水力采煤与管道运输基金项.pdf

摹 2期 水 力 采 煤 与 管 道 运 输 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 0 0 7 9 0 1 4 煤锭管道输送 的动力学特性 张晓东 武利生 赵轲 阎庆绂 李元宗‘ 1 、 山西 太原理工大学机械 工程学院 2 、 山西 太原理 工大学建筑与环境工程 学院 摘要 本文分析 了煤锭管道输送中煤锭在不同运动状态下的受力情况。通过大量试 验 测 出 了静 止于管 流 中的煤 锭 表 面的压 强 分布 ， 绘 制 出了反 映煤 锭 表 面压 强 分布 规 律 的压强 系数 曲线 ， 为研 究煤锭 管道输 送 的 力学机理提 供 了必要 的实验 依据 。 关键词 煤 锭 管道输 送 受 力分析 压 强 系数 1 前言 煤 锭管道 输送是 通过 有压 水 力管道输 送 煤锭的一种新技术。美国密苏里哥伦比亚大 学在 实验 室 进行 了试 验 ， 南方 冶 金 学 院林 愉 教 授也 开 展 了 研 究[ 1 q] ， 这 项 技 还 没 有 达 到应 用水平 。 为了 将其应 用 于生 产中 ， 针 对该 技 术与 生 产应 用 的差 距 ， 太 原理 工 大学 水 流 实 验大 厅 建 立了 试验 管道 系 统 ， 开展 了 以应 用 为 目标 的试验 研 究 。 这种输煤技术要求将煤首先压成耐水抗 磨的 圆柱 形煤锭 ， 然 后注 入有 压水 力管道 ， 以 有压水 为介 质经管 道长距 离 输送 出去 。与 目 前 的铁 路 、 公路 、 管 道 等运 煤 方 式 相 比， 煤锭 管道输送具有能耗低、 无环境污染、 缓解交通 拥挤 、 输送 能力 大等诸 多优 点 。 经 济方 面的 分 析 研 究[ ‘ 指 出 ， 煤 锭 管 道 输送 比现 有 的 输 煤 方 式更经 济 ， 更 具市 场竞 争力 。 尽 管煤锭 管道 输送 主要研 究 的是煤 锭 串 的群 体行 为 ， 而 且煤 锭 串 的运 动 规 律 同单 个 煤锭 的运 动不 可 能完 全 一样 ， 但 是 它 们 之 间 显 然有 着 密切 的 联 系 ， 研 究单个 煤 锭 的 运 动 及 受力是研 究煤 锭 串运输 中的 运动学 及动 力 学 特性 的基础 。 所 以不论是 理论 分析 ， 还是 试 验 研究 ， 都 应该 首先 从单 个煤锭 着手 进行 。 本 文 即 遵循 这 一 思路 ， 对 单 煤锭 管 道 输送 的动 力学特性进行了分析及试验研究。虽然这些 分析和研究是针对单个煤锭做 出的， 但是 对 于煤 锭 串管道 输送的 进一 步研 究具有 一 定的 指导 意义 和参 考价值 。 2 煤锭 在管流 中 的受 力 2 ． 1 煤 锭静 止于 管底 时的受 力 当管道 水流速 度 不足 以使煤 锭运 动起 来 时， 煤锭将静止于管底 。这时， 煤锭受到如下 几种 力 见 图 1 1 重 力 W ； 2 管底对 煤锭 的支持 力 N； 3 管底 对煤锭 的静 摩擦 力 f n； 4 管流 作 用 于煤 锭 圆 柱 面上 的 剪 切 力 r 5 管流 作 用于煤 锭 的和来 流方 向 即管 流 的方 向 平行 的压 差 力 F； 6 垂 直于 来流方 向的升 力 n 。 r 和 F是动力， ， 静是阻力。 图 1 煤锭静止于管底时的受力 2 ． 2 煤锭在管道中滑行时的受力 当 管道 流 速 超过 使 煤 锭 起 动 的流 速 ，而 小于 使 煤 锭 悬 浮运 动的 最 小 管 道流 速 时 ， 煤锭 将 沿管 底滑行 。 这时 ， 煤锭 的运 动 速度 小于管道流速 [ 5 ] 。 上述煤锭静止于 管底时的六种力中， 除了管底对煤锭的静摩 9 维普资讯 第 2期 煤 锭 管 道 输 送 的 功 力 学 特 性 擦力 厂 静变成了动摩擦力 厂 动外 ， 其余的五种 力均存 在 ， 而 且方 向也 和上述 的 一样 。 煤 锭 滑 行 时 ， 煤 锭和 管底 间有 一层 水膜 ， 起 到 了润 滑 作用 ， 所以 ， 比 ， 静小得 多 。 2 ． 3 煤 锭完 全悬 浮于 管道 中运 动时 的受 力 当管道流速 超过使煤锭悬浮运动的 最 小 管 道 流 速 时 ， 煤 锭 将 完 全 悬浮 于 管 道 中运 行 ， 煤 锭 的下游 端 以一定 角度 上仰 。 这 时 ， 煤 锭 运 动 速度 大于 管 道 流速 _ 5 ] ， 因 而绕 流方 向发 生改变 ， 和 煤锭运 动 速度 方 向相反。此时煤锭受如下几种力 见图 2 1 重 力 W ； 2 管 流 作 用于 煤 锭 圆柱 面 上 的剪 切 力 r ， 平 行于 煤 锭 轴 线 ， 方 向 和煤 锭 运 动速 度 方 面相 反 ； 3 管流作 用 于煤锭 的 和来流 方 向 和 管 流 方 向相反 平行 的 压差 力 ； 4 垂直 于来 流方 向 的升 力 F 。 绕 流 方 一 图 2煤 锭 完 全 悬 浮 运 动 时 的受 力 综 上所 述 ， 不论煤 锭 的运动 状 态如何 ， 始 终受到 重 力 、 剪切 力 r 、 来 流方 向平行 的 压 差 力 F和垂 直于 来流 方 向的升 匀n 。 压 差 力 F和升 力 n 都 来 源 于管流 作 用 在煤 锭 表 面 的总 压 力 ， 分别 是 总 压 力在 平 行 和垂 直于来 流方 向上 的分 量 。压 差力 F方 向 始 终指 向煤锭 运 行 方 向 ， 是 动 力 ， 升 力 n 的 方 向始终 垂直 于来流 方 向 ， 指 向上 方 后 面试 验 可 验证 。煤锭 能 否 悬浮 运 动 取 决于 升 力 的 大 小 ， 当 升 力 F 完全 抵 消 重 力 时 ， 煤 锭即 悬浮运 动 。 在 2 ． 1和 2 ． 2节 中 ， 剪切 力 r的方 向 和 煤 锭 的运 动 方 向相 同 ， 是 动 力 ， 而 在 2 ． 3节 中， 剪切 力 r 的方向和煤锭运动方向相反， 是 阻 力 。 剪切 力 r 是 流体粘 性 直接 作用 的结果 。 1 O 3 煤锭表面压强分布规律的研究 升 力是 绕流 体作 用在物 体 上 的总压 力在 垂直 于来流 方 向上 的分量 。如 果掌 握 了管 流 中煤 锭 表 面 的压 强 分布 规 律 ， 就 能 对煤 锭 所 受升 力进行 计 算 。 对 于管 道 中运 动 的煤锭 ． 要 想 直接测 出其 表面 的压 强分 布相 当困难 。如 果将煤锭固定于管道 中， 使水流绕流煤锭， 这 时 的表面 压强 便 易于测 量 。根据 动力 相似准 则 ， 只 要这 时 的 相似 准 则 数 和实 际 运 动 时的 相 同 ， 则两 种情 况是 动 力相似 的 ， 这样 测出的 煤 锭表 面压 强分布 可近 似地 反映 实际 情况 。 3 ． 1 试验 装 置 3 ． 1 ． 1 煤锭 模型 煤锭模型 以下简称模型 由有机玻璃制 成 ， 直径 一9 0 mm， 长 厶 一2 6 0 mm， 如 图 3 所示 。则模 型的外 形 特征尺 寸 可用 无量纲 数 厶／ n 一2 ． 8 9表示 。 管 道 内径 D一1 0 0 mm， 则 模型 直径 和管道 内径 比为 Df ／ D---- - 0 ． 9 。模型 表面有 2 3个直径 2 mm 的测 压孔 ， 它 们均 位 于 同一 轴 截面 上 ， 沿 两 端 面 半径 方 向 各分 布 5个 、 圆柱 面 母 线 方 向分 布 1 3个 测 压 孔 、 位 置 见表 1 、 表 2 。 图 3烘锭模型 表 1 模型 端面测压孔位置 ／ ram 测 压 孔 序 号0 1 2 3 4 1 8 1 9 2 0 2 1 2 2 距端面圆心距离0 9 1 8 2 7 3 6 3 6 2 7 1 8 9 0 测 压 孔 中粘 接 外 径 2 mm 的软 管 ， 软 管 置于模 型空 腔 内 ， 集成 一束 由下 游端 面引 出 ， 将软 管 接至 压 力计 ， 从 而 可 以测 得 测 压孔 处 维普资讯 摹 2期 水 力 采 煤 与管 道 运 输 2 0 0 3年 6月 的压 强 。 模型圆柱面上刻有等间距的 2 4条线 ， 涂 成红、 蓝相间的颜色， 测压孔中心一 位于其中一 条 线上 。这些 线是 用于 调整模 型转 角的 。 图 3中 A 向视 图 所示 为 模 型下游 端 面 ， 大孔为软管束的引出孔， 位 于远离测压孔一 侧， 尽量避免软管束对测压孔处流动的影响 。 另外两 个对 称的 小孔是 用于 调节模 型转 动 角 度时工 具 的插 入孔 。 3 ． 1 ． 2 模型距离管底高度调节装置 在 管壁 上距 管道 出 口 1 ． 3 im 处 的 前 后 对 称位 置 上装 有 两相 同装 置 见 图 4中 1 。 在装置 中 ， 五条 螺栓在 圆周 上均 布 ， 调节 下 面 两个螺栓 D、 E的旋入长度， 便可以对模型距 管底高 度进 行调 节 。调节 两装 置 的螺栓 D、 E 还可使模型有一攻角 ， 同时， 五条螺栓可以固 定模型， 限制其在管道中的径向运动 。 此管 管道外 壁顶 部刻 有一 条 同管道轴 线 平 行 的线 ， 作 为 调节 管 道 内模 型 转 动 角度 的 基 准线 。 图 4中 2为两 水 平 对 称 布 置 的螺 栓 ， 用 于模型 轴 向定 位 。 图 4煤 锭 模 型 高 度 调 节 装 置 3 ． 2 试 验 过程 将 模 型 从 管 道 出 口送 至 高 度 调 节 装 置 处， 将轴 向定位螺栓旋入 ， 挡住模 型下游端 面 。 转 动模 型 ， 使测压 孔所 在 的那 条线 和管 道 外壁 顶部 的基准 线位 于同 一铅 垂面 内 。然 后 将螺栓 B旋入 ， 直 至使模型 紧贴管底， 接着 旋入螺栓 D、 E， 使其和模型恰好接触。然后 将 螺 栓 B旋 出 ， 接 着 旋入 螺 栓 D、 E， 记 录 螺 栓旋入的圈数就可 以精确控制模型被抬高的 高度及攻角。调好模型高度后 ， 旋入螺栓 C、 F， 固定 模型 。 在某一管道流量下 ， 记录各测压孔的压 强 。 测量完 毕后 ， 松开 螺栓 C、 F， 逆 时针 从 出 口看 旋转模型， 使模型圆柱面上与测压孔相 邻的线 和管道 外壁 顶部 的基 准线位 于 同一 铅 垂面内， 则模型逆时针转过了 一1 5 。 ， 旋入螺 栓 C、 F固定模型 。再记录各测压孔的压强。 如此 便 可得 到 对应 一 定 流 量 、 悬 浮 高 度 和 攻 角下的模型表面压强分布规律 。 3 ． 3 试验数据的处理与分析 用无量纲压强系数来表示流体作用于物 体任一点的压强 ， 定义处于管流中的模型表 面任 一点 的压强 系数 为 P P 乙 P 一 ID 。 式中 P 一模型表面任一点的压强 ， P a ； 一 模型 上游 的管流 静压 ， P a ； p ． - 管 流密度 ， k g ／ m。 ； 一 无模型处的管道断面平均 流速 ， m／ s 。 用 无量纲 数表示 数据 可 以反 映压 强分 布 的一般规律 。分别用无量纲数 X／ 厶 和 r ／ R 表示在模型柱面上和端面上的测压点位 置， X 为 测 压 点距 上 游 端 面 的 距 离 ， r为 测 压 点 距端面圆心距离 ， R 为模型半径 。由于试验 数据很 多 ， 本 文 只列 出流量 为 1 O ． 8 t l h 对 应 无模型处雷诺数 R 一3 8 2 1 6 、 模型紧贴管底 时表 面 压 强分 布 的 部分 数 据 ， 列 于表 3至表 5 ， 此 时 一 7 ． 2 k P a 。表 3列 出了模 型 表面 X／ 厶 一0 ． 1 5 4和 X／ 厶 一0 ． 5两 处 沿 圆 周 方 向的压强分 布 数据 ， 表 4为模型 表 面 一O 。 和 一 1 6 5 。 两 处沿 母线 方 向的 压 强分 布 数据 ， 表 5为模型上游端面 一1 5 。 和 一1 6 5 。 两处沿 半径 方 向的压 强分 布数据 。根 据表 3 、 4数据 可绘 成 曲线 ， 分 别对 应 图 5 、 6 。图 5采 用极 坐 标 表 示 曲线 ， 作 为极 角 ， C 作 为极 径 。图 6 中 ， 用 X／ 厶 作横 坐 标 ， C 作 纵 坐标 。从 理论 上分析 ， 以模型铅直轴截面为对称面， 两侧的 维普资讯 第 2期 煤 锭 管 道 输 送 的 劝 力 学 特 性 绕流运动是对称的 ， 因而两侧的压强分布也 是对称的， 试验也证明了其正确性 ， 所以表 3 中只给出了沿半 圆周的压强分布数据 ， 图 5 也只绘出了沿半圆周的压强系数分布曲线。 从 图 5中可 看 出 ， 模 型 圆柱 i 面沿 圆周方 向压 强随 角 度 变化 而 变 化 ， 模 型下 表 面 压 强 大 于上表 面 压强 。 从 图 6可 看 出 ， 模型圆柱 沿 母 线 方 向压 强 也 不 断变 化 ， 曲线 和横 坐标 所 围成 面积 的 中 心 偏于 来 流 方 向 ， 因此 升力 作 用 点不 在模 型质 心上 ， 而 偏于 来 流方 向 。 一 1 6 5 。 压强 系数 曲线 在 0 。 压 强 系数 曲线 上 方 ， 也 表 明模型 下表 面压 强大 于 上表面 压强 。 另 外 ， 根 据 表 5 数 据 ， 在 模 型 端 面 上 ， 压强 沿 裹 3 模 型柱面沿圆周方向压强分布数据 冗 3 8 2 1 6 ， 厶／ 1 9 , 2 ． 8 9 ， D, ／ D O ． 9 ， 7 ． 2 k P a 裹 4 模 型柱面沿母 线方向压强分布数据 R 一3 8 2 1 6 ， 厶 ／ 1 9 , 一 2 ． 8 9 ， D ／ D 0 ． 9 ， 一 7 ． 2 k P a 1 2 径 向也 是 变 化 的 。模 型 表 面 压 强 在轴 向、 径 向 、 周 向三 个正 交方 向都 是变 化 的 ， 从而证 明 绕流煤 锭 的流 动是 三维 流动 。 表 5 模型上游端面沿半径方 向压强分布数据 3 8 2 1 6 ， 厶 ／ Df 一2 ． 8 9 ， D, ／ D0 ， 9 ， R 一7 ． 2 k P a x ， k o t 5 4 一 一 一 一 x ， l ￡ O 5 蠼 。 图 5 R e 3 8 2 l 6 ， 厶 ／ D． 一2 ． 8 9 ， D ／ D0 ． 9 ， P 一7 ． 2 k P a时煤锭模型表面沿 圆周方向 的压强 系数分布 x_， l 】 图 6 Re 3 8 2 1 6 ， L／ D, 2 ． 8 9 ， n ／ D 0 ． 9 ， P 一7 ． 2 k P a 时煤锭模型表面沿母线方 向的 压 强系数分布 下转 第 1 7页 维普资讯 幕 2期 增 加 筛 上煤 泥 量 提 高 经 济 效 直 2 0 0 3年 6月 回 采 工 作 面 掘 进 工 作 面 图 1 原 煤 水 系 统 流 程 图 根 据 峻 德 煤矿 煤 泥 的 沉淀 特 性 ， 在原 有 刮板脱水筛 硐室与煤水仓间增设捞煤机硐 室 。捞 煤机硐 室 接收 刮板脱 水筛硐 室溢 流的 煤 水 ， 煤 水 在 5 0 m 长 的捞 煤 机 硐室 内沉 淀 去 粗 ， 细 颗粒 的煤 水 进入 煤 水 仓 经煤 水 泵排 至地 面 处理 ； 沉淀 的 粗 煤 泥 由安 装在 硐 室 内 的一 台 S GD 3 7捞 煤 机 运 至 刮板 脱 水 筛 上 ， 通 过刮 板脱 水筛 运 至采 区煤仓 后外运 。 4 经济效益分析 通 过近 两 个月 的试运 转 ， 使用效 果 良好 ， 经 初 步 测 试 分 析 ， 每 天 可 增 加 筛 上 煤 炭 约 1 5 0 t ， 煤泥水浓度可降至 3 5 g ／ L。预计每年 可 增 加 筛 上 煤 炭 5 。 万 t ， 可 创 造 经 济 效 益 数 回 王 作 掘 进 工 作 面 0 ． 5 刮 板 脱 水 筛 硐 室 一 O ． 5 图 2 增设捞煤机 后煤水 系统流程图 十万元 。 同时， 减轻了地面煤泥处理系统的负 荷 ， 降低了工人劳动强度。 峻 德煤 矿通 过 向全 国兄弟单 位水采矿 井 的学习， 结合 自身实际， 对水采系统增设捞煤 机环 节 进行 尝试 ， 取得 了 一定的 经济效 益 。 并 使 水 采 系 统更 加 趋 于 合理 ， 达 到 高 产 、 高 效 、 低耗 ， 充分 发挥 水 力采 煤 的优势 ， 使水采 工 艺 在 煤炭 生 产中 创造 出更大 的经济 效益 。 作者简介 王 成 勇 ． 男， 1 9 5 6年 出 生 ， 1 9 8 5年 毕 业 于鹅 岗矿 务局 工 学 院 ， 工程 师 ， 现 任 鹅 岗矿 业 集 田公 司嚏总 矿 副 怠工 程 师 ． 牲 捣 日 期 ； 2 0 0 3 - 0 5 - 0 6 上接第 1 2页 5 结论 1 煤 锭在 不 同运动 状态 下的 受力是不 同 的 ， 例如当它静止于管底或在管道中滑行时， 管流对它的剪切力 r是动力 ， 而当它完全悬 浮 于管 流 中运 动时 ， r 是 阻力 。 2 处于管流中的煤锭 ， 下表面压强大于 上表面压强 ， 因而升力 n 方向朝上。 3 当煤锭所受升 力 n 完全抵消掉重力 时 ， 煤 锭就 可悬 浮运 动 。 4 绕 流煤 锭 的流动 是三维 流动 。 5 升力 n 的作用点不在煤锭 质心上， 而是 偏 于来 流方 向 。 参 考文献 略 作 者简介 张 晓 东 ， 男 ， 1 9 71年 出 生 ， 项 士 ， 研 完方 向 为机 | 天电 子 ． 邮 政 蠕 码 ； O 3 O O 2 4 收 捣 日期 l 2 0 0 3 0 4 - 0 1 1 7 土 维普资讯