов 7 типа ФР1 -3 с номинальным темповым сопротивлением 47 кОм.
Для фиксации нижнего положения использовался пьезодатик, изготоплештый из пьезокерамической
Рис. 3. Схема установки для изучения влияния формы частиц на скорость и траекторию их опускания в жидкости:
1 - жесткое основание, 2 - амортизаторы, 3 - стеклянный сосуд, 4 - узкий вход. 5 - источник когерентного излучения, 6 - линза-конденсор, 7 - фоторезисгор, 8 - шарик, 9 - пьезокристаллическая пластинка, 10 - массивный груз
їй'
Рис. 4. Приспособление для деформации шариков: а - при установке шарика; б - после деформации шарика; 1 - нажимной винт; 2 - корпус;
3 — сменная дистанционная шайба;
4 - шарик до деформации; б - шарик после деформации
Рис. 5. Часть подготовленных для эксперимента шариков: 1. Шарики недеформнрованные диаметром б мм.
2. Шарики со степенью деформации е =0,83.
3. Шарики с Е = 0,75.4. Шарики с Е = 0,5
пластинки 9 типа ПЭ 40x0,34, которая вместе с массивным грузом 10 приклеивалась к дну сосуда (рис. 3).
Сигналы с фоторезисторов иодавались на мост постоянного тока, после чего вместе с сигналами пьезодатчика через АЦП подавались в ПК, где проводилась обработка результатов.
Для проведения экспериментальных исследований были выбраны шарики из твердого полистирола диаметром б мм весом 0,2 г (удельный вес близок к удельному весу песка). С целью придания шарикам различной формы было спроектировано и изготовлено приспособление, показанное на рис. 4.
Шарик 4 устанавливается в приспособление и зажимается винтом 1 через дистанционную шайбу 3, имеющую выточку высотой, соответствующей остаточной толщине деформированного шарика. После этот потоком горячего воздуха производится нагрев шарика и его деформация путем вворачивания вии-та 1 до упора. После выдержки в течение 2-3 минут деформированный шарик освобождался. Разные по глубине выточки дистанционных шайб обеспечивают разную степень деформации шарика (рис. 5).
Степенью деформации е названо отношение толщины шарика /I после деформации кет диаметру <*ш до деформации — £— Л/с/ш.
На рис. 6—9 показана графическая интерпре тация результатов экспериментов, проведенных с круглыми и деформированными шариками, имитирующими частицы песка.
Все графики демонстрируют нормальный закон распределения результатов, что. с учетом методики проведения эксперимента, говорит о высокой значимости результатов исследования.
На рис. 10 и 11 показаны обобщенные результаты данных экспериментов.
В целом результаты экспериментов подтверждают сведения, которые приведены в (3], — с изменением формы частиц меняется и скорость их осаждения. Причем полученные скорос ти для круглых шариков согласуются с рассчитанными по методике [3] с отклонением не более чем в 25 %, что можно объяснить различием материалов (результаты (3) приведены для песка, а в нашем случае использовался полистирол).
В то же время результаты проведенных экспериментов показали, что скорость опускания частиц
0.3
0.32
0.34
0.36
0,38
0.4
0.42 1 ■ ■ч/с
Рис. 6. Результаты эксперимента по опусканию недеформированных шариков (е= I) в неподвижной воде,
N - число шариков.
Точками обозначено количество шариков, опустившихся с одной и той же скоростью V при округлении значения скорости с шагом 0,01 м/с
Рис. 7. Результаты эксперимента но опусканию деформированных шариков (с = 0,83) в неподвижной воде,
.V - число шариков.
Точками обозначено количество шариков, опуст ившихся с одной и той же скоростью V при округлении значения скорости с шагом 0,005 м/с
/ \
/ / — \
/ \
/ \ \
/ \
/ 238
Рис. 8. Результаты эксперимента но опусканию деформированных шариков |е=0,75) в неподвижной воде, N - число шариков.
Точками обозначено количество шариков, опустившихся с одной и той же скоростью V при округлении значения скорости с шагом 0,005 м/с
Рис. 9. Результаты эксперимента но опусканию деформированных шариков (е=0,5) в неподвижной воде, N - число шариков.
Точками обозначено количество шариков, опустившихся с одной и той же скоростью V при округлении значения скорости с шагом 0,005 м/с
существенно зависит ог степени их деформации, причем «уплощение» частиц сопровождается стабильным снижением скорости, что должно учитываться в расчетах.
Таким образом, в реальной ситуации при определении необходимой для осуществления рассматриваемого метода гидронамыва дистанции /, (рис. 2) необходимо провести анализ гранулометрической)
состава песка конкретного месторождения с выделением наиболее часто встречающейся формы частиц песка.
Как уже отмечалось ранее, на скорость опускания частиц песка в потоке пульпы должно оказывать существенное влияние явление соударения частиц. Этот аспект исследовался при проведении данной серии опытов путем наблюдения за траекторией опускания
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 <87> 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ
Рис. 10. Зависимость скорости опускания шариков в неподвижной воде от их деформации
шариков в спокойной воде. Данные наблюдения позволили установить следующее.
1. Траектория переформированных практически круглых шариков (е = 1,0) близка к прямолинейной. 11еболыние колебания (не превышали 5 7 см) связаны с не идеальностью формы шариков.
2. Траектория опускания шарикоп с е= 0,83 весьма далека от прямолинейной, шарики постояшю меняют траекторию, иногда «переворачиваются», отклонение при единичном колебамии составляло до 10 см. Многие шарики в конце пути опускания отклонялись от центра до 20 см, т.е. угол между вертикалью и общей траекторией шарика составляет около 15*.
3. Траектория опускания шариков с £ — 0,75 еще более непрямолинейна. Шарики очень часто меняют траекторию, постоянно «кувыркаются», отдельные участки траектории напоминают спираль. Отклонение от центра в конце опускания составляет до 30 см, т.е. угол отклонения от вертикали — до 23*.
4. Траектория опускания шариков с £ = 0,5 чрезвычайно нестабильна. Шарики опускаются по разным траекториям, очень часто после нескольких колебаний быстро стабилизируются и далее опускаются почти прямолинейно плашмя, вращаясь вокруг своей оси, практически не «кувыркаются». В среднем отклонение от центра составляет около 15 — 20 см (угол между вертикалью и траекторией - около 12—15°).
Вышеизложенные результаты наблюдений позволяют сделать вывод о том, что в реальном процессе опускания частиц песка будут иметь место их частые соударения. Можно предположить, что соударения и направлении движения частиц не повлияют па скорость их осаждения, т.к. одинаково вероятны «попут-
0.4 0.6 0.8 с Л dw
Рис. 11. Зависимость отношения скорости деформированного шарика уш к скорости недеформироваиного шарика v, от деформации е=h/dul
ные» и «встречные» соударения. В то же время соударения в вертикальной плоскости при общей траектории частицы вниз должны приводить к замедлению опускания более «быстрых» крупных и относительно шарообразных частиц.
Приведенные результаты исследования могут быть использованы при расчете систем гидронамыва песка с использованием способа, описанного в 111.
Библиографический список
1. Пат.№21 И 313 Российская Федерация. Способ повышения концентрации пульпы при гидронамыве / Ткаченко Н.М., Артюшин В.Л.. Савва Л.Г., Чериышков А.П., Щерба В.Е.. Болипин-ский А.П., Казанцев В.В., Жапко 10.1-1. — 5068139 ;заявл. 26.06.92; опубл. 20.05.98, Бюл. N0 14.
2. Ялтанец. И.М. Технология и комплексная механизация открытых горных пород. Часть 3. Гидромеханизированные и подводные горные работы. Кн. 1: Разработка пород гидромониторами и землесосными снарядами / И.М. Ялтанец. - М.: Изд-во «Мир горной книги", 2006. - 546с.
3. Юфин, А.П. Гидромеханизация / А.П. Юфин. — М.: Изд-во литературы по сгроител1>ству1 1965. — 496 с.
4. Юфин, А.П. Гидромеханизация / А.П. Юфин. — М. : Стройиздат. 1974. — 544 с.
Ч ИГР ИТ! Максим Иванович, ведущий инженер ОАО «Сибнефтетранспроект».
Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 28.12.2009 г.
© М. И. Чигрнн
Книжная полка
Тимофеев, Г. А. Теория механизмов и машин [Текст) / Г. А. Тимофеев; МГТУ им. Н. Э. Баумана. — М.: Высш.шк, 2009. — 351 с.: рис., табл. — ISBN 978-5-9692-0244-3.
Изложены основы теории механизмов и машин (ТММ), изучены свойства отдельных типов механизмов, широко применяемых в самых разных машинах, приборах и устройствах; рассматриваются задачи совершенствования современной техники, создания новых высокопроизводительных машин и систем, освобождающих человека оттрудоемких процессов. ТММ базируется на методах ма тематического анализа, векторной и линейной алгебры, дифференциальной геометрии и других разделов математики, поэтому курс лекций рассчитан па студентов, уже имеющих подготовку по высшей математике, теоретической механике, векторной алгебре, информатике и др.
