Обоснование метода оценки качества разуплотнения почв тяжелого механического состава

Обоснование метода оценки качества разуплотнения почв тяжелого механического состава

Рассмотрена возможность применения законов дробления твердых материалов для разработки метода оценки глубокого разуплотнения почв тяжелого механического состава. Предлагаемый метод оценки позволяет установить взаимосвязь затраченной при разуплотнении работы с геометрическими параметрами измельчаемой почвы. Благодаря предлагаемому методу оценки можно рассчитать энергоемкость рабочего процесса даже в условиях ограниченной информации о разуплотняемых почвах.

Процессы механической активации (разуплотнения) различных материалов и почвы обязательно связаны с изменением их исходных размеров и образованием новых поверхностей. При подобном подходе механическое разуплотнение можно рассматривать как процесс дробления или измельчения. Для теоретического обоснования процессов, происходящих при дроблении и измельчении, как правило, используются закономерности, установленные Кирпичевым и Киком для процессов дробления и Риттингером для процессов измельчения с некоторыми уточнениями Бонда для процессов среднего дробления [4].

Данными закономерностями устанавливается взаимосвязь работы разуплотнения с геометрическими параметрами разуплотняемой почвы, что весьма упрощает реальную картину и позволяет использовать их только для качественного анализа процессов дробления и измельчения.

Для получения зависимостей процесса механического разуплотнения, учитывающих физико-механические свойства измельчаемой почвы и факторов, влияющих на процесс разуплотнения, необходимо представить активацию как поверхностное разрушение почвенных кусков при их взаимном трении или при трении о рабочие поверхности лемеха и боковых стоек разуплотнителя.

Для упрощения модели считаем, что механическое разуплотнение происходит в местах контакта отдельных элементов разуплотняемой почвы друг с другом или с почвообрабатывающим инструментом, без осложнения процесса влиянием тепловых или физико-химических явлений.

Также считаем, что разуплотняемая почва является изотропным телом, для которого всегда можно однозначно определить предел прочности и модуль упругости, которые являются обобщенными физико-механическими характеристиками разуплотняемой почвы.

Общее выражение эмпирической зависимости, характеризующей энергетические затраты на изменение (уменьшение) крупности, может быть представлено в виде.

dE = -k, (1).

где Е — удельная энергия, сообщаемая единице объема разуплотняемого тела, необходимая для прироста энергии вновь образованной поверхности; k — коэффициент пропорциональности; x — средний диаметр почвенных элементов; х^{f (x)} — показатель степени, зависящий от крупности почвенных элементов.

Уравнение (1) может быть представлено в более простой форме.

dE = -k, (2).

где n — коэффициент, который зависит от диапазона крупности получаемых фракций и способа разуплотнения.

Этой зависимостью можно выразить обобщенную форму теоретических и эмпирических уравнений Риттингера, Кика, Кирпичева, Бонда, Свенссона, Холмса и других авторов [1].

Данными закономерностями устанавливаем взаимосвязь работы измельчения с геометрическими параметрами измельчаемого материала, что весьма упрощает реальную картину и позволяет использовать их только для качественного анализа процессов дробления и измельчения.

Для получения зависимостей процесса механического разуплотнения, учитывающих физико-механические свойства измельчаемой почвы и факторов, влияющих на процесс разуплотнения, представляем активацию как поверхностное разрушение кусков почвы при их взаимном трении или при трении о рабочие поверхности лемеха и боковых стоек разуплотнителя.

Для упрощения модели дополнительно считаем, что механическое разуплотнение происходит в местах контакта отдельных элементов разуплотняемой почвы друг с другом или с обрабатывающим инструментом, без осложнения процесса влиянием тепловых и физико-химических явлений.

Также считаем, что разуплотняемая почва является изотропным телом, для которого всегда можно однозначно определить предел прочности и модуль упругости, являющиеся обобщенными физико-механическими характеристи-ками разуплотняемой почвы.

В соответствии с обобщенным законом разрушения твердых тел П. А. Ребиндера работа разрушения определяется из соотношения.

A_p = _n S + k₁ V, (3).

где k₁ — объемная удельная работа упругой деформации; V — часть объема, почвы, подвергшейся критическим деформациям; _n — удельная поверхностная энергия разуплотняемой почвы; S — площадь, образовавшаяся при разрушении существующей поверхности почвенных элементов.

В соответствии с принятой моделью, при перемещении частиц разуплотняемой почвы на плоскости их контакта возникают силы трения. Работу сил трения определяем из следующего соотношения.

A_тp = f F L, (4).

где f — коэффициент трения; F — сила нормального давления; L — путь трения.

Работа сил трения всегда будет пропорциональна работе разрушения.

A_тp = k₀ A_p, (5).

где k₀ — коэффициент пропорциональности.

При условии, что с поверхности разуплотняемой почвы отделяются частицы с малой удельной поверхностью, с определенным приближением первым членом уравнения (3) можно пренебречь, тогда обобщенный закон разрушения П. А. Ребиндера сводится к формуле Кирпичева и Кика [1].

(6).

где — предел прочности разуплотняемой почвы;

E — ее модуль упругости.

Поскольку часть объема почвы, подвергшаяся критическим деформациям, фактически равна объему разуплотненной почвы, то, подставив (4) и (6) в (5) и решив уравнение относительно V, получим выражение для определения объема разуплотненной почвы при взаимном трении частиц разуплотняемого массива.

(7).

Продифференцировав левую и правую часть по времени и полагая, что f, E и для данного материала величины постоянные, получим.

(8).

При F — const, если считать, что почва по разрыхляемому профилю однородна и поступательная скорость разуплотнителя в расчетный момент времени не изменяется, интенсивность объемного разуплотнения почвы.

(9).

где v — скорость относительного перемещения частиц разуплотняемой почвы.

Интенсивность разуплотнения почвы по массе равна.

(10).

где — плотность разуплотняемой почвы.

Анализ показывает, что полученная зависимость будет также справедлива для случая, когда с поверхности разуплотняемой почвы отделяются элементы почвы, обладающие большой удельной поверхностью. В этом случае обобщенный закон разрушения П. А. Ребиндера сводится к формуле Риттингера [1].

A_p = _n S. (11).

Если допустить, что при определенном приближении удельная поверхностная энергия связана с прочностью разуплотняемой почвы выражением Орована — Келли [2]:

(12).

где l — средневзвешенное расстояние между мелкими частицами почвы, то.

(13).

Так как произведение l S пропорционально объему почвы, разуплотняемому за счет сил трения, то, подставив (13) и (4) в (5), получим выражение, аналогичное (9). Отсюда следует, что формула (9) является универсальной и пригодна для описания как разуплотнения при дроблении, когда образуются частицы почвы с малой удельной поверхностью, так и разуплотнения при измельчении, когда образуются частицы с высокой удельной поверхностью.

Довольно обширный экспериментальный материал, подтверждающий справедливость полученных зависимостей, приводится в работе [3]. Исходя из полученной зависимости следует, что производительность разуплотнения (а соответственно и измельчения) прямо пропорциональна коэффициенту трения, скорости относительного перемещения, силе нормального давления, модулю упругости разуплотняемой почвы и обратно пропорциональна квадрату прочности разуплотняемой почвы. Из установленной зависимости также следует, что перспективным в плане повышения производительности разуплотнения может быть рабочее оборудование, обеспечивающее повышение скорости относительного перемещения, силы нормального давления или коэффи-циента трения разуплотняемой почвы.

Вывод. Наиболее важным из полученных зависимостей является то, что одинаковую интенсивность разуплотнения можно иметь как при высоких скоростях относительного перемещения разуплотняемой почвы, но малых нормальных усилиях, так и при высоких нормальных усилиях, но малой скорости относительного перемещения разуплотняемой почвы.

Библиографический список

дробление почва разуплотнение.

• 1. Дешко Ю. И., Креймер М. Б., Крыхтин Г. С. Измельчение материалов в цементной промышленности. — М.: Изд-во литературы по строительству, 1966. 272 с.
• 2. Келли А. Высокопрочные материалы. — М.: Мир, 1976. 261 с.
• 3. Михеенков М. А., Галибов Ю. В., Поручиков Ю. П. Селективное измельчение кусков отработанных формовочных смесей при регенерации песка. //Литейное производство. 1988. № 3. С. 16−17 с.
• 4. Сергеев В. П. Строительные машины и оборудование. — М.: Высшая школа. 376 с.