（机械工程专业论文）运煤车厢冻粘机理分析及高效冻煤清理装置设计.pdf

摘要 煤炭是我国储藏量十分丰富的资源，应用广泛，由于地区分布不均，煤炭资源往 往需要长距离的火车运输。我国北方地区每年1 1 月份到次年3 月份，室外温度普遍在 1 0 3 0 左右，煤炭在长距离的火车运输过程中经常会出现冻粘现象，形成冻煤， 冻煤厚度多在4 0 0 r a m 左右，严重时整车冻结。由于冻煤质地坚硬，与运煤车厢连接 紧密，卸车作业十分困难，极大的影响了广大用煤企业的用煤成本和正常生产，造成 了企业人力、财力的损失。 本文分析了运煤车厢的冻粘形成原因、影响因素及冻煤的内部作用力，建立了运 煤车厢内部冻粘的微观界面模型，指出通常情况下冰层内部作用力是运煤车厢冻粘强 度的薄弱环节。冻煤的破坏属于拉应力破坏，在此基础上建立了冻煤截割破碎的理论 模型，并推导了截割力、进给力和最佳截齿间距的计算方法，为冻煤清理装置的设计 提供了基础。针对目前运煤车厢冻煤清理中缺少适合火车敞车的高效冻煤清理机械的 现状，提出了以截齿螺旋截割破碎冻煤，以螺旋推送方式输送冻煤的门座式冻煤清理 方案，完成了对螺旋截割取料头、清车机构、螺旋输料机构等主要机构的设计计算， 对清车机构中的截齿座进行了避障设计，保证了清车过程中不对运煤车厢的造成损坏。 使用三维建模软件建立了冻煤清理装置的三维实体模型，并利用有限元分析方法对装 置的关键机构进行了强度分析。 关键词：冻粘机理；冻煤清理；装置设计；强度分析；三维模型 a b s t r a c t c o a lw h i c hh a sw i d ea p p l i c a t i o ni sv e r yr i c hr e s o u r c ei no u rc o t m t r y b e c a u s eo f u n e v e nd i s t r i b u t i o n ，c o a lr e s o u r c e su s u a l l yn e e dal o n gd i s t a n c et r a n s p o r t a t i o nb yt r a i n i n t h en o r t hc h i n a , t h eo u t s i d et e m p e r a t u r ei s 一1 5 c 。_ 3 0 。cf r o mn o v e m b e rt om a r c ho f t h e n e x ty e a r t h ec o a lf r e e z e si n e v i t a b l yi nl o n gd i s t a n c et r a n s p o r t a t i o n t h ef r o z e nc o a lm i c k i sa b o u t4 0 0 m m ，w h i c hi sh a r da n dt i g h t l yc o n n e c t e dw i t ht h ev e h i c l e s ，s o m e t i m e sf r e e z e s t oah o l eo n ei ns e r i o u sc o n d i t i o n t h ef r o z e nc o a li sd i f f i c u l tt ou n l o a d , a n dh a sg r e a t l y a f f e c t e dt h ec o a l c o n s u m i n ge n t e r p r i s e s n o r m a lp r o d u c t i o na n dm a t e r i a lc o s t ，c r e a t e dg r e a t m a n p o w e ra n d f i n a n c i a lr e s o u r c el o s s t h i st h e s i ss t u d i e st h er e a s o n ，i n f l u e n c i n gf a c t o r sa n dt h ei n t e r n a lf o r c e so fc o a lt r a i n f r e e z i n ga d h e s i v e ，b u i l dt h ec o n t a c ts u r f a c em i c r o s c o p i cm o d e lo ft h ef r e e z i n ga d h e s i v e ， p o i n to u tt h a tt h ei c el a y e ri st h ew e a kl i n ko ft h ef r e e z i n ga d h e s i v eo r d i n a r y t h ef r o z e n c o a ld e s t r u c t i o ni st h et e n s i o ns t r e s sd e s t r u c t i o n e s t a b l i s ht 1 1 et h e o r e t i c a lm o d e lo ft h e f r o z e nc o a lc u t t i n gi nt h i sf o u n d a t i o no b t a i n st h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h ec u r i n gf o r c e ， f e e d i n gf o r c ea n d b e s tt o o t hs p a c e ，w h i c hp r o v i d i n gf u n d a m e n t a lb a s i sf o rt h ed e s i g no ft h e f r o z e nc o a lu n l o a d e r p u to u tad e s i g np r o p o s a lo ff r o z e nc o a lc l e a n i n gg e n t r ye q u i p m e n t , w h i c hc u t t i n gf r o z e nc o a lw i t hc o n i c a lb i t s ，c o n v e yt h ef r o z e nc o a lw i t ht h ef o r mo fs c r e w c o n v e y i n g c o m p l e t e dt h ed e s i g no ft h em a i ni n s t i t u t i o n so f t h ee q u i p m e n t ，i n c l u d i n gs c r e w c u t t i n gr e c l a i m e r , g o n d o l ac a r - c l e a n i n gi n s t i t u t i o n , s c r e wc o n v e y i n gi n s t i t u t i o n a n dd o o b s t a c l ea v o i d a n c ed e s i g no ft h ep i c kb o x ，a v o i d i n gt h ed a m a g et ot h eg o n d o l ac a ri nt h e c o u r s eo ff r o z e nc o a lu n l o a d i n g b u i l dt h et h r e e d i m e n s i o n a le n t i t ym o d e lo ft h ee q u i p m e n t w i t hm o d e l i n gs o f t w a r e a n dd om e c h a n i c a ld e v i c es t r e n g t ha n a l y s i so ft h ek e yi n s t i t u t i o n w i t hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d k e y w o r d s ：f r e e z i n ga d h e s i v em e c h a n i s m ，f r o z e nc o a lc l e a n i n g ，f r o z e nc o a lu n l o a d e r d e s i g n ，f i n i t ee l e m e n t , t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l n 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 我国北方冬季气温低，煤炭在长距离的火车运输过程发生冻粘的现象十分普遍。 形成的冻煤质地坚硬，与运煤车厢连接紧密，使卸车作业十分困难，极大影响了广大 用煤企业的正常生产和火车运力的充分发挥。而目前国内外对于火车冻煤问题并没有 很好的应对解决方案。研究火车运煤车厢冻粘机理和设计高效冻煤清理机械对于冻煤 问题的应对处理具有重要意义。 1 1 研究背景及意义 煤炭是我国重要的基础能源和工业原料，广泛应用在冶金、化工、建材、火力发 电等行业部门。由于我国煤炭具有地区分布不均的特点，用煤企业的煤炭来源往往需 要火车运输，而北方冬季室外温度普遍在1 0 3 0 。c 左右，煤炭在长距离运输过程 中不可避免的会出现冻粘现象。 冻粘是指在低温环境下，由于物体接触界面间的水分冻结，使接触物体表面形成 粘合的一种自然现象。煤炭在火车运输过程中，运煤车厢与外界发生热量交换，金属 车厢迅速散失热量，在车厢底部及车壁附近的煤料中的水分迅速形成最初的粘附源， 并不断向车厢内部煤料扩展，形成冻煤【l 】。冻煤是一种分散相，多成分颗粒集合体系， 与运煤车厢连接紧密，难以清除，且在运煤车厢的底部及车厢四壁尤为突出，多成兜 形分布。据统计，运煤列车平均粘煤率为1 5 左右，冬季室外气温较低时运煤车辆的 冻粘率可达3 0 - - - , 6 0 ，严重时整车冻实，用煤企业广泛使用的翻车机卸载系统无法 完成冻粘车辆的卸载工作，卸车作业十分困难，影响了用煤企业的用煤成本、正常生 产和火车运力的充分发挥，造成严重的人力、财力的损失【2 】。 粘附现象包括湿粘和冻粘两类。对于粘附理论的研究主要是以土壤、冰等为研究对 象，对于运输过程中矿物的粘附理论研究多以矿山企业中“u ”型矿车运输过程为研究对 象，认为被运输物料与运输矿车发生湿粘的主要原因是被运输物料一般具有较强的物理 和化学吸附作用，能相互粘结并吸附在矿车表面；如果物料含水量较高，物料及矿车表 面容易被水溶液浸润，在接触面容易产生弯月面，从而产生毛细管吸力作用。冻粘现象 是在湿粘的基础上进行的，由水在低温环境下凝结成冰粘附在矿物颗粒及矿车表面形成 第一章绪论 的【3 】。而目前针对煤炭在长距离的火车运输中的冻粘理论研究较少，对运煤车厢冻粘机 理的研究对于火车冻煤问题的预防和清理有十分重要的作用。 对于冻煤问题目前并没有很好的解决办法，用煤企业广泛采用的火车运煤车厢冻 煤清理的方式是人工清理和设立暖房。人工清理的方式费时耗力，效率极低，清理一 节冻煤厚度4 0 0 r a m 的火车车厢需要一队工人清理3 小时；而暖房设立初期投资大， 占地多，综合卸车作业效率也不高。机械清理方法作为一种使用简便，可操作性强的 冻煤处理方式值得广泛推广，而目前针对火车运煤车厢冻煤清理的清车机构研究较少， 基本上是依靠金属清车机构伸入运煤车厢内，对冻粘煤料进行强制清除。在实际应用中 存在清理效果不理想，煤料冻粘严重的情况难以处理，且容易损伤运煤车厢等问题。 因此，研究安全高效的冻煤清理装置，实现铁路火车冻煤卸载机械化具有十分重要的 意义。 1 2 冻煤问题预防及清理措施研究现状 我国冬季煤炭运输过程中的冻粘现象严重影响了广大用煤企业的正常生产，据统 计，由煤炭粘附引起的能耗增加高达3 0 。在国外，冻煤的卸载也是一个难题。在美 国、加拿大、俄罗斯等国家的北部地区冬季气温在一1 5 4 0 c 之间，煤炭冻粘在长距 离的火车运输过程中十分严重。近年来国内外对冻煤的形成及冻煤问题的预防清理措 施进行了一系列研究，对冻煤问题的应对处理措施大体可以分为主动式防冻粘措施和 被动式冻粘清理措施【4 】。 图1 - 1 冻煤预防清理措施 f i g 1 - 1m e a s u r e so ff r o z e nc o a lp r e v e n t i o na n dc l e a n i n g 2 机 械 振 动 法 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 1 主动式防冻粘措施 运煤车厢冻粘使冻煤紧密连接车厢壁上，严重降低了卸车作业效率，影响了企业正 常的煤炭存储和使用，一直是困扰广大用煤企业的棘手问题。多年来国内外用煤企业一 直在寻求合理的冻煤问题的预防及清理方法，其中主动式防冻粘措施是指通过对运煤车 厢煤炭冻粘形成过程中影响冻粘产生的因素进行干扰，以达到减少冻煤形成或者降低冻 煤强度的方法【5 】，主要包括以下措施： ( 1 ) 加热保温法 加热保温法是通过在运煤车辆车壁上安装加热管，在车辆运输途中对运煤车辆及 内载煤料不断加热已达到保温目的，或者在运煤车辆车壁上加装保温层以减少热量散 失。通过干扰冻煤形成过程中的温度因素预防冻煤产生的方式。 ( 2 ) 调节含水量法 含水量是煤炭冻粘发生的主要因素，在煤料含水量低的情况下不会发生冻粘现象 或者冻煤强度很低。该方法的主要措施是在煤源点使用煤炭脱水设备对煤炭进行脱水 处理，通过一定压差和机械离心作用降低煤炭的含水量，需征收额外的处理费用。 ( 3 ) 表面改性法 表面改性法是寻求新型的工程材料以代替运煤车厢触煤表面材料的一种方法。我 国及日本学者曾提出使用超高分子量聚乙烯作为运煤车厢底部衬板来防止冻煤产生。 但该方法改造工作量大，成本较高，且耐磨性较差，需要经常更换。 ( 4 ) 防冻剂法 防冻剂的作用原理是通过改变冰的晶体结构以降低冰的形成强度，在车厢底部及 车厢四壁喷涂防冻液能防止冻粘现象发生，或者降低煤炭冻粘的强度。防冻剂的使用 需要专门的喷洒装置对煤料和车厢均匀喷洒，且大多存在污染环境的问题。 ( 5 ) 柔性仿生法 根据一些典型土壤动物如蚯蚓等具有减粘附的功能，相关学者通过对生物柔性体 表结构的研究，选取适当仿生材料与结构形式，开发的一种防冻粘技术。该技术还处 于研究中，无法应用到实际生产中【6 】。 实际生产中缺少行之有效的主动式防冻粘方法，主动式防冻粘方法大多处在研究 阶段，应用较少，且应用费用较高，不适合现阶段的冻煤清理工作。 第一章绪论 1 2 2 被动式冻粘清理措施 被动式冻粘清理技术，是指在冻煤形成后利用一定手段清除冻粘的方法，是产生 冻煤后的补救清理方法，在目前没有理想的防冻粘手段情况下是处理冻煤问题的主要 手段【l 】。 ( 1 ) 设立暖房阴 目前广泛应用的暖房主要有热风对流式和远红外辐射加热式两种类型。热风对流 式是利用蒸汽管加热空气后风扇强制热风对流对运煤车厢进行加热；辐射加热式是直 接对运煤车辆辐射加热。本质上都是通过对冻粘运煤车辆加热解冻的方法。但由于运 煤车辆底部的橡胶及气动元件等特殊构造原因，实际应用中暖房内的温度不能过高， 一般在7 0 左右，一次解冻冻厚4 0 0 r a m 的火车车厢使之达到翻车机翻卸要求，需要 1 3 小时，效率难以达到企业卸冻煤要求，且占地面积大，初期投资高。 ( 2 ) 电渗法 电渗法是利用电场力作用，以车厢为阴极，以车厢中的运输物料作为介质，将阳 极与物料接触，通过较大的电压作用在车厢内壁和被运输物料之间形成一层液膜，从 而隔离物料和车厢。电渗法不损坏运煤车辆，且无噪声，但电耗极大、作业时间长并 对粘结物的含水条件有要求，应用有困难。 ( 3 ) 机械振动法 振动法是在翻车机底部设立震动设备，在翻车机翻转到位时依靠电磁脉冲等方式 产生强大冲击力，对车厢底部或车壁进行敲击，破坏冻煤与车厢的粘附力，从而达到 冻煤清理目的的一种方法。该方法无需另设清车线，但清车时噪音极大且容易对车厢 造成损伤，冻煤与车厢分离后还有较大的块度，需再次破碎才能输送，故无法得到广 泛应用。 ( 4 ) 高压射流法 高压射流法是利用高压喷射的水、油、气等破坏冻煤层，从而使冻煤脱落的方法， 实际应用中耗能大，且易产生粉尘，对环境有不良影响，难以推广。 ( 5 ) 机械切削法 机械清理法是利用机械装置对冻煤进行切削破碎的一种方法。机械清理法是一种 简单易行，安全可靠且较易形成规模化生产的方法，在目前拥有广阔的应用前景。虽 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 然已有相关的冻煤清理机械装置的研发，如车载移动式旋装卸煤机等，但清理效率低， 清理效果不理想。该方法尚待完善与深入。 ( 6 ) 人工清理，应用最广的冻煤清理方式，由工人手持风镐等破碎工具将车厢内 冻煤破碎后移除车厢，效率低。 由以上介绍可以看出，对于冻煤的各种处理方法各有优缺点，但都不能达到理想 效果。在目前没有行之有效的主动式防冻粘措施情况下，机械方法清理冻煤是解决冻 煤问题的有效办法，但实际火车冻煤卸载作业中缺安全高效冻煤清理装置。 1 3 现有卸煤机械及存在问题 装卸机械是一种能够自行取物的机械装置，能将待装卸物料移动到指定位置，作 为机械设备的一大类，装卸机械广泛应用在工业生产的各个领域，其设计制造水平在 一定程度上反映了国家工业生产中机械化和自动化水平。按照被装卸物的不同可分为 散料物料装卸机和成件物品装卸机，卸煤机作为一种针对煤炭物料的散料装卸机械在 矿山、冶金、火力发电厂、港口等部门行业中起着重要作用。目前国内已有的卸煤机 械主要有以下种类： ( 1 ) 螺旋卸煤机：应用时间较早，应用范围较广的卸煤机械，主要负责将运煤车 辆运来煤炭从运煤车辆中推出。其工作装置是两个旋向相反的水平叶片螺旋。螺旋 卸车机工作时将螺旋叶片沉入待卸煤料中，通过螺旋旋转，叶片将煤炭从运煤车 辆的侧门推出。螺旋卸车机属于门座式结构，要求配用侧开门铁路敞车，卸料地 段应设高路基或坑道堆场，无法卸载冻煤【n 】。 ( 2 ) 截齿卸煤机：是结合螺旋卸煤机和螺旋滚筒采煤机原理设计改造的。它是参 考采煤机的截割破煤原理，在螺旋卸煤机的螺旋叶片上加装高强度截齿，通过螺旋叶 片旋转带动截齿截割破碎冻煤，被破碎的冻煤被螺旋叶片从运煤车辆侧壁推出。截齿 卸煤机具有卸载大块煤、冻煤的能力，是目前冬季机械化冻煤卸载的唯一设备，同样 要求配用侧开门铁路敞车，冻煤清理效果不理想【1 2 】。 ( 3 ) 封闭式垂直螺旋卸煤机：利用螺旋叶片的推送物料能力，将旋转螺旋竖直安 装在承料筒内，底部旋转取料头深入运煤车厢内部，取料头旋转将煤料取入承料筒内， 由内部旋转螺旋向上输送后，有水平螺旋卸载到车厢两侧，属于门座结构，煤料输送 第一章绪论 过程全封闭，能最大限度的防止煤粉扩散，保护环境。不能进行冻粘车厢的卸载工作 0 3 o ( 4 ) 抓斗式卸煤机：广泛应用于港口码头的卸船作业，是一种周期性循环、间歇 运动的卸煤机械，当抓斗到达待卸煤料上方时，提升系统控制抓斗下降到指定煤料位 置，卷扬系统控制抓斗张开，抓取煤料后闭合抓斗并提升，然后平移到指定卸料地点 上方张开抓斗卸料，接着作反方向运动，将抓斗返回抓煤地点，完成一个工作循环。 抓斗卸煤机效率较高，但是工作时粉尘飞扬，对环境污染严重，且不能清理底部残留 煤料，也不能用于冻煤卸载。 ( 5 ) 叶轮卸煤机：能将煤料连续均匀地拨落在运输皮带上，主要用于储煤场煤料 调度。 ( 6 ) 翻车机：港口码头及大型用煤企业应用最广的卸煤机械，翻卸铁路敝车散装 物料的专用大型卸载设备，分为转子式和侧倾式，工作原理都是将待卸的火车车厢停 好后，压车结构压紧车厢，翻车机带动火车车厢一起翻转一定角度，使物料依靠自重 翻落，适用于运输量大的港口及煤炭、冶金、热电等工业部门。翻车机系统卸车 作业效率高，卸车能力可达每小时2 0 2 5 节车厢。翻车机作业系统中需设置相关配 套设备，包括：重车调车机、轻车调车机、迁车台、夹轮器等。无法完成冻煤卸载任 务。 ( 7 ) 移动式卸煤机：一般是在液压挖掘机基础上改造，到达卸煤地点后，有液压 站提供动力，驱动头臂，动臂带动取料机构伸向待卸煤料，取料后驱动臂驱动取料机 构到达指定卸料地点卸载。取料装置分为普通铲形和旋转头，铲形即对挖斗形状改进 使之适合运煤车辆；旋转头是在可以旋转的圆筒底部加装截齿，工作时，旋装头压紧 物料并旋转。靠短螺旋前部的合金截齿的作用能破碎大块物料，被破碎的物料在短螺 旋的作用下流入斗体内并被含在短螺旋中带出。移动式卸煤机属于移动式装卸机械， 对冻煤有一定的破碎作用，但工作效率较低，清理一节冻煤车厢需3 小时左右【1 4 1 。 综上分析，铁路煤运卸载机械中缺少针对煤炭冻粘列车的高效率清理机械，现有 的卸煤机械大都不能完成冻煤卸载的任务，少数可以进行冻煤卸载作业的卸煤机械普 遍存在效率低，清理效果不理想，对运煤车厢有损坏等问题，铁路煤运的机械化卸载 中缺少一种清理效果好，不损伤车厢的高效冻煤清理机械。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 4 论文主要研究内容 煤炭在运输过程中的冻粘问题是制约冬季煤炭运输效率的瓶颈，由于冻煤质地坚 硬，与车厢连接紧密，使冻煤的卸车作业十分困难，造成压车、压线现象及巨大的人 力、财力损失。调研中发现研制高效的冻煤清理装置，实现铁路冻煤装卸机械化是解 决冻煤问题的有效途径，而目前，针对运煤车厢的煤炭冻粘机理及冻煤的破碎力学研 究较少，不能为冻煤清理机械的研究提供完备的理论支持；卸煤机械普遍存在不能清 理冻煤或者冻煤清理效果不理想、效率低、易损伤车厢等问题，铁路的机械化装卸中 缺少行之有效的冻煤清理装置。针对以上问题，论文主要进行以下内容的研究： ( 1 ) 分析运煤车厢煤炭冻粘机理、冻煤结构、冻粘影响因素及运煤车厢冻粘系统 的内部主要的作用力； ( 2 ) 研究冻煤的切削破碎理论，建立冻煤切削破碎的理论模型，推导以机械方式 破碎冻煤的截割力、进给力、最佳截齿间距的理论计算方法； ( 3 ) 针对运煤车厢煤炭冻粘性质及运煤车厢的构造特点，设计高效安全、不损伤 车厢冻煤清理装置方案，并对主要机构进行强度分析和设计计算； ( 4 ) 利用c a d 软件建立冻煤清理装置的三维零件和实体装配模型，为后续设计 提供基础。 第二章运煤车厢冻粘机理分析 第二章运煤车厢冻粘机理分析 煤炭的冻粘是低温下湿煤冻结形成的粘附现象，包括煤料内部水分的冻结和煤料 与运煤车壁间水分冻结形成的粘附。研究运煤车厢煤炭的冻粘机理，建立冻煤的微观 界面模型，分析冻煤内部作用力，对于寻求冻煤问题的解决方法具有十分重要的意义。 2 1 煤的材料性质 煤是由植物堆积形成的黑色腐殖质在地壳变动时埋入地下，与空气隔绝，高温条 件下，经过长时间复杂的物理化学变化，形成的黑色可燃沉积岩。由于煤形成的初始 物质的多样性，使煤炭具有多样的物理和化学性质。 2 1 1 煤的表面性质 水分是煤炭冻粘过程中的关键因素，水分在煤中一般以三种不同的形式存在，分 别是外在水分、内在水分和化合水。其中外在水分是以机械的方式与煤颗粒相结合， 是煤炭冻粘形成的主要因素；内在水分是以物理化学方式与煤相结合，吸附和凝聚在 煤中空隙和内部表面的毛细管中的水分，对煤炭冻粘有一定影响；化合水即结晶水， 含量很少，是指以化学方式与煤结合的水分，对煤炭冻粘没有影响。煤具有较强的吸 附作用，容易吸附水溶液，主要表现在煤的表面浸润性和内部孔隙的毛细管作用。由 于煤形成过程的特殊性，与一般矿物相比，更具种类的多样性和结构的复杂性，煤的 表面性质可以从以下方面分析： ( 1 ) 表面润湿性 表面湿润性是用来衡量物体表面对水的亲和力程度，当液体接触煤表面时，液体 在煤表面上被气体挤压，由于液体及煤表面的性质不同，液体在煤表面上呈现不同的 扩大现象。润湿程度通常用液体表面和固一液界面之间的接触角e 表示，它是由固体、 液体、气体表面张力平衡决定t 4 1 。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 k p c ( a ) 不润湿( b ) 润湿 图2 - 1 润湿情况示意图 f i g 2 1s o a k a g ee f f e c t ss k e t c h 接触角0 的可按以下公式计算： 公式中： k 煤的表面张力，n m ； c o se = 蔓立 丫1 k 液体的表面张力，n m ； 丫l 煤和液体的界面张力，n m ： ( 2 1 ) 吕触角。 接触角0 越小，表示液体对煤的润湿性越好，煤表面润湿性与煤化程度有关，煤 化程度轻的煤，表面润湿性较好；随着煤化程度加深，煤表面润湿性变差。润湿性与 吸附外在水溶液的能力及表面水膜的连续性有关，润湿性好的煤表面容易吸附外在水 溶液形成冻粘且煤表面水膜连续，形成冻粘的强度也较大；润湿性差得表面不易吸附 外在水溶液，水膜不连续，冻粘过程易发生破坏。 ( 2 ) 润湿热 煤被液体润湿时会放出热量，煤的这种性质叫做润湿热。润湿热通常用单位质量 的煤被润湿时放出的热量来衡量，单位为j 儋。煤的润湿热主要由分子间作用力作用引 起，润湿热大小与煤的表面积及煤接触表面的液体种类有关，是液体与煤表面相互作 用，在一定程度上影响湿煤的冻粘过程【1 5 1 。 ( 3 ) 煤的表面积 煤的表面积由内表面积和外表面积组成，其中由煤内部的毛细管及空隙形成的内 第二章运煤车厢冻粘机理分析 表面积占煤表面积的比例较大，煤的外表面积只占煤表面积中较小的比例。单位质量 的煤的内表面积总和叫做煤的比表面积( m 2 g ) ，它是衡量煤内表面积的指标，煤的比 表面积与煤的微观结构密切相关，是煤的重要物理指标之一，一定程度上反映了煤的 内部空隙率及吸含外在和内在水溶液的能力【1 5 】。 2 1 2 煤的空隙率和孔径分布 煤是一种内部结构复杂的多孔材料，主要表现在内部丰富的孔隙结构，对于煤炭 冻粘形成过程中必需的外在水溶液和内在水溶液的吸附有重要影响。 ( 1 ) 煤的空隙率 煤的内部分布有丰富的空隙结构，煤的空隙率是指煤的内部空隙总体积与煤总体 积的比值，也可以用单位质量的煤的内部空隙总体积表示。煤化程度轻的煤空隙率一 般在1 0 以上，随着煤化程度增加，煤的内部结构逐渐紧密，空隙率下降；但当煤化 到达一定程度时，煤内部会出现裂隙，空隙率又有所增加。煤的空隙率与吸含水分的 能力有关，煤中的空隙较大，吸附的水分主要是外在水，对冻粘形成有重要影响，内 部空隙中的水分结冰后会形成“销钉，作用，以机械力形式将煤和冰连接在一起1 5 】。 ( 2 ) 煤的孔径分布 煤中分布有大小不一的孔径，这些孔径可分为微孔、小孔、大孔和可见孔及裂隙。 其中微孔直径小于1 0 - 5 衄，是煤中孔径的主要组成部分，占5 0 以上；小孔是指直径 在1 0 4 _ 1 0 - 4 m m 之间的孔径，是毛细管凝结的空间，占孔径总量的2 8 以上：大孔的 直径在l o 气1 0 m m 之间，占煤中孔径的比例较小，所占的比例影响煤的水分冻粘形 态：可见孔及裂隙的直径大于1 0 m i l l ，所占比例最小，表现为煤的宏观断裂面。 随着煤化程度的增加，煤的内部结构趋于紧密，孔径逐渐减小，不同孔径的分布 比例影响没得毛细管作用及含水能力，孔径主要影响煤中内在水分的吸附，内在水分 较难分离，对煤炭冻粘过程起重要影响。 2 1 3 煤的基本化学结构 煤的化学结构高度复杂，而且还与煤质有关，受煤的类型、形成和煤化过程影响， 呈现结构不均一、非晶态等特点，由于这些因素的影响，使目前对煤的化学结构认识 有一定困难。研究表明煤中大分子之间主要靠交联作用保持在相对固定的位置上，交 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 联作用是指的是高分子间通过某些键能相互键合或连接，这些键能包括化学键能和非 化学键能，其中化学键能主要是共价键，非化学键能主要是是氢键力和分子间作用力。 w i s e r 模型被认为是目前比较全面，合理的煤化学结构模型模型，如图2 - 2 所示。 基本 桥键 嫠 图2 - 2 煤的w i s t e r 模型 f i g 2 - 2w i s e rm o d e l 该模型中芳香环数分布范围较宽，还含有一些不稳定的结构，基本结构单元之间 有3 条键，交联键数较高。交联作用可以发生在分子之间，也可以发生在分子内部， 煤的基本化学结构就是煤的基本单元之间通过交联作用形成的网状空间结构。煤中的 交联作用中的化学键主要是结构单元之间的联接桥键；非化学键包括分子间作用力和 氢键力，对煤化程度轻的煤以氢键力为主，而煤化程度高的煤以分子间作用力为主。 煤的基本单元间的交联作用在一定程度上影响着煤的耐热、抗溶解和机械强度等 物理特性，随着交联程度的增强，煤的溶解性和机械强度增强【1 5 】。 2 2 运煤车厢冻粘形成机理 煤是固、液、气三相并存的混合系统物质，火力发电厂等用煤企业实际使用的煤 原料多是块度较大的煤经破碎加工后的颗粒度较小的煤料，本文就以这种小颗粒煤料 的运输冻粘过程为研究对象。 块度较大的煤在外力作用下破碎时会沿解理面断裂形成颗粒度较小的煤粒，这种小 颗粒的煤料与块度较大的煤料相比，表面能量更高，比表面积更大，吸附能力更强。块 第二章运煤车厢冻粘机理分析 煤破碎时的断裂面会产生得不到补偿的断键，这使得形成的小颗粒煤表面对煤中的液态 水溶液中的正负离子亲和力不同，导致颗粒煤表面对煤表面电解质水溶液中的正、负离 子的不等量选择性吸附作用，表现为煤颗粒中金属离子在范德华力的作用下更易离开煤 颗粒，溶入水溶液，从而使煤颗粒表面带负电。 运煤车厢为钢铁结构，表面具有一定的粗糙度及微孔等缺陷，有较高的自由能，容 易吸着周围物质以降低表面自由能。车厢金属表面具有较强亲水性，表现为车厢表面f e 等渡金属缺少电子，呈现正电，易接收水分子中0 的多余电子，由于运煤车厢表面和煤 颗粒表面的亲水性及所带的不同电性，在煤颗粒与车厢金属表面之间，水膜趋向稳定， 极性很强的水分子排列有序，呈现较强的稳定粘性，不易被破坏，在接触面水膜弯月面 和毛细管吸力作用下，形成最初的湿粘。 煤炭冻粘是在湿粘基础上发生的，其形成的根本原因是低温环境下煤料中的水分 不断释放热量，冻结成冰形成的冰胶作用。当运煤列车在冬季低温环境下行驶时，由 于金属车厢壁具有良好的导热性，散失热量速度快，车厢壁的附近的煤料首先进入冷 却状态，煤中的水分损失热量。当温度降低到0 以下时，车厢附近煤料中的水分的 能量大量散失，分子活动能力减弱，水分子排列相对有序，位置相对固定，煤料中的 微小颗粒成为液态水凝结成冰的凝结核，从而形成了煤炭冻粘的初期粘附源，使煤颗 粒之间，以及煤颗粒与金属车厢壁之间产生最初的冻结粘附【l6 】。随着液态水凝结晶核 的产生和长大，形成的众多的小晶粒不断长大，晶粒在各自生长过程中互相抵触，朝 有液态水存在的方向生长，宏观表现为冻粘向车厢内部发展，冻粘煤量不断增加。随 着热量继续散失，煤料冻结面不断扩充，最终进入整个环境温度系统中热量的动态平 衡过程，煤炭冻粘情况进入相对稳定状态【3 】。由于冻粘首先发生在散失热量较快的金 属车底及车壁，且煤料底部的含水量较高，冻粘过程中底部及车厢壁附近煤料的体积 冻胀，运煤车厢底部及边角处承受较大的界面压力，使车厢底部及车厢壁的冻粘强度 较高，表现为车厢底部及车厢壁冻粘严重，典型的冻粘形状呈“兜形”，呈现车厢四壁 冻粘高，中间低的形状。 2 3 冻粘影响因素 运煤车厢的煤炭冻粘现象是在一定含水量及低温的作用下产生的，因此含水量及 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 温度是运煤车厢冻粘的主要因素。此外，影响运煤车厢煤炭冻粘的因素还包括：压力、 冻结时间、材料特性、冻结速率和煤料中水溶液成份等【4 】。对冻粘影响因素的研究对 冻粘现象的理论分析和寻求冻煤预防处理措施具有重要帮助。 ( 1 ) 温度 温度因素是煤炭形成湿粘与冻粘的分界因素，对煤炭冻粘形成起重要作用。研究表 明，在一定温度区间内随着温度的降低冻粘强度逐渐增大，当冻粘达到一定的强度后温 度继续下降对冻粘强度影响不大。 当温度降至o c 时，煤料中的水分开始凝结，由液态向固态转化，液态水凝结成冰， 形成冰胶作用，并将煤料与车厢连接在一起，同时煤料内部的水份往冻结界面进行迁移， 同时，随着温度降低，空气的水分饱和量降低，空气中的气态水分析出，为煤料冻粘界 面提供了多余的水分补给，使冻粘界面处水分凝结加剧，冻粘强度增大。当温度降至一 定程度后，冻粘系统进入平衡状态，不会得到更多的水分补给，煤料冻粘保持相对稳定。 ( 2 ) 含水量 煤原料的含水量被认为是煤炭冻粘形成的最为关键的因素，研究表明，当煤料的含 水量高于5 时，冻粘容易形成；当煤料含水量低于5 时，冻粘强度大大降低，不易形 成冻粘。当煤料含水量较低时，煤颗粒接触界面无法达到充分的湿润，界面接触的粘附 面变小，转变为固态粘结剂的水分也较少，因此冻粘强度较低。随着含水量增加，接触 界面湿润较充分，也有较多的水分参与凝结，转化为粘结剂，其粘附强度也随之增加。 需要注意的是，当含水量达到一定程度后，过于充足的水分使煤料接触界面处于游离滑 动状态，反而会在一定程度上降低冻粘强度。 ( 3 ) 压力 在冻粘过程中施加压力会直接影响冻粘强度，这是因为压力作用在冻粘物体界面上， 使物体间的接触更加紧密，增强了接触界面的润湿效果，水分向接触物体表面的渗透能 力增强，从而增大了界面冻粘强度。在运煤车厢煤炭冻粘过程中底部煤料承受项部煤的 压力，并且冻粘首先发生在车厢底和车壁处，由于冻粘形成过程中的液态水凝结成冰， 使煤料体积膨胀，增大了车厢底部煤料的压力，导致车底易形成冻粘，且冻粘强度大。 ( 4 ) 冻结时间 火车运煤车厢的煤运过程多需要长时间的室外行驶，其冻粘过程是整个运煤车厢系 第二章运煤车厢冻粘机理分析 统散失热量，煤料中水分凝结，进入热量平衡的过程。在特定的室外温度环境下，冻粘 系统的平衡过程与冻结时间有关。在冻粘系统未进入热量平衡之前，运煤车厢的冻粘强 度与冻结时间呈线性增长关系，当冻粘系统进入热量平衡后，冻粘强度趋于平衡。 ( 5 ) 材料特性 材料的表面性能和热特性都会对冻粘过程产生影响。表面性能的影响表现在：当物 体表面接触角小于9 0 0 时，物体表面表现为亲水性，表面润湿充分，形成的水膜连续且 附着能较大，不易破坏，在冻结过程中形成的冰层也是连续的，有较高的强度。材料的 热特性对冻粘形成也有很大影响，冻粘的形成是系统热量交换，逐渐进入热量平衡的过 程，在运煤车厢系统中，金属车厢壁内部煤料的比热小，导热性强，冻粘系统中的热量 散失主要通过金属车厢散失，所以，冻粘首先发生在车厢底部与车厢壁附近的煤料处。 除此以外，材料的热性能对结冰速率和冰的结晶形态也有影响。 此外，界面水的成分对结冰过程中的凝结核有影响，从而能影响冻粘界面冰层的内 部应力。冻结速率也会影响冰结晶的形态，对冻粘强度有一定影响。 2 4 运煤车厢冻粘微观界面模型 运煤车厢的冻粘现象是低温下煤料中的水分逐渐冻结成冰，形成冰胶作用形成的， 冻粘首先发生在低温的金属材料表面，形成最初的粘附源后向液态水的方向扩大，冻 粘现象分为运煤车厢与煤颗粒之间的冻粘及煤颗粒之间的冻粘。对运煤车厢冻粘的微 观结构模型的研究，有利于冻粘机理和冻粘内部作用力的分析，通过冻粘强度组成的 研究，寻找冻粘结构的薄弱环节，对于寻求高效冻粘清理方法也有十分重要的意义。 2 4 1 冻粘的微观界面模型建立 冻粘现象是水分散失热量凝结成冰，粘结物体表面形成的，本质上是运煤车厢与 环境系统热量交换的过程。冻粘首先发生在接触物体界面间的水分与物体的接触表面， 通过对冻粘剥离后的材料表面观裂1 7 1 ，各种材料的冻粘界面破坏形态不同，有些材料 表面有一层强度较大的粘着冰层，有些材料没有，这取决于接触界面处的水凝结成冰 后与材料表面的粘着力。就运煤车厢的冻粘现象来看，冻粘的发生只有两种情况：煤 颗粒表面和金属车厢表面间的水分冻结粘附，以及煤颗粒之间水分的冻结粘附，通过 观察金属车厢表面和煤颗粒表面的冻粘破坏形态都会有粘着冰层。根据这两种情况， 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 建立以下运煤车厢冻粘的微观界面模型。 粘着层粘着层 ( a ) 煤颗粒与车厢的粘附( b ) 煤颗粒之间的粘附 图2 - 3 运煤车厢冻粘界面微观结构模型 f i g 2 3c o n t a c ts u r f a c em i c r o s c o p i cm o d e lo ft h ef r e e z i n ga d h e s i v e 根据以上建立的运煤车厢冻粘的微观界面模型，冻粘粘附界面主要有粘着层和粘 附冰层组成。冻粘结构模型由5 层结构组成，分别是材料表面，冻粘粘着层，粘附冰 层，冻粘粘着层，材料表面。基于以上结构模型可以进行冻粘强度和内部作用力的分 析。 2 4 2 内部作用力分析 根据以上运煤车厢内的冻粘的微观界面模型的分析，运煤车厢冻粘的内部作用力主 要由以下作用力组成：冰层与金属车厢的作用力，冰层与煤颗粒之间的作用力，冰层内 部作用力，煤颗粒内部作用力。 ( 1 ) 冰层与金属车厢的作用力 运煤车厢冻粘的顺序是由外向内进行的，金属车厢表面具有良好的导热性，运煤车 厢冻粘形成的热量散失主要是靠金属车厢完成的，因此，车厢表面水分凝结较快，先冻 结的水分子有较长的重新组合时间，结晶结构逐渐趋向完美，水分子之间结合紧密，分 子距离小，表现出较高的冻粘强度。由于金属车厢表面具有一定粗糙度和微孔缺陷，在 压力作用下冰层主要以机械力方式与车厢粘结。 ( 2 ) 冰层与煤颗粒之间的作用力 大块煤沿解理面破碎后带有负电，容易吸附水溶液，且煤内部具有丰富的孔隙结构， 使煤颗粒具有较强的吸附能力，表面及内部孔隙中易含有水分，使煤颗粒表面润湿效果 较好，形成的冰层冻粘强度也较大。由于煤颗粒表面具有一定的表面粗糙度和孔隙缺陷， 第二章运煤车厢冻粘机理分析 煤颗粒表面冻粘的冰层与煤颗粒之间具有较强的摩擦力，煤颗粒和表面冰层的粘合力主 要是由这些摩擦力作用构成。 ( 3 ) 冰层内部作用力 冰层内部作用力即运煤车厢冻粘的微观界面模型中粘附冰层和粘着冰层的内部作 用力，主要是由水分子之的氢键作用和分子间作用力组成，表现为冰的强度。 ( 4 ) 煤颗粒内部作用力 运煤车厢中煤颗粒的强度也影响着车厢内部的冻粘的整体强度，通过对煤的基本结 构分析，煤的基本单元主要是由交联结构连接在一起，保持在相对固定的位置，这些交 联结构由氢键，共价键和分子间作用力构成，煤颗粒的强度表现为交联结构的强度。 综上所述，运煤车厢内部的冻粘强度受氢键力，共价键力，摩擦力和分子间作用力 等多种作用力的影响，各种作用力所表现出来的作用大小各不同。氢键键能在8 3 5 k j t o o l ，共价键的键能一般在4 0 0 k j t o o l 左右，摩擦力对冻粘强度的理论贡献可达 1 4 7 0m p a ，分子间作用力在4 - - - - 8 k j m o l 。综上，化学键力对冻粘强度的理论贡献可 达7 0 x 1 0 3 7 o x l 0 4m p a ；氢键力和分子间作用力贡献的理论粘结强度可达7 0 x 1 0 2 , - , , 7 0 x 1 0 3 m p a 。分析运煤车厢内部冻粘的微观界面模型可知，粘附冰层所占比例较大，其 分子间作用力对界面冻粘强度的贡献作用所占比例较大。但事实上由于冰层和车厢及煤 颗粒接触表面存在一些缺陷、气孔以及冰层内部的杂质等因素造成冰层内部容易产生应 力集中等问题，使得冰层内部实际的冻粘强度贡献远小于理论上的冻粘强度【1 8 1 。 由冻粘的微观界面模型可知运煤车厢内部冻粘强度是由冰层与金属车厢间的作用 力，冰层和煤颗粒间的作用力，煤颗粒内部的作用力，冰层内部作用力中的最薄弱的作 用力决定。煤的基本单元之间是靠交联作用键合在一起的，而冰层中水分子是靠氢键力 和分子间作用力结合的，且分子量较小，其作用力小于煤的基本单元之间的交联作用力。 同时，由于粘附冰层内部气孔，杂质缺陷等因素造成粘附冰层内部作用力远低于润湿较 好、冻粘发生较早的冰层与金属车厢及煤颗粒界面间粘着层的粘结力，因此，通常情况 下冻粘界面粘附冰层内部作用力是冻粘结构中的薄弱环节。当使用外力破坏冻粘结构时， 只要施加的外力达到粘附冰层的破坏强度时冻粘结构即会被破坏【1 9 矧。 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 2 5 本章小结 本章分析了煤的材料性质及运煤车厢的冻粘机理，得到以下结论： ( 1 ) 煤具有较好的表面润湿性及发达的内部空隙结构，其物理性质特性使煤对水 溶液有较强的吸附作用，容易吸含水溶液； ( 2 ) 针对火车运煤过程，分析了运煤车厢冻粘的形成机理，指出冻粘的形成过程 本质上是运煤车厢热量散失，直至进入系统热量平衡的过程，并对影响运煤车厢冻粘 的温度、含水量、压力等因素进行了分析； ( 3 ) 建立了运煤车厢冻粘的两种微观界面模型，分析了运煤车厢内部的冻粘结构 的强度，认为冻粘界面中的粘附冰层的内部作用力是运煤车厢内冻粘强度的薄弱环节。 第三章冻煤切削的力学 第三章冻煤切削的力学计算 运煤车厢冻粘后形成冻煤使卸车作业十分困难，使用机械方法卸载冻煤是利用破 碎刀具将冻煤切削破碎后，再将冻煤移出车厢。因此，对冻煤切削破碎过程中的力学 研究，建立冻煤切削破碎的理论模型，对于研究机械方法卸载冻煤具有十分重要意义。 3 1 冻煤切削破碎模型 冻煤属于脆硬材料，其切削破坏以脆性断裂的拉应力破坏为基本特征。可根据 e v a n s 的拉伸破坏理论建立其切削破坏的理论模型。 3 1 1 冻煤的切削破碎过程 截面搜索率、i ，和延伸率6 是判断材料塑性的两个指标。工程上将6 大于5 的材料 称为塑性材料：6 小于5 的材料称为脆性材料。通过对冻煤切削破碎过程的研究 18 1 ， 冻煤是一种脆硬性材料，其切削破碎过程没有明显的塑性变形，破坏以脆性断裂的拉 应力破坏为基本破坏特征，呈现整体崩裂的断屑特征，典型的断屑呈楔形。冻煤切削 过程如图3 1 所示，图中箭头方向为切削方向，当刀具以一定切削深度切削冻煤时， 刀具前刀刃会对前进方向的冻煤造成剪切作用，刀齿前端被切削的冻煤块在剪切力作 用下，其内部靠近刀具尖端附近会产生拉伸应力，当拉伸应力超过冻煤的最大抗拉强 度时，刀具尖端附近的冻煤开始产