CC BY
13УДК 628.511.001.57:656.62.073.28:689.46
Ю. И. Матвеев, д. т. н., профессор. Н. С. Отделкин, к. т. п., доцент. Е. И. Адамов, аспирант, ВГАВТ.
6039500, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а, e-mail: pmptmvgavt@yandex.ru
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ПЫЛЕОБРАЗОВАНИЯ И ИЫЛЕУНОСА ПРИ ПЕРЕГРУЗКЕ СЫПУЧИХ ГРУЗОВ ГРЕЙФЕРНЫМИ КРАНАМИ
Статья посвящена экспериментальным исследованиям пылеобразованш и пылеуноса при перегрузке пылящих сыпучих грузов грейферными кранами с учетом высоты разгрузки грейфера, массы груза в грейфере, времени его раскрытия, геометрических размеров и форм приемной емкости, а также скорости ветровых потоков.
Большую часть объема (80—83 %) перевозимых водным транспортом грузов составляют сыпучие грузы, которые перевозят и хранят без упаковки, то есть навалом.
Фракционный состав ряда сыпучих грузов включает в себя частицы размером до 2...3 мм. Грузы с таким фракционным соетавом выделяют в особую группу, так как их перегрузка сопровождается интенсивным пылеобразованием. В дальнейшем такие сыпучие грузы будем называть пылящими.
В табл.1 представлены основные транспортные характеристики сыпучих пылящих грузов, перевозимых водным транспортом.
Таблица 1
Основные транспортные характеристики сыпучих пылящих грузов, перевозимых водным транспортом
Наименование груза Максимальный размер частиц, мм Средний размер частиц, мм Допускаемая влажность Слеживаемость
Апатитовый концентрат 0,102 0,061 1,5 Да
Нефелиновый концентрат 0,02 0,095 0,3 Нет
Железорудный концентрат 0,3 0,07 8...10 Нет
Серный колчедан 0,1 0,003 8 Да
Цемент 0,09 0,02 - Да
Сода кальцинированная 0,037 0,007 - Да
Комовая сера 3 0,1 г Нет
Уголь бурый и каменный 0,037 0,007 - Нет
Из данных табл.1 видно, что фракционный состав приведённых грузов колеблется в пределах от 0 до 3 мм, что и вызывает интенсивное пылеобразование при перегрузочных работах.
Пылеобразование при перегрузочных работах с такими грузами приводит к их безвозвратным потерям в результате уноса взвешенных частиц воздушными потоками и отрицательному воздействию пыли на окружающую среду.
Наиболее интенсивное пылеобразование (рис.1) наблюдается при перегрузке пылящих грузов грейферными кранами и перегружателями, которыми оснашены 45% фронтов грузовых причалов портов [1].
Рис. 1. Перегрузка сыпучих пылящих грузов грейферными кранами: а, в - перегрузка комовой серы в Красноярском речном порту; б - разгрузка судов с апатитовым концентратом в Астраханском речном порту.
Основным критерием экологической безопасности технологии перегрузки пылящих грузов является предельно-допустимая концентрация (ПДК) запыленности воздуха рабочей зоны. Для большинства пылящих грузов, перевозимых водным транспортом, значения ПДК составляют 4...6 мг/м3 [2].
В табл. 2 приведены значения превышения предельно-допустимых концентраций запыленности воздуха в радиусе 10 м от места разгрузки грейфера с различными пылящими грузами [1,3].
Из данных табл. 2 следует, что перегрузочные процессы пылящих грузов с применением грейферных кранов не обеспечивают выполнения санитарных требований по запыленности воздуха в зоне проведения перегрузочных работ.
На речном и морском транспорте при перегрузке пылящих грузов их потери составляют: руда, уголь - 2.3 %, цемент, минеральные удобрения - 1...2 %, железоруд-
ный концентрат, серный колчедан - 0.89 % [4. 5]. Указанные размеры потерь определены только от просыпей груза без учета потерь от пылеобразовання и пылеуноса.
Таблица 2
Превышение предельно-допустимых концентраций запыленности воздуха в радиусе 10 м от места разгрузки грейфера
Наименование груза Превышение ПДК, раз
Пшеница 40... 1000
Уголь 7...50
Руда 8...15
Суперфосфат 60...150
Хлористый калий 6...50
Комовая сера 20... 50
Известняковая мука до 1500
Апатитовый концентрат 500... 700
Необходимо отметить, что процессы пылеобразовання и пылеуноса при работе грейфера с пылящими грузами являются малоизученными. Поэтому данная статья направлена на исследование указанных процессов.
Исследования процессов пылеобразовання и пылеуноса при работе грейфера с пылящими грузами производились на моделях. Методология модельных исследований процессов пылеобразовання при работе грейфера приведена в работах [6, 7] авторов. Однако в данных работах не определены границы репрезентативности разработанных критериев подобия моделей. Поэтому авторами были проведены исследования влияния масштабного фактора на адекватность модели натуре при перегрузке пылящих грузов грейферами.
Целью исследования являлось определение значений линейного масштабного коэффициента . при которых модель процесса пылеобразовання при перегрузке пылящих грузов грейферными кранами будет адекватна натуре.
Исследования проводились на моделях двухчелюстных грейферов (рис. 2), которые были выполнены в масштабе 1:6, 1:10 и 1:14, то есть значения линейного масштабного коэффициента были приняты к.= 6; 10; 14.
а 6 в
Рис. 2. Модели двухчелюстных грейферов: а - Ду =14; б - Ау =10; в - Ау =6.
Методика проведения исследований была принята следующая. В начальный момент раскрытия груженого грейфера включался аспиратор марки В-822, которым че-
рез фильтр АФА-В-10 отсасывался запыленный воздух. Запыленность воздуха определялась весовым методом как отношение массы пыли на фильтре к объему прошедшего через него запыленного воздуха. Вес фильтров до и после отбора проб воздуха определялся на аналитических весах марки ВЛА-200М, которые имеют погрешность 0,1 мг. Повторяемость каждой серии замеров - пятикратная.
В качестве груза использовалась комовая сера с влажностью 1 %.
Значения параметров процессов зачерпывания, истечения груза и удара о преграду падающего груза, принятые для модельных исследований, представлены в табл. 3. Значения указанных параметров определены по формулам перехода от натуры к модели.
Таблица 3
Значения параметров процессов зачерпывания, истечения груза и удара о преграду падающего груза, принятые для модельных исследований
Наименование параметра Значение параметра для определенной величины к^
к, =6 А, =10 к, =14
Масса 1-руза в грейфере, кг 24,0 5.2 1.9
Время / смыкания челюстей, с 5 4 3
Время 1р раскрытия грейфера, с 5 4 3
Высота Н падения груза, м 0.17 0,10 0.07
На рис. 3 представлена схема точек отбора проб воздуха на запыленность при разгрузке грейфера с комовой серой.
Рис. 3. Схема точек отбора проб воздуха на запыленность при разгрузке модельного грейфера с комовой серой
Результаты исследований процесса пылеобразования при разгрузке модельных грейферов с комовой серой приведены в табл. 4.
Таблица 4
Результаты исследований процесса пылеобразования при разгрузке модельных грейферов с комовой серой
Точка отбора проб Запыленность воздуха, г/м3 Ян
в натуре С} в моделях а м Ям
н к, =6 к, =10 -т I—» II •Ае 36 100 196
1 9,01 0,231 0,083 0,037 39 108 245
2 13,62 0,368 0,128 0,057 37 106 237
3 4,06 0,123 0,041 0,017 33 98 234
4 2,02 0,055 0,020 0,008 37 101 241
Из данных табл. 4 видно, что:
при значениях масштабного коэффициента Ау, равных 6 и 10, величины отношений запыленности воздуха в натуре и модели на всех уровнях пылевого выброса близки к расчетным значениям, что доказывает правильность теоретических предпосылок метода неполного моделирования и принятых критериев подобия;
при = 14 значения запыленности воздуха, полученные на модели, отличаются от натурных значений на 20. . . 25 %.
Таким образом, при исследовании процессов пылеобразования при работе грейфера для адекватности модели и натуры значение масштабного фактора не должно превышать 10, то есть величина к/ <,10.
Поэтому последующие исследования процессов пылеобразования при работе грейфера проводились на моделях с масштабным коэффициентом, равным к^ =10.
Для исследований влияния на запыленность воздуха высоты падения груза, времени раскрытия грейфера и размеров приемной емкости (трюм судна, полувагон, бункер) была разработана специальная установка, схема которой представлена на рис. 4, а оборудование для исследований - на рис. 5.
Рис. 4. Схема установки: 1 - стенка боковая переносная; 2 задняя стенка; 3 - стенка боковая с фильтродержателямн для фильтров АФА-В-10; 4 - передняя прозрачная стенка; 5 - шкала для установки переносной стенки;
6 - аспиратор марки В-822.
Рис. 5. Оборудование для исследования запыленности воздуха при разгрузке модельных грейферов с комовой серой
Методика проведения исследования по влиянию на запыленность воздуха высоты раскрытия грейфера была принята следующая. Масса груза в грейфере, время раскрытия грейфера и размер приемной емкости оставались постоянными и были приняты, соответственно, масса груза 3,49 кг. время раскрытия грейфера 4 с. размер приемной емкости 0.191 м3.
Значения высоты падения груза составляли 150; 270; 390; 510; 630 мм.
В качестве груза в исследованиях использовалась комовая сера с алажностью 1 %. Перед началом разгрузки или раскрытия грейфера в работу включался аспиратор. Через мину ту после окончания разгрузки грейфера аспиратор выключатся. Таким образом, время отбора проб воздуха соспшляла 70 сек. Повторяемость каждой серии замеров пятикратная.
Результаты проведенных исследований представлены в табл. 5 и на рис. 6.
Таблица 5
Резулыпшпы исследований запьиенности воздуха от высоты падения груза
Высота падения груза, мм Запыленность воздуха в точках замера, г/м3
т.1 т.2 т.З т.4
150 0,07 0,01 0 0,01
270 0,28 0,15 0,32 0,14
390 0,59 0,23 0,57 0,33
510 1,32 0,8 1,46 1,18
630 1 0,52 0,87 0,53
Из рис. 6 видно, что с увеличением высоты падения груза (высоты раскрытия грейфера) резко возрастает запыленность воздуха. Поэтому для уменьшения пылеоб-разования разгрузка грейфера должна производиться на минимально возможной высоте, то есть на высоте 0,5 . . . 1,0 м над днищем трюма судна, полувагона или над поверхностью груза находящегося в транспортных средствах.
Методика проведения исследования по влиянию на запыленность воздуха времени раскрытия грейфера была принята аналогичной предыдущей.
Рис. 6. Зависимость запыленности воздуха от высоты падения груза: 1 - уровень пылевыброса в т. 1; 2 - уровень пылевыброса в т.2; 3 - уровень пылевыброса в т.З; 4 - уровень пылевыброса в т.4;
Масса груза в грейфере, высота падения грейфера и размер приемной емкости оставались постоянными и были приняты, соответственно, масса груза 3,49 кг, высота раскрытия грейфера 270 мм, размер приемной емкости 0,191 м3. Значения времени раскрытия грейфера составляли 1; 2; 4; 6 с. Результаты проведения исследований представлены в табл. 6 и на рис. 7.
Таблица 6
Результаты исследований запыленноспш воздуха от времени раскрыпшя грейфера
Время раскрытия грейфера, с Запыленность воздуха в точках заме| за, г/м'
т.1 т.2 т.4
1 0,42 0,213 0,273
2 0,488 0,327 0,198
4 0,528 0,42 0,343
6 0,528 0,37 0,508
/1
У
1,и 4 -
** ■Ф N
^ * ■т Ч2
1 2 3 4 5 6 7
время раскрытия грейфера, с
Рис. 7. Зависимость запыленности воздуха от времени раскрытия грейфера. 1 - уровень пылевыброса в т. 1; 2 - уровень пылевыброса в т.2; 3 - уровень пылевыброса в т.4.
Из рис. 7 следует, что с уменьшением времени раскрытия грейфера запыленность воздуха снижается на 16 %. Очевидно на такую же величину можно уменьшить и размер потерь пылящего груза от пылеуноса.
Методика проведения исследования по влиянию на запыленность воздуха размеров приемной емкости была принята аналогичной предыдущей. Время раскрытия грейфера, высота падения груза и масса груза в грейфере оставались постоянными и были приняты, соответственно, время раскрытия грейфера 4 с, высота падения груза 270 мм, масса груза в грейфере 3,49 кг.
Значения размеров приемной емкости составляли: 0,191; 0,142; 0,112; 0,083 м3 В качестве груза в исследованиях использовалась комовая сера с влажностью 1%. Результаты проведения исследований представлены в табл. 7 и на рис. 8.
Таблица 7
Результаты исследований запыленности воздуха от размеров приемной емкости
Размер приемной емкости, м3 Коэффициент ку Запыленность воздуха в т.З, г/м3
0,191 70,74 0,29
0,142 52,59 0,31
0,112 41,48 0,47
0,083 30,74 0,56
Значения коэффициента ку определяется по формуле
V
' (1)
гр
где ¥пр - размер приемной емкости, м3; Угр-размер грейфера, м3.
0,6
й 0,5 >4 Н
и
I 0,4
§ 0.3 §
30 40 50 60 70 80
Коэффициент ку
Рис. 8 Зависимость запыленности воздуха от размеров приемной емкости.
При значениях ку в пределах 50...70 размеры приемной емкости на величину запыленности воздуха влияния не оказывают. При меньших значениях ку необходимо
учитывать размеры приемной емкости при определении запыленности воздуха и пы-леуноса груза. Таким образом при грузовой обработке судов грейферными кранами размеры трюма судна не будут оказывать влияния на запыленность воздуха в отличии от грузовой обработки полувагонов и перегрузке грузов через бункер.
Исследования процесса пылеуноса и запыленности воздуха при работе грейфера проводились на специально разработанной установке, схема которой представлена на рис. 9, а ее общий вид - на рис. 10.
Целью исследования являлось получение математических моделей процесса пылеуноса и запыленности воздуха при работе грейферных кранов и перегружателей.
Установка состоит из съемного корпуса 1 пирамидального сечения с крышкой 2, который ставится на конусное основание 3. Съемный корпус 1 состоит из четырех стенок, две из которых выполнены из прозрачного стекла и могут сниматься. По линии разъема корпуса 1 и основания 3 имеются направляющие 4, по которым в горизонтальной плоскости перемещаются створки 5. Крышка 2 имеет прорези 6 для выхода замыкающего и поддерживающего канатов модельного грейфера 7.
На величины пылеуноса и запыленности воздуха при разгрузке грейфера направление ветрового потока не оказывает влияния. Поэтому потери груза и запыленность воздуха при данном процессе исследовались с учетом только скорости ветрового потока.
Исследования проводились по следующей методике. Сначала определялась масса взвешенной пыли груза при разгрузке модельного грейфера при скорости ветрового потока, равной нулю. Для этого модельный грейфер 7, выполненный в масштабе 1:10, с углем марки АШ и влажностью 0,5... 1,0% помещался в корпус 1 и изолировался крышкой 2. После этого при раскрытых створках 5 осуществлялась разгрузка грейфера на высоте 0,1 м от основания 3. Затем створки 5 закрывались, отсекая взвешенную пыль в корпусе 1.
4 3
7
6
5
Ш //Г)// /// /У/-777—777 7/7 777 777
2
Рис. 9. Схема установки для исследования процесса пылеуноса и запыленности воздуха при работе грейфера: 1 - корпус; 2 - крышка; 3 - основание; 4 - направляющие; 5 - створки; 6 - прорези для канатов; 7 - грейфер; 8 - фильтродержатели с фильтрами.
1
Рис. 10. Общий вид установки для исследования процесса пылеуноса и запыленности воздуха при работе грейфера: 1 - установка; 2 - аспиратор марки В-822; 3 - фильтродержатели е фильтрами: 4 - модель грейфера.
Через шесть часов выдержки пыль угля осаждалась на створках 5. после чего корпус 1 снимался и осевшая пыль взвешивалась на аналитических весах ВЛА-200М, которые имеют погрешность 0.1 мг.
Затем из корпуса 1 снимались две противоположные стеклянные стенки и при разгрузке грейфера с углем создавались ветровые потоки со значениями скоростей 1. 4. 7 и 10 м/с. Для создания ветровых потоков применялась воздуходувка СКМ-АС2. а скорости ветровых потоков определялись с помощью цифрового анемометра марки АСЦ-3.
Схема отбора проб воздуха на запыленность при воздействии ветрового потока в процессе разгрузки модельного грейфера представлена на рис. 11.
Рис. 11. Схема отбора проб воздуха на запыленность при воздействии ветрового потока в процессе разгрузки грейфера
Количество унесенного груза определялось как разница между массой груза, осевшего на створках при нулевом ветровом воздействии, и массой груза, осевшего на створках после воздействия ветрового потока с определенной скоростью. При этом параллельно определялись соответствующие величины запыленности воздуха. Для замеров запыленности воздуха применялся аспиратор марки В-822 и фильтры АФА-В-10.
Аспиратор включался в работу одновременно с воздуходувкой. Запыленность воздуха определялась весовым методом.
Время воздействия ветрового потока на модель 2 минуты.
Повторяемость каждой серии замеров - пятикратная.
Результаты проведенных исследований представлены на рис. 12.
Рис. 12. результаты исследований процесса пылеуноса и запыленности воздуха при перегрузке модельного грейфера с углем: 1 - зависимость запыленности воздуха от скорости ветрового потока; 2 - зависимость пылеуноса груза за один цикл разгрузки грейфера от скорости ветрового потока.
После математической обработки с помощью графического метода, изложенного в [8], результаты исследований можно представить в виде следующих математических моделей:
запыленность воздуха за один цикл работы грейфера
дв = 0,09 + 0,021-У; (2)
процесс пылеуноса груза за один цикл работы грейфера
Мп = 295 + 69.5 • У. (3)
где У - скорость ветровых потоков, м/с.
Таким образом предлагаемые установка и методика для исследования процесса пылеуноса и запыленности воздуха при работе грейфера позволяют получать математические модели указанных процессов, с помощью которых можно спрогнозировать и
определить величины потерь перегружаемого грейфером груза и запыленности воздуха. Это необходимо при оценке технологии перегрузки пылящих сыпучих грузов с применением грейферных кранов и перегружателей на окружающую среду и размеры потерь пылящего груза от пылеобразования и пылеуноса.
Список литературы
[1] Бланк, Ю. И. Борьба с пылеобразованием в морских портах / Ю. И. Бланк, В. Я. Зилщман, В. А. Чикановский // Морской транспорт / Экспресс - информация. - М., 1984. - Вып. 552. - С. 24-29.
[2] Сборник предельно-допустимых концентраций атмосферных загрязнений // Сб. статей / отв. ред. В. А. Рязанов. - М. : Медгиз, 1955. - 120 с.
[3] Отделкин, Н. С. Сокращение потерь комовой серы при перегрузке грейфером / Н. С. Отдел-кин., Н.П. Гладков // ЦБНТИ МРФ - М. - Транспотр, 1989. - Вып. 4. - С. 23-25.
[4] Поваров, Г.С. Сокращение потерь грузов при транспортировке / Г. С. Поваров // Речной транспорт. - 1975. - № 2. - С. 29-40.
[5] Сюхин, Г. А. Снижать потери насыпных грузов при перевозке ! Г. А. Сюхин, А. И. Телегин II Речной транспорт. - 1975. - № 1. - С. 31-35.
[6] Отделкин, Н. С. Неполное моделирование пылевых потоков при загрузке ж. д. вагонов / Н. С. Отделкин // Научные труды. Горькое, инт. инж. водн. трансп. - 1985. - С. 72-83.
[7] Отделкин, Н. С. Теоретические основы прогнозирования пыпевых выбросов при работе грейферных механизмов с мылящими материалами на основе подобия и моделирования / Н. С. Отделкин // Материалы международной научно-практической конференции. - Н. Новгород. - 1997. - С. 21-23.
[8] Калоша, В. К. Математическая обработка результатов эксперимента : общий курс: учебник для вузов / В. К. Калоша, С. И. Лобко, Т. С. Чикова - Минск. : Высшая школа, 1982. - 103 с.
RESULTS OF RESEARCHES OF DUST FORMATION AND DUST CARRYING AT THE OVERLOADING OF FRIABLE CARGO BY CLAMSHELL CRANES
J. I. Matveev, N. S. Otdelkin, E. I. Adamov
The paper is devoted to the experimental researches of dust formation and dust carrying a! an overloading of dust-forming friable cargo by clamshell cranes taking into account unloading height of a clamshell, weight masses in a clamshell, time of its disclosing, the geometrical sizes and shapes of receiving capacity, and also the speed of wind streams.
УДК 539.3
Е. В. Цветкова, к. ф.-м. н., доцент, ВГАВТ.
603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а.
УДАР И ПРОНИКАНИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ТЕЛ В МЯГКИЕ ГРУНТЫ
Численными методами решаются задачи нормального удара и проникания цилиндрических тел в мягкий грунт. Система нелинейных уравнений, описывающая динамику взаимодействующих сред, основывается на соотношениях механики сплошных сред и модели динамики мягких грунтов С. С. Григоряна. Интегрирование уравнений производится на базе модифицированной схемы С. К. Годунова, реализованной в ППП «Динамика-2». Особенностью метода является применение эйлеро-лагранжева подхода к описанию движения сред с использованием произвольных подвижных разностных сеток. Определяются глубины и перегрузки, испытываемые ударниками с различными оголовками при проникании в мягкий грунт. Полученные результаты сравниваются с экспериментальными данными и известными аналитическими и эмпирическими решениями.
