C80車皮凍煤分析

1、項目背景自公司開展市場營銷以來，公司的服務有了顯著的提高，2017年末，由于入冬以來氣溫較低，進入我公司的車皮由現(xiàn)了較為嚴重的凍結(jié)現(xiàn)象。給客戶造成了一定的損失。六公司一直秉承客戶至上的經(jīng)營理念，為此公司領(lǐng)導專門召開會議，并責成市場營銷小組展開研究和調(diào)研。第一章總論煤炭是我國儲藏量十分豐富的資源，應用廣泛，由于地區(qū)分布不均，煤炭資源往往需要長距離的火車運輸。我國北方地區(qū)每年11月份到次年3月份，室外溫度普遍在零下10C至零下30c左右，煤炭在長距離的火車運輸過程中經(jīng)常會由現(xiàn)凍粘現(xiàn)象，形成凍煤，凍煤厚度多在400m法右，嚴重時整車凍結(jié)。由于凍煤質(zhì)地堅硬，與運煤車廂連接緊密，卸車作業(yè)十分困難，極大的

2、影響了廣大用煤企業(yè)的用煤成本和正常生產(chǎn)，造成了企業(yè)人力、財力的損失。我國北方冬季氣溫低，煤炭在長距離的火車運輸過程發(fā)生凍粘的現(xiàn)象十分普遍。形成的凍煤質(zhì)地堅硬，與運煤車廂連接緊密，使卸車作業(yè)十分困難，極大影響了廣大用煤企業(yè)的正常生產(chǎn)和火車運力的充分發(fā)揮。而目前國內(nèi)外對于火車凍煤問題并沒有很好的應對解決方案。研究火車運煤車廂凍粘機理和設計高效凍煤清理機械對于凍煤問題的應對處理具有重要意義1.1 研究背景及意義煤炭是我國重要的基礎能源和工業(yè)原料，廣泛應用在冶金、化工、建材、火力發(fā)電等行業(yè)部門。由于我國煤炭具有地區(qū)分布不均的特點，用煤企業(yè)的煤炭來源往往需要火車運輸，而北方冬季室外溫度普遍在.零下10c

3、至零下30c左右，煤炭在長距離運輸過程中不可避免的會由現(xiàn)凍粘現(xiàn)象。凍粘是指在低溫環(huán)境下，由于物體接觸界面間的水分凍結(jié)，使接觸物體表面形成粘合的一種自然現(xiàn)象。煤炭在火車運輸過程中，運煤車廂與外界發(fā)生熱量交換，金屬車廂迅速散失熱量，在車廂底部及車壁附近的煤料中的水分迅速形成最初的粘附源，并不斷向車廂內(nèi)部煤料擴展，形成凍煤。凍煤是一種分散相，多成分顆粒集合體系，與運煤車廂連接緊密，難以清除，且在運煤車廂的底部及車廂四壁尤為突生，多成兜形分布。據(jù)統(tǒng)計，運煤列車平均粘煤率為15%左右,冬季室外氣溫較低時運煤車輛的凍粘率可達30%至60%,嚴重時整車凍實，用煤企業(yè)廣泛使用的翻車機卸載系統(tǒng)無法完成凍粘車輛的

4、卸載工作，卸車作業(yè)十分困難，影響了用煤企業(yè)的用煤成本、正常生產(chǎn)和火車運力的充分發(fā)揮，造成嚴重的人力、財力的損失。粘附現(xiàn)象包括濕粘和凍粘兩類。對于粘附理論的研究主要是以土壤、冰等為研究對象，對于運輸過程中礦物的粘附理論研究多以以大秦線“C80”車皮為研究對象，認為被運輸物料與運輸車皮發(fā)生濕粘的主要原因是被運輸物料一般具有較強的物理和化學吸附作用，能相互粘結(jié)并吸附在礦車表面；如果物料含水量較高，物料及礦車表面容易被水溶液浸潤，在接觸面容易產(chǎn)生彎月面，從而產(chǎn)生毛細管吸力作用。凍粘現(xiàn)象是在濕粘的基礎上進行的，由水在低溫環(huán)境下凝結(jié)成冰粘附在礦物顆粒及礦車表面形成的。而目前針對煤炭在長距離的火車運輸中的凍

5、粘理論研究較少，對運煤車廂凍粘機理的研究對于火車凍煤問題的預防和清理有十分重要的作用。對于凍煤問題目前并沒有很好的解決辦法，用煤企廣泛采用的火車運煤車廂凍煤清理的方式是人工清理和設立暖房。人工清理的方式費時耗力，效率極低，清理一節(jié)凍煤厚度400mm勺火車車廂需要一隊工人清理3小時；而暖房設立初期投資大，占地多，綜合卸車作業(yè)效率也不高。機械清理方法作為一種使用簡便，可操作性強的凍煤處理方式值得廣泛推廣，而目前針對火車運煤車廂凍煤清理的清車機構(gòu)研究較少，基本上是依靠金屬清車機構(gòu)伸入運煤車廂內(nèi)，對凍粘煤料進行強制清除。在實際應用中存在清理效果不理想，煤料凍粘嚴重的情況難以處理，且容易損傷運煤車廂等問

6、題。因此，研究安全高效的凍煤清理裝珞，實現(xiàn)鐵路火車凍煤卸載機械化具有十分重要的意義。1.2 凍煤問題預防及清理措施研究現(xiàn)狀我國冬季煤炭運輸過程中的凍粘現(xiàn)象嚴重影響了廣大用煤企業(yè)的正常生產(chǎn)，據(jù)統(tǒng)計，由煤炭粘附引起的能耗增加高達30%。在國外，凍煤的卸載也是一個難題。在美國、加拿大、俄羅斯等國家的北部地區(qū)冬季氣溫在零下15C至零下40c之間，煤炭凍粘在長距離的火車運輸過程中十分嚴重。近年來國內(nèi)外對凍煤的形成及凍煤問題的預防清理措施進行了一系列研究，對凍煤問題的應對處理措施大體可以分為主動式防凍粘措施和被動式凍粘清理措施。加熱保£法表面改性法節(jié)含水量法圖14凍煤預防清理措施工機械振動法防凍

7、劑法主動式防凍粘措施運煤車廂凍粘使凍煤緊密連接車廂壁上，嚴重降低了卸車作業(yè)效率，影響了企業(yè)正常的煤炭存儲和使用，一直是困擾廣大用煤企業(yè)的棘手問題。多年來國內(nèi)外用煤企業(yè)一直在尋求合理的凍煤問題的預防及清理方法，其中主動式防凍粘措施是指通過對運煤車廂煤炭凍粘形成過程中影響凍粘產(chǎn)生的因素進行干擾，以達到減少凍煤形成或者降低凍煤強度的方法，主要包括以下措施：(1)加熱保溫法加熱保溫法是通過在運煤車輛車壁上安裝加熱管，在車輛運輸途中對運煤車輛及內(nèi)載煤料不斷加熱已達到保溫目的，或者在運煤車輛車壁上加裝保溫層以減少熱量散失。通過干擾凍煤形成過程中的溫度因素預防凍煤產(chǎn)生的方式。(2)調(diào)節(jié)含水量法含水量是煤炭凍

8、粘發(fā)生的主要因素，在煤料含水量低的情況下不會發(fā)生凍粘現(xiàn)象或者凍煤強度很低。該方法的主要措施是在煤源點使用煤炭脫水設備對煤炭進行脫水處理，通過一定壓差和機械離心作用降低煤炭的含水量，需征收額外的處理費用。(3)表面改性法表面改性法是尋求新型的工程材料以代替運煤車廂觸煤表面材料的一種方法。我國及日本學者曾提由使用超高分子量聚乙烯作為運煤車廂底部襯板來防止凍煤產(chǎn)生。但該方法改造工作量大，成本較高，且耐磨性較差，需要經(jīng)常更換。(4)防凍劑法防凍劑的作用原理是通過改變冰的晶體結(jié)構(gòu)以降低冰的形成強度，在車廂底部及車廂四壁噴涂防凍液能防止凍粘現(xiàn)象發(fā)生，或者降低煤炭凍粘的強度。防凍劑的使用需要專門的噴灑裝珞對

9、煤料和車廂均勻噴灑，且大多存在污染環(huán)境的問題。(5)柔性仿生法根據(jù)一些典型土壤動物如蚯蚓等具有減粘附的功能，相關(guān)學者通過對生物柔性體表結(jié)構(gòu)的研究，選取適當仿生材料與結(jié)構(gòu)形式，開發(fā)的一種防凍粘技術(shù)。該技術(shù)還處于研究中，無法應用到實際生產(chǎn)中。實際生產(chǎn)中缺少行之有效的主動式防凍粘方法，主動式防凍粘方法大多處在研究階段，應用較少，且應用費用較高，不適合現(xiàn)階段的凍煤清理工作。1.2.1 被動式凍粘清理措施被動式凍粘清理技術(shù)，是指在凍煤形成后利用一定手段清除凍粘的方法，是產(chǎn)生凍煤后的補救清理方法，在目前沒有理想的防凍粘手段情況下是處理凍煤問題的主要手段。(1)設立暖房目前廣泛應用的暖房主要有熱風對流式和遠

10、紅外輻射加熱式兩種類型。熱風對流式是利用蒸汽管加熱空氣后風扇強制熱風對流對運煤車廂進行加熱；輻射加熱式是直接對運煤車輛輻射加熱。本質(zhì)上都是通過對凍粘運煤車輛加熱解凍的方法。但由于運煤車輛底部的橡膠及氣動元件等特殊構(gòu)造原因，實際應用中暖房內(nèi)的溫度不能過高，一般在70c左右，一次解凍凍厚400mm勺火車車廂使之達到翻車機翻卸要求，需要13小時，效率難以達到企業(yè)卸凍煤要求，且占地面積大，初期投資高。(2)電滲法電滲法是利用電場力作用，以車廂為陰極，以車廂中的運輸物料作為介質(zhì)，將陽極與物料接觸，通過較大的電壓作用在車廂內(nèi)壁和被運輸物料之間形成一層液膜，從而隔離物料和車廂。電滲法不損壞運煤車輛，且無噪聲

11、，但電耗極大、作業(yè)時間長并對粘結(jié)物的含水條件有要求，應用有困難。(3)機械振動法振動法是在翻車機底部設立震動設備，在翻車機翻轉(zhuǎn)到位時依靠電磁脈沖等方式產(chǎn)生強大沖擊力，對車廂底部或車壁進行敲擊，破壞凍煤與車廂的粘附力，從而達到凍煤清理目的的一種方法。該方法無需另設清車線，但清車時噪音極大且容易對車廂造成損傷，凍煤與車廂分離后還有較大的塊度，需再次破碎才能輸送。(4)高壓射流法高壓射流法是利用高壓噴射的水、油、氣等破壞凍煤層，從而使凍煤脫落的方法，實際應用中耗能大，且易產(chǎn)生粉塵，對環(huán)境有不良影響。(5)機械切削法機械清理法是利用機械裝珞對凍煤進行切削破碎的一種方法。機械清理法是一種簡單易行，安全可

12、靠且較易形成規(guī)?；a(chǎn)的方法，在目前擁有廣闊的應用前景。雖然已有相關(guān)的凍煤清理機械裝珞的研發(fā)，如車載移動式旋裝卸煤機等，但清理效率低，清理效果不理想。該方法尚待完善與深入。(6)人工清理，應用最廣的凍煤清理方式，由工人手持風鎬等破碎工具將車廂內(nèi)凍煤破碎后移除車廂，效率低。由以上介紹可以看由，對于凍煤的各種處理方法各有優(yōu)缺點C那么我們公司應該采取哪種方法治理凍煤，則是我們應該重點研究的方向。第二章運煤車廂凍粘機理分析煤炭的凍粘是低溫下濕煤凍結(jié)形成的粘附現(xiàn)象，包括煤料內(nèi)部水分的凍結(jié)和煤料與運煤車壁間水分凍結(jié)形成的粘附。研究運煤車廂煤炭的凍粘機理，建立凍煤的微觀界面模型，分析凍煤內(nèi)部作用力，對于尋求

13、凍煤問題的解決方法具有十分重要的意義。2.1 煤的材料性質(zhì)煤是由植物堆積形成的黑色腐殖質(zhì)在地殼變動時埋入地下，與空氣隔絕，高溫條件下，經(jīng)過長時間復雜的物理化學變化，形成的黑色可燃沉積巖。由于煤形成的初始物質(zhì)的多樣性，使煤炭具有多樣的物理和化學性質(zhì)。2.1.1 煤的表面性質(zhì)水分是煤炭凍粘過程中的關(guān)鍵因素，水分在煤中一般以三種不同的形式存在，分別是外在水分、內(nèi)在水分和化合水。其中外在水分是以機械的方式與煤顆粒相結(jié)合，是煤炭凍粘形成的主要因素；內(nèi)在水分是以物理化學方式與煤相結(jié)合，吸附和凝聚在煤中空隙和內(nèi)部表面的毛細管中的水分，對煤炭凍粘有一定影響；化合水即結(jié)晶水，含量很少，是指以化學方式與煤結(jié)合的水

14、分，對煤炭凍粘沒有影響。煤具有較強的吸附作用，容易吸附水溶液，主要表現(xiàn)在煤的表面浸潤性和內(nèi)部孔隙的毛細管作用。由于煤形成過程的特殊性，與一般礦物相比，更具種類的多樣性和結(jié)構(gòu)的復雜性，煤的表面性質(zhì)可以從以下方面分析：(1)表面潤濕性表面濕潤性是用來衡量物體表面對水的親和力程度，當液體接觸煤表面時，液體在煤表面上被氣體擠壓，由于液體及煤表面的性質(zhì)不同，液體在煤表面上呈現(xiàn)不同的擴大現(xiàn)象。潤濕程度通常用液體表面和固一液界面之間的接觸角e表示,它是由固體、液體、氣體表面張力平衡決定的不潤濕S)潤濕H1-1洞溫情今示意圖接觸角9的可按以下公式計算:cosic-s(2-1)公式中:工-煤的表面張力，N/R1

15、工-液體的表面張力，N/m；工-煤和液體的界面張力，N/m9接觸角接觸角日越小，表示液體對煤的潤濕性越好，煤表面潤濕性與煤化程度有關(guān)，煤化程度輕的煤，表面潤濕性較好；隨著煤化程度加深，煤表面潤濕性變差。潤濕性與吸附外在水溶液的能力及表面水膜的連續(xù)性有關(guān)，潤濕性好的煤表面容易吸附外在水溶液形成凍粘且煤表面水膜連續(xù)，形成凍粘的強度也較大；潤濕性差得表面不易吸附外在水溶液，水膜不連續(xù)，凍粘過程易發(fā)生破壞。(2)潤濕熱煤被液體潤濕時會放生熱量，煤的這種性質(zhì)叫做潤濕熱。潤濕熱通常用單位質(zhì)量的煤被潤濕時放生的熱量來衡量，單位為J儲。煤的潤濕熱主要由分子間作用力作用引起，潤濕熱大小與煤的表面積及煤接觸表面的

16、液體種類有關(guān)，是液體與煤表面相互作用，在一定程度上影響濕煤的凍粘過程。煤的表面積煤的表面積由內(nèi)表面積和外表面積組成，其中由煤內(nèi)部的毛細管及空隙形成的內(nèi)表面積占煤表面積的比例較大，煤的外表面積只占煤表面積中較小的比例。單位質(zhì)量的煤的內(nèi)表面積總和叫做煤的比表面積(m2/g),它是衡量煤內(nèi)表面積的指標，煤的比表面積與煤的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，是煤的重要物理指標之一，一定程度上反映了煤的內(nèi)部空隙率及吸含外在和內(nèi)在水溶液的能力。1.1.2 煤的空隙率和孔徑分布煤是一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜的多孔材料，主要表現(xiàn)在內(nèi)部豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，對于煤炭凍粘形成過程中必需的外在水溶液和內(nèi)在水溶液的吸附有重要影響。(1)煤的空隙率煤的

17、內(nèi)部分布有豐富的空隙結(jié)構(gòu)，煤的空隙率是指煤的內(nèi)部空隙總體積與煤總體積的比值，也可以用單位質(zhì)量的煤的內(nèi)部空隙總體積表示。煤化程度輕的煤空隙率一般在10%以上,隨著煤化程度增加，煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸緊密，空隙率下降；但當煤化到達一定程度時，煤內(nèi)部會由現(xiàn)裂隙，空隙率又有所增加。煤的空隙率與吸含水分的能力有關(guān)，煤中的空隙較大，吸附的水分主要是外在水，對凍粘形成有重要影響，內(nèi)部空隙中的水分結(jié)冰后會形成“銷釘”作用，以機械力形式將煤和冰連接在一起。(2)煤的孔徑分布煤中分布有大小不一的孔徑，這些孔徑可分為微孔、小孔、大孔和可見孔及裂隙。其中微孔直徑小于i0-5mm是煤中孔徑的主要組成部分，占50%以上；小孔是

18、指直徑在io-5mrnEio-4mm之間的孔徑，是毛細管凝結(jié)的空間，占孔徑總量的28%以上：大孔的直徑在10-4mm至io-1mm之間，占煤中孔徑的比例較小，所占的比例影響煤的水分凍粘形態(tài)：可見孔及裂隙的直徑大于10-1mm所占比例最小，表現(xiàn)為煤的宏觀斷裂面。隨著煤化程度的增加，煤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于緊密，孔徑逐漸減小，不同孔徑的分布比例影響沒得毛細管作用及含水能力，孔徑主要影響煤中內(nèi)在水分的吸附，內(nèi)在水分較難分離，對煤炭凍粘過程起重要影響。1.1.3 煤的基本化學結(jié)構(gòu)煤的化學結(jié)構(gòu)高度復雜，而且還與煤質(zhì)有關(guān)，受煤的類型、形成和煤化過程影響，呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)不均一、非晶態(tài)等特點，由于這些因素的影響，使目前對煤

19、的化學結(jié)構(gòu)認識有一定困難。研究表明煤中大分子之間主要靠交聯(lián)作用保持在相對固定的位珞上，交聯(lián)作用是指的是高分子間通過莫些鍵能相互鍵合或連接，這些鍵能包括化學鍵能和非化學鍵能，其中化學鍵能主要是共價鍵，非化學鍵能主要是是氫鍵力和分子間作用力。Wiser模型被認為是目前比較全面，合理的煤化學結(jié)構(gòu)模型模型，如圖2-2所示?；竟脴?gòu)單元圖煤的Wiiter模型該模型中芳香環(huán)數(shù)分布范圍較寬，還含有一些不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)單元之間有3條鍵，交聯(lián)鍵數(shù)較高。交聯(lián)作用可以發(fā)生在分子之間，也可以發(fā)生在分子內(nèi)部，煤的基本化學結(jié)構(gòu)就是煤的基本單元之間通過交聯(lián)作用形成的網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)。煤中的交聯(lián)作用中的化學鍵主要是結(jié)構(gòu)單元

20、之間的聯(lián)接橋鍵；非化學鍵包括分子間作用力和氫鍵力，對煤化程度輕的煤以氫鍵力為主，而煤化程度高的煤以分子間作用力為主。煤的基本單元間的交聯(lián)作用在一定程度上影響著煤的耐熱、抗溶解和機械強度等物理特性，隨著交聯(lián)程度的增強,煤的溶解性和機械強度增強。2.2 運煤車廂凍粘形成機理煤是固、液、氣三相并存的混合系統(tǒng)物質(zhì)，火力發(fā)電廠等用煤企業(yè)實際使用的煤原料多是塊度較大的煤經(jīng)破碎加工后的顆粒度較小的煤料，本文就以這種小顆粒煤料的運輸凍粘過程為研究對象。塊度較大的煤在外力作用下破碎時會沿解理面斷裂形成顆粒度較小的煤粒，這種小顆粒的煤料與塊度較大的煤料相比，表面能量更高，比表面積更大，吸附能力更強。塊煤破碎時的斷

21、裂面會產(chǎn)生得不到補償?shù)臄噫I，這使得形成的小顆粒煤表面對煤中的液態(tài)水溶液中的正負離子親和力不同，導致顆粒煤表面對煤表面電解質(zhì)水溶液中的正、負離子的不等量選擇性吸附作用，表現(xiàn)為煤顆粒中金屬離子在范德華力的作用下更易離開煤顆粒，溶入水溶液，從而使煤顆粒表面帶負電。運煤車廂為鋼鐵結(jié)構(gòu)，表面具有一定的粗糙度及微孔等缺陷，有較高的自由能，容易吸著周圍物質(zhì)以降低表面自由能。車廂金屬表面具有較強親水性，表現(xiàn)為車廂表面Fe等渡金屬缺少電子，呈現(xiàn)正電，易接收水分子中0的多余電子，由于運煤車廂表面和煤顆粒表面的親水性及所帶的不同電性，在煤顆粒與車廂金屬表面之間，水膜趨向穩(wěn)定，極性很強的水分子排列有序，呈現(xiàn)較強的穩(wěn)定

22、粘性，不易被破壞，在接觸面水膜彎月面和毛細管吸力作用下，形成最初的濕粘。煤炭凍粘是在濕粘基礎上發(fā)生的，其形成的根本原因是低溫環(huán)境下煤料中的水分不斷釋放熱量，凍結(jié)成冰形成的冰膠作用。當運煤列車在冬季低溫環(huán)境下行駛時，由于金屬車廂壁具有良好的導熱性，散失熱量速度快，車廂壁的附近的煤料首先進入冷卻狀態(tài)，煤中的水分損失熱量。當溫度降低到0c以下時，車廂附近煤料中的水分的能量大量散失，分子活動能力減弱，水分子排列相對有序，位珞相對固定，煤料中的微小顆粒成為液態(tài)水凝結(jié)成冰的凝結(jié)核，從而形成了煤炭凍粘的初期粘附源，使煤顆粒之間，以及煤顆粒與金屬車廂壁之間產(chǎn)生最初的凍結(jié)粘附。隨著液態(tài)水凝結(jié)晶核的產(chǎn)生和長大，形

23、成的眾多的小晶粒不斷長大，晶粒在各自生長過程中互相抵觸，朝有液態(tài)水存在的方向生長，宏觀表現(xiàn)為凍粘向車廂內(nèi)部發(fā)展，凍粘煤量不斷增加。隨著熱量繼續(xù)散失，煤料凍結(jié)面不斷擴充，最終進入整個環(huán)境溫度系統(tǒng)中熱量的動態(tài)平衡過程，煤炭凍粘情況進入相對穩(wěn)定狀態(tài)。由于凍粘首先發(fā)生在散失熱量較快的金屬車底及車壁，且煤料底部的含水量較高，凍粘過程中底部及車廂壁附近煤料的體積凍脹，運煤車廂底部及邊角處承受較大的界面壓力，使車廂底部及車廂壁的凍粘強度較高，表現(xiàn)為車廂底部及車廂壁凍粘嚴重，典型的凍粘形狀呈“兜形”，呈現(xiàn)車廂四壁凍粘高,中間低的形狀。2.3 凍粘影響因素運煤車廂的煤炭凍粘現(xiàn)象是在一定含水量及低溫的作用下產(chǎn)生的

24、，因此含水量及溫度是運煤車廂凍粘的主要因素。此外，影響運煤車廂煤炭凍粘的因素還包括：壓力、凍結(jié)時間、材料特性、凍結(jié)速率和煤料中水溶液成份等。對凍粘影響因素的研究對凍粘現(xiàn)象的理論分析和尋求凍煤預防處理措施具有重要幫助。(1) 溫度溫度因素是煤炭形成濕粘與凍粘的分界因素，對煤炭凍粘形成起重要作用。研究表明，在一定溫度區(qū)間內(nèi)隨著溫度的降低凍粘強度逐漸增大，當凍粘達到一定的強度后溫度繼續(xù)下降對凍粘強度影響不大。當溫度降至OC時，煤料中的水分開始凝結(jié)，由液態(tài)向固態(tài)轉(zhuǎn)化，液態(tài)水凝結(jié)成冰，形成冰膠作用，并將煤料與車廂連接在一起，同時煤料內(nèi)部的水份往凍結(jié)界面進行遷移，同時，隨著溫度降低，空氣的水分飽和量降低，

25、空氣中的氣態(tài)水分析生，為煤料凍粘界面提供了多余的水分補給，使凍粘界面處水分凝結(jié)加劇，凍粘強度增大。當溫度降至一定程度后，凍粘系統(tǒng)進入平衡狀態(tài)，不會得到更多的水分補給，煤料凍粘保持相對穩(wěn)定。(2) 含水量煤原料的含水量被認為是煤炭凍粘形成的最為關(guān)鍵的因素，研究表明，當煤料的含水量高于5%時，凍粘容易形成；當煤料含水量低于5%時，凍粘強度大大降低，不易形成凍粘。當煤料含水量較低時，煤顆粒接觸界面無法達到充分的濕潤，界面接觸的粘附面變小，轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)粘結(jié)劑的水分也較少，因此凍粘強度較低。隨著含水量增加，接觸界面濕潤較充分，也有較多的水分參與凝結(jié)，轉(zhuǎn)化為粘結(jié)劑，其粘附強度也隨之增加。需要注意的是，當含水

26、量達到一定程度后，過于充足的水分使煤料接觸界面處于游離滑動狀態(tài)，反而會在一定程度上降低凍粘強度。(3) 壓力在凍粘過程中施加壓力會直接影響凍粘強度，這是因為壓力作用在凍粘物體界面上，使物體間的接觸更加緊密，增強了接觸界面的潤濕效果，水分向接觸物體表面的滲透能力增強，從而增大了界面凍粘強度。在運煤車廂煤炭凍粘過程中底部煤料承受項部煤的壓力，并且凍粘首先發(fā)生在車廂底和車壁處，由于凍粘形成過程中的液態(tài)水凝結(jié)成冰，使煤料體積膨脹，增大了車廂底部煤料的壓力，導致車底易形成凍粘，且凍粘強度大。(4) 凍結(jié)時間火車運煤車廂的煤運過程多需要長時間的室外行駛，其凍粘過程是整個運煤車廂系第二章運煤車廂凍粘機理分析

27、統(tǒng)散失熱量，煤料中水分凝結(jié)，進入熱量平衡的過程。在特定的室外溫度環(huán)境下，凍粘系統(tǒng)的平衡過程與凍結(jié)時間有關(guān)C在凍粘系統(tǒng)未進入熱量平衡之前，運煤車廂的凍粘強度與凍結(jié)時間呈線性增長關(guān)系，當凍粘系統(tǒng)進入熱量平衡后，凍粘強度趨于平衡。(5) 材料特性材料的表面性能和熱特性都會對凍粘過程產(chǎn)生影響。表面性能的影響表現(xiàn)在：當物體表面接觸角小于900時，物體表面表現(xiàn)為親水性，表面潤濕充分，形成的水膜連續(xù)且附著能較大，不易破壞，在凍結(jié)過程中形成的冰層也是連續(xù)的，有較高的強度。材料的熱特性對凍粘形成也有很大影響，凍粘的形成是系統(tǒng)熱量交換，逐漸進入熱量平衡的過程，在運煤車廂系統(tǒng)中，金屬車廂壁內(nèi)部煤料的比熱小，導熱性強

28、，凍粘系統(tǒng)中的熱量散失主要通過金屬車廂散失，所以，凍粘首先發(fā)生在車廂底部與車廂壁附近的煤料處。除此以外，材料的熱性能對結(jié)冰速率和冰的結(jié)晶形態(tài)也有影響。止匕外，界面水的成分對結(jié)冰過程中的凝結(jié)核有影響，從而能影響凍粘界面冰層的內(nèi)部應力。凍結(jié)速率也會影響冰結(jié)晶的形態(tài)，對凍粘強度有一定影響。2.4 運煤車廂凍粘微觀界面模型運煤車廂的凍粘現(xiàn)象是低溫下煤料中的水分逐漸凍結(jié)成冰，形成冰膠作用形成的，凍粘首先發(fā)生在低溫的金屬材料表面，形成最初的粘附源后向液態(tài)水的方向擴大，凍粘現(xiàn)象分為運煤車廂與煤顆粒之間的凍粘及煤顆粒之間的凍粘。對運煤車廂凍粘的微觀結(jié)構(gòu)模型的研究，有利于凍粘機理和凍粘內(nèi)部作用力的分析，通過凍粘

29、強度組成的研究，尋找凍粘結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，對于尋求高效凍粘清理方法也有十分重要的意義。2.4.1 凍粘的微觀界面模型建立凍粘現(xiàn)象是水分散失熱量凝結(jié)成冰，粘結(jié)物體表面形成的，本質(zhì)上是運煤車廂與環(huán)境系統(tǒng)熱量交換的過程。凍粘首先發(fā)生在接觸物體界面間的水分與物體的接觸表面，通過對凍粘剝離后的材料表面觀裂171,各種材料的凍粘界面破壞形態(tài)不同，有些材料表面有一層強度較大的粘著冰層，有些材料沒有，這取決于接觸界面處的水凝結(jié)成冰后與材料表面的粘著力。就運煤車廂的凍粘現(xiàn)象來看，凍粘的發(fā)生只有兩種情況：煤顆粒表面和金屬車廂表面間的水分凍結(jié)粘附，以及煤顆粒之間水分的凍結(jié)粘附，通過觀察金屬車廂表面和煤顆粒表面的凍粘破

30、壞形態(tài)都會有粘著冰層。根據(jù)這兩種情況，建立以下運煤車廂凍粘的微觀界面模型。（4）理整粒與車眼的黏附W爆牘粒之間的粘附圖23運煤車眼凍轉(zhuǎn)界面微觀轉(zhuǎn)構(gòu)模型根據(jù)以上建立的運煤車廂凍粘的微觀界面模型，凍粘粘附界面主要有粘著層和粘附冰層組成。凍粘結(jié)構(gòu)模型由5層結(jié)構(gòu)組成，分別是材料表面，凍粘粘著層，粘附冰層，凍粘粘著層，材料表面。基于以上結(jié)構(gòu)模型可以進行凍粘強度和內(nèi)部作用力的分析。2.4.2 內(nèi)部作用力分析根據(jù)以上運煤車廂內(nèi)的凍粘的微觀界面模型的分析，運煤車廂凍粘的內(nèi)部作用力主要由以下作用力組成：冰層與金屬車廂的作用力，冰層與煤顆粒之間的作用力，冰層內(nèi)部作用力，煤顆粒內(nèi)部作用力。(1) 冰層與金屬車廂的作

31、用力運煤車廂凍粘的順序是由外向內(nèi)進行的，金屬車廂表面具有良好的導熱性，運煤車廂凍粘形成的熱量散失主要是靠金屬車廂完成的，因此，車廂表面水分凝結(jié)較快，先凍結(jié)的水分子有較長的重新組合時間，結(jié)晶結(jié)構(gòu)逐漸趨向完美，水分子之間結(jié)合緊密，分子距離小，表現(xiàn)由較高的凍粘強度。由于金屬車廂表面具有一定粗糙度和微孔缺陷，在壓力作用下冰層主要以機械力方式與車廂粘結(jié)。(2)冰層與煤顆粒之間的作用力大塊煤沿解理面破碎后帶有負電，容易吸附水溶液，且煤內(nèi)部具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，使煤顆粒具有較強的吸附能力,表面及內(nèi)部孔隙中易含有水分，使煤顆粒表面潤濕效果較好,形成的冰層凍粘強度也較大。由于煤顆粒表面具有一定的表面粗糙度和孔隙缺

32、陷，煤顆粒表面凍粘的冰層與煤顆粒之間具有較強的摩擦力，煤顆粒和表面冰層的粘合力主要是由這些摩擦力作用構(gòu)成。(3)冰層內(nèi)部作用力冰層內(nèi)部作用力即運煤車廂凍粘的微觀界面模型中粘附冰層和粘著冰層的內(nèi)部作用力，主要是由水分子之的氫鍵作用和分子間作用力組成，表現(xiàn)為冰的強度。(4)煤顆粒內(nèi)部作用力運煤車廂中煤顆粒的強度也影響著車廂內(nèi)部的凍粘的整體強度，通過對煤的基本結(jié)構(gòu)分析，煤的基本單元主要是由交聯(lián)結(jié)構(gòu)連接在一起，保持在相對固定的位珞，這些交聯(lián)結(jié)構(gòu)由氫鍵，共價鍵和分子間作用力構(gòu)成，煤顆粒的強度表現(xiàn)為交聯(lián)結(jié)構(gòu)的強度。綜上所述，運煤車廂內(nèi)部的凍粘強度受氫鍵力，共價鍵力，摩擦力和分子間作用力等多種作用力的影響，

33、各種作用力所表現(xiàn)由來的作用大小各不同。氫鍵鍵能在835kJ/mol,分子間作用力在48kJ/mol。綜上，化學鍵力對凍粘強度的理論貢獻可達7.0x1037.0xio4MPa氫鍵力和分子間作用力貢獻的理論粘結(jié)強度可達7.0xio27.0xio3MPa分析運煤車廂內(nèi)部凍粘的微觀界面模型可知，粘附冰層所占比例較大，其分子間作用力對界面凍粘強度的貢獻作用所占比例較大。但事實上由于冰層和車廂及煤顆粒接觸表面存在一些缺陷、氣孔以及冰層內(nèi)部的雜質(zhì)等因素造成冰層內(nèi)部容易產(chǎn)生應力集中等問題，使得冰層內(nèi)部實際的凍粘強度貢獻遠小于理論上的凍粘強度。由凍粘的微觀界面模型可知運煤車廂內(nèi)部凍粘強度是由冰層與金屬車廂間的作

34、用力，冰層和煤顆粒間的作用力，煤顆粒內(nèi)部的作用力，冰層內(nèi)部作用力中的最薄弱的作用力決定。煤的基本單元之間是靠交聯(lián)作用鍵合在一起的，而冰層中水分子是靠氫鍵力和分子間作用力結(jié)合的，且分子量較小，其作用力小于煤的基本單元之間的交聯(lián)作用力。同時，由于粘附冰層內(nèi)部氣孔，雜質(zhì)缺陷等因素造成粘附冰層內(nèi)部作用力遠低于潤濕較好、凍粘發(fā)生較早的冰層與金屬車廂及煤顆粒界面間粘著層的粘結(jié)力，因此，通常情況下凍粘界面粘附冰層內(nèi)部作用力是凍粘結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。當使用外力破壞凍粘結(jié)構(gòu)時，只要施加的外力達到粘附冰層的破壞強度時凍粘結(jié)構(gòu)即會被破壞。2.5 本章小結(jié)本章分析了煤的材料性質(zhì)及運煤車廂的凍粘機理，得到以下結(jié)論：(1)

35、煤具有較好的表面潤濕性及發(fā)達的內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)，其物理性質(zhì)特性使煤對水溶液有較強的吸附作用，容易吸含水溶液；(2)針對火車運煤過程，分析了運煤車廂凍粘的形成機理，指由凍粘的形成過程本質(zhì)上是運煤車廂熱量散失，直至進入系統(tǒng)熱量平衡的過程，并對影響運煤車廂凍粘的溫度、含水量、壓力等因素進行了分析；(3) 建立了運煤車廂凍粘的兩種微觀界面模型，分析了運煤車廂內(nèi)部的凍粘結(jié)構(gòu)的強度，認為凍粘界面中的粘附冰層的內(nèi)部作用力是運煤車廂內(nèi)凍粘強度的薄弱環(huán)節(jié)。第五章凍煤清理裝珞三維建模研究計算機輔助設計(CAD)是用計算機系統(tǒng)協(xié)助產(chǎn)生、修改、分析和優(yōu)化設計的技術(shù)。利用CA出術(shù)建立產(chǎn)品的參數(shù)化三維模型，對于加速產(chǎn)品和工程

36、的開發(fā)、縮短設計制造周期、降低成本、產(chǎn)品的直觀展示及后續(xù)優(yōu)化設計具有重要的意義。3.1 翻車機卸煤系統(tǒng)建模Solidworks作為一種基于Windows開發(fā)的強大桌面集成系統(tǒng)，擁有眾多功能的插件系統(tǒng)和龐大的標準零件庫，CAD功能強大。通過尺寸驅(qū)動功能可以繪制精確的草圖，并方便后續(xù)修改，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描等特征功能可以直接生成三維實體模型。軟件采用的尺寸驅(qū)動和非全約束的建模技術(shù)使三維模型在建模過程的任何時刻都可以被修改，通過對特征和草圖的動態(tài)修改，可以實現(xiàn)精確三維模型的實時建立。同時，Solidworks擁有強大的裝配功能，可以將三維零件按照設計要求進行精確裝配，獨有的拖拽功能可以最大限度的提

37、高用戶大型裝配設計效率。具有強大的設計功能且易學易用，并能與ANSYSADAMS多種有限元分析軟件良好的交換模型數(shù)據(jù)，便于復雜模型的有限元分析，這些特點完全符合凍煤清理裝珞方案的設計要求，所以選用Solidworks作為本方案的三維建模軟件目前用煤企業(yè)及大型港口碼頭廣泛采用火車卸載方式是翻車機作業(yè)系統(tǒng)，其主要設備組成有重車調(diào)車機（定位車）、翻車機、牽車臺、輕車調(diào)車機。作業(yè)流程主要有以下程序：（1）重車調(diào)車機調(diào)車臂下落與重車車輛聯(lián)桂；（2）重車調(diào)車機牽引車輛前進，車輛進入翻車機平臺定位；（3）重車調(diào)車機調(diào)車臂與車輛解桂；（4）翻車機進行翻卸，并翻回至原位；（5）重車調(diào)車機將車輛牽引如遷車平臺定位

38、；（6）重車調(diào)車機解桂，調(diào)車臂抬起，后退一段距離；（7）遷車平臺向空車線移動直至與空車線對位；（8）重車調(diào)車機高速返回；（9）輕車調(diào)車機將空車牽引由遷車平臺，并送達指定位珞；（10）遷車平臺翻回重車線；（11）輕車調(diào)車機翻回原位。至此，完成一節(jié)車廂的翻車卸載工作，進入下一個工作循環(huán)，直到運載列車全部卸載完畢。翻車系統(tǒng)中各設備的三維模型如下:（1）重車調(diào)車機（齒輪齒條圖3-1重車調(diào)車機三維建模圖重車調(diào)車機主要由車體、調(diào)車臂、驅(qū)動裝珞行走驅(qū)動)、行走裝珞、導向輪等組成，用于牽引滿載的火車車廂。(2) 翻車機圖3-2翻車機三維建模圖翻車機主要有轉(zhuǎn)盤、壓車機構(gòu)、靠車機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)等160o160o組成，將由重車調(diào)車機牽引定位的重車車輛翻轉(zhuǎn)0。左右，將車輛內(nèi)的散貨卸除。(3) 遷車平臺圖3-3遷車平臺三維建模圖遷車平臺主要由平臺主體、驅(qū)動裝珞、行走裝珞、導向輪等組成，將由翻車機翻轉(zhuǎn)傾卸完畢、重車調(diào)車機牽引至平臺并定位的重車車輛遷移至空車調(diào)車線。(4) 輕車調(diào)車機圖3-4空車調(diào)車機三維建模圖輕車調(diào)車機主要結(jié)包括由車體、調(diào)車