способ для очистки поверхностей от различного рода отложений и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ очистки поверхностей от различного рода отложений, заключающийся в том, что очищаемую поверхность подвергают действию локальной упругой деформации, возбуждаемой в очищаемой поверхности одиночными механическими импульсами с амплитудой колебаний, не превышающей значения, при котором механические напряжения в очищаемой поверхности достигают предела усталости или предела циклической прочности, а импульсы формируют с пологим передним фронтом и крутым задним фронтом, отличающийся тем, что крутой передний фронт импульса формируют длительностью от 1/2 периода свободных колебаний очищаемой поверхности в воздухе до 1/2 периода свободных колебаний очищаемой поверхности в материале отложения, а крутой задний фронт импульса формируют длительностью, по крайней мере, на порядок меньшей 1/2 периода свободных колебаний очищаемой поверхности в воздухе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что упругую деформацию вызывают в упругой пластине, жестко закрепленной на очищаемой поверхности со стороны отложений и имеющей меньшую жесткость, чем окружающая очищаемая поверхность.

3. Устройство для очистки поверхностей от различного рода отложений, включающее источник высоковольтного постоянного напряжения и разрядный контур, содержащий последовательно включенные накопительный конденсатор, зашунтированный диодом, катод которого подключен к положительному выводу накопительного конденсатора, коммутатор, плоский индуктор в виде спирали, и имеющий возможность свободно перемещаться относительно индуктора якорь, выполненный из высокопроводящего материала, отличающееся тем, что якорь жестко закреплен на очищаемой поверхности с противоположной от отложений стороны с зазором относительно индуктора, причем параметры элементов разрядного контура выбраны таким образом, что период собственных колебаний его находится в пределах от удвоенного периода свободных колебаний очищаемой поверхности в воздухе до удвоенного периода свободных колебаний очищаемой поверхности в материале отложения, а постоянная времени контура, образованного последовательно включенными коммутатором, индуктором и диодом, хотя бы на порядок меньше периода свободных колебаний очищаемой поверхности в воздухе.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что якорь жестко закреплен на упругой пластине, жестко закрепленной на очищаемой поверхности со стороны отложений и имеющей меньшую жесткость, чем окружающая очищаемая поверхность.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области очистки поверхностей конструкций от различного рода отложений и может применяться при разгрузке сыпучих грузов из емкостей стационарных и транспортных средств (например, бункеров, вагонов и т. п. ) при большой массе налипшего материала, высокой прочности адгезии и большой скорости релаксации, характерной для отложений с пластичной и рыхлой структурой (например, железорудного концентрата, бокситов, шихты, формовочных смесей и т.п.).

Известен способ обрушения насыпного материала в емкостях путем импульсного силового воздействия на стенку емкости промежуточным элементом (авт. св. СССР N 299439, МКИ N B 65 G 65/54, 1970). Недостатком этого способа является недостаточное силовое воздействие, которое не позволяет использовать его для отделения налипшего материала с высокой прочностью адгезии.

Известен также принятый за прототип способ очистки поверхностей от различного рода отложений, заключающийся в том, что поверхность подвергают действию локальной упругой деформации, возбуждаемой в очищаемой поверхности одиночными кратковременными механическими импульсами с амплитудой колебаний, не превышающей значения, при котором механические напряжения в очищаемой поверхности достигают предела усталости или предела циклической прочности, а импульсы формируют с пологим передним фронтом и крутым задним фронтом (авт. св. СССР N 1736641, МКИ⁵ В 08 В 7/02, 1992).

Известно устройство для очистки поверхностей от отложений, состоящее из источника высоковольтного постоянного напряжения и разрядного контура, содержащего последовательно включенные накопительный конденсатор, зашунтированный диодом, катод которого подключен к положительному выводу накопительного конденсатора, коммутатор, плоский индуктор в виде спирали и имеющий возможность свободно перемещаться относительно индуктора якорь, выполненный из высокопроводящего материала, который при пропускании электрического импульса через индуктор приходит в движение - осуществляет резкие удары о подлежащую очистке поверхность (Установка очистки типа УО-4000-09-12 - Паспорт, ПИАФ. 441432.001ПС; Техническое описание и инструкция по эксплуатации, ПИАФ. 441432.001ТО; Технические условия, ТУ 16-441.013-85, ПИАФ.441432.001.ТУ).

Недостатком принятых за прототипы способа и устройства является низкая эффективность очистки поверхностей и разгрузки сыпучих грузов из емкостей при большой массе налипшего материала (от десятков до сотен тонн), высокой прочности адгезии и большой скорости релаксации, характерной для отложений с пластичной и рыхлой структурой (например, железорудного концентрата, бокситов, шихты, формовочных смесей и т.п.). Низкая эффективность связана с тем, что при воздействии кратковременного механического импульса невозможно достичь достаточно больших значений ускорения точек поверхности, существенного изгиба стенки, в результате чего силы инерции частиц отложения, равные произведению их массы на ускорение, не достигают значений, превышающих адгезию этих частиц к поверхности, а напряжения сдвига между поверхностью и отложениями практически отсутствуют, вследствие чего не происходит отделения налипшего материала от очищаемой поверхности.

Техническая задача изобретения состоит в формировании механических импульсов, которые позволяют получать большие значения ускорения точек очищаемой поверхности, в результате чего достигается технический результат, заключающийся в создании сил, значения которых достаточны для разрушения адгезии между очищаемой поверхностью и отложениями, в результате чего повышается эффективность очистки поверхности при большой массе, высокой скорости релаксации и прочности адгезии налипшего материала.

Поставленная техническая задача решается благодаря тому, что при очистке поверхности от различного рода отложений способом, при котором очищаемую поверхность подвергают действию локальной упругой деформации, возбуждаемой в очищаемой поверхности одиночными механическими импульсами с амплитудой колебаний, не превышающей значения, при котором механические напряжения в очищаемой поверхности достигают предела усталости или предела циклической прочности, импульсы формируют с пологим передним фронтом длительностью от 1/2 периода свободных колебаний очищаемой поверхности в воздухе до 1/2 периода свободных колебаний очищаемой поверхности в материале отложения и крутым задним фронтом длительностью, по крайней мере на порядок меньшей 1/2 периода свободных колебаний очищаемой поверхности в воздухе. В варианте выполнения способа упругую деформацию вызывают в упругой пластине, жестко закрепленной на очищаемой поверхности со стороны отложений и имеющей меньшую жесткость, чем окружающая очищаемая поверхность.

В течение первой стадии (нарастание механического импульса от нуля до максимального значения) происходит прогиб очищаемой поверхности, приводящий к уплотнению прилегающих к очищаемой поверхности слоев отложений и возникновению напряжений сдвига между поверхностью и отложениями, а также к возникновению упругих сил, стремящихся вернуть прогнувшуюся поверхность в первоначальное положение. При достижении очищаемой поверхностью максимального перемещения кинетическая энергия движения очищаемой поверхности полностью переходит в потенциальную энергию, после чего под действием силы упругости, максимальное значение которой пропорционально амплитуде колебаний, начинается движение поверхности в первоначальное положение. На первой стадии перемещению очищаемой поверхности противодействуют возникающая сила упругости и сила сопротивления материала отложений. На второй стадии обратному перемещению поверхности в первоначальное положение препятствуют уменьшающийся по амплитуде механический импульс и сила адгезии материала отложений к очищаемой поверхности. При малой длительности спада механического импульса результирующая сила (разность сил упругости и механического импульса), отрывающая очищаемую поверхность от налипшего на нее материала отложений, резко возрастает, достигая по величине значения, близкого к максимальному значению силы упругости. При обеспечении на стадии нарастания механического импульса до максимального значения такого перемещения очищаемой поверхности, когда в ней возникает сила упругости, превышающая силу адгезии отложений, после чего следует достаточно быстрый спад механического импульса, в процессе движения прогнувшейся поверхности в первоначальное положение происходит отрыв ее от налипшего материала, и тем самым достигается эффект очистки всей поверхности. Для создания перемещения требуемой величины с учетом ограничения амплитуды механических импульсов, которые не должны приводить к возникновению напряжений в очищаемой поверхности, достигающих предела усталости или предела циклической прочности, необходимо согласование временных характеристик механического импульса с частотными свойствами очищаемой поверхности, что позволяет получить максимальное перемещение поверхности при заданной амплитуде механического импульса.

Известно, что уравнение движения демпфированной системы с одной степенью свободы при действии возмущающей силы F = F(t") произвольного вида описывается дифференциальным уравнением вида

mx = -cx - kx + F, (1)

где m - масса;

c - коэффициент вязкого демпфирования;

k - коэффициент упругости.

Пренебрегая демпфированием, что допустимо при рассмотрении спектральных характеристик, обусловленных импульсным воздействием, можно представить решение уравнения (1) для перемещения в виде интеграла Дюамеля



где собственная круговая частота колебаний поверхности;

f = F/m.

Вычисляя амплитуду свободных колебаний, возникающих после воздействия импульса F произвольной формы, можно показать, что во всех случаях наибольшее значение амплитуды перемещения достигается при длительности нарастания t₁ импульса F до максимального значения F_m, равной 1/2 периода T свободных колебаний поверхности. Так, решение уравнения (2) для случая воздействия импульса прямоугольной формы имеет вид



а амплитуда колебаний определяется как



где t₁ - длительность импульса прямоугольной формы,

и принимает наибольшее значение A = 2F_m/k при t₁ = T/2.

При воздействии на поверхность линейно нарастающего импульса закон движения имеет вид



где t₁ - время нарастания импульса до значения F_m,

и амплитуда колебаний принимает наибольшее значение A = F_m/k при t₁ = T/2.

При любом другом законе нарастания импульса F до максимума (от линейного до прямоугольного) наибольшие значения амплитуды перемещения достигаются при t₁ = T/2 и лежат в пределах от F_m/k до 2F_m/k.

Таким образом, для достижения максимального перемещения очищаемой поверхности необходимо механический импульс формировать с длительностью нарастания, равной 1/2 периода собственных колебаний очищаемой поверхности. При этом, учитывая, что на очищаемую поверхность возможно налипание весьма большой массы материала (например, случаи, характерные для загрузочных бункеров с образованием "шурфа", либо зависание в виде "шапки"), период собственных колебаний поверхности в предельном случае следует определять как период колебаний в материале отложения.

После достижения максимального перемещения очищаемая поверхность приобретает потенциальную энергию, которая может быть использована для разрушения адгезии материала отложения. При этом разрушающая адгезию сила определяется ускорением, сообщаемым очищаемой поверхности силой упругости. Величина ускорения очищаемой поверхности, как любой колебательной системы, пропорциональна отклонению и квадрату частоты, которая при возвратном движении в воздухе в несколько раз превышает частоту колебаний поверхности в материале отложения. В свою очередь, достичь максимальной величины ускорения можно лишь при правильном выборе такого параметра воздействующего импульса F, как длительность его спада. Это связано с тем, что на стадии спада (t > t₁) механический импульс F совершает отрицательную работу, поэтому приобретенная очищаемой поверхностью на первой стадии (t < t₁) потенциальная энергия частично расходуется на преодоление уменьшающегося по амплитуде импульса F. Для минимизации этого расхода длительность спада механического импульса должна быть значительно, по крайней мере на порядок, меньше 1/2 периода свободных колебаний очищаемой поверхности. При этом, поскольку обратное перемещение поверхности осуществляется в воздухе, то длительность спада следует определять по отношению к периоду свободных колебаний очищаемой поверхности в воздухе.

В случае значительной жесткости очищаемой поверхности, например при наличии ребер жесткости или при большой толщине, жесткость поверхности может быть локально уменьшена в области воздействия механического импульса, например, жестким закреплением на стороне поверхности, обращенной к налипающему материалу, дополнительной пластины, имеющей меньшую жесткость, чем очищаемая поверхность. Локальное уменьшение жесткости позволяет осуществлять очистку поверхностей с помощью механических импульсов с существенно меньшей амплитудой.

Предлагаемый способ очистки поверхностей от различного рода отложений осуществляется с помощью устройства для очистки поверхностей от различного рода отложений, включающего источник высоковольтного постоянного напряжения и разрядный контур, содержащий последовательно включенные накопительный конденсатор, зашунтированный диодом, катод которого подключен к положительному выводу накопительного конденсатора, коммутатор, плоский индуктор в виде спирали и имеющий возможность свободно перемещаться относительно индуктора якорь, выполненный из высокопроводящего материала. В этом устройстве якорь жестко закреплен на очищаемой поверхности с противоположной от отложений стороны с зазором относительно индуктора, причем параметры элементов разрядного контура выбраны таким образом, что период собственных колебаний его находится в пределах от удвоенного периода свободных колебаний очищаемой поверхности в воздухе до удвоенного периода свободных колебаний очищаемой поверхности в материале отложения, а постоянная времени контура, образованного последовательно включенными коммутатором, индуктором и диодом, по крайней мере на порядок меньше периода свободных колебаний очищаемой поверхности в воздухе. В варианте якорь может быть жестко закреплен на упругой пластине, жестко закрепленной на очищаемой поверхности со стороны отложений и имеющей меньшую жесткость, чем окружающая очищаемая поверхность.

Жесткое закрепление на очищаемой поверхности позволяет возбуждать в ней механические импульсы, амплитуда и форма которых полностью определяются параметрами тока, протекающего через индуктор, и, следовательно, параметрами элементов разрядного контура.

Поскольку длительность нарастания электромагнитной силы F равна времени достижения разрядным током максимального значения или, что то же самое, времени снижения до нуля напряжения на накопительном конденсаторе, то есть 1/4 периода собственных колебаний разрядного контура. Вследствие этого формирование механического импульса с длительностью нарастания, равной 1/2 периода свободных колебаний очищаемой поверхности, обеспечивается при периоде собственных колебаний разрядного контура, равном удвоенному периоду свободных колебаний очищаемой поверхности. При этом период собственных колебаний разрядного контура регулируется изменением емкости накопительного конденсатора и эквивалентной индуктивности индуктора, которая зависит как от числа витков индуктора, так и от величины устанавливаемого зазора между индуктором и якорем.

Выбор параметров элементов разрядного контура производится таким образом, что период собственных колебаний его находится в пределах от удвоенного периода свободных колебаний очищаемой поверхности в воздухе до удвоенного периода свободных колебаний очищаемой поверхности в материале отложения, что в сочетании с жестким закреплением якоря позволяет обеспечить воздействие на очищаемую поверхность механическими импульсами с длительностью нарастания от 1/2 периода свободных колебаний очищаемой поверхности в воздухе до 1/2 периода свободных колебаний очищаемой поверхности в материале отложения и, следовательно, достичь максимальной величины прогиба очищаемой поверхности при любой толщине слоя налипшего материала.

В предлагаемом устройстве постоянная времени спада электромагнитной силы F приблизительно в 2 раза меньше постоянной времени контура, образованного последовательно включенными индуктором, диодом и коммутатором, а сама электромагнитная сила F пропорциональна произведению разрядного тока в индукторе и наведенного тока в якоре



где _L1 и _L2 - постоянные времени разрядного контура и контура наведенного тока.

Подбор параметров индуктора (его индуктивности и активного сопротивления), при котором постоянная времени контура, образованного последовательно включенными коммутатором, индуктором и диодом, значительно, по крайней мере на порядок, меньше периода свободных колебаний очищаемой поверхности в воздухе, и схемное решение разрядного контура позволяют формировать механический импульс с весьма крутым задним фронтом, длительностью значительно, по крайней мере на порядок, меньшей 1/2 периода свободных колебаний очищаемой поверхности в воздухе, благодаря чему воздействующий импульс на этой стадии оказывает минимальное противодействие возвратному движению прогнувшейся очищаемой поверхности под действием упругих сил, стремящихся вернуть ее в первоначальное положение.

Жесткое закрепление якоря на упругой пластине, жестко закрепленной на очищаемой поверхности со стороны отложений и имеющей меньшую жесткость, чем окружающая очищаемая поверхность, позволяет осуществлять очистку поверхностей с помощью механических импульсов с существенно меньшей амплитудой. Установка якоря с зазором относительно индуктора обеспечивает отсутствие механического препятствия очищаемой поверхности при обратном ее перемещении под действием сил упругости и позволяет изменять эквивалентную индуктивность индуктора за счет регулирования величины зазора. Кроме того, наличие зазора между якорем и индуктором предохраняет индуктор от механических воздействий, приводящих к его разрушению, и способствует повышению его ресурса.

Изобретение иллюстрируется следующими материалами:

Фиг. 1. Эпюра механического импульса, формируемого согласно предлагаемому способу.

Фиг. 2. Эскиз устройства для очистки поверхностей от различного рода отложений.

Фиг. 3. Диаграмма разрядного тока, протекающего через индуктор.

Фиг. 4. Эпюра механического импульса, формируемого устройством для очистки поверхностей от различного рода отложений.

При очистке поверхности от различного рода отложений очищаемую поверхность подвергают действию локальной упругой деформации, возбуждаемой в очищаемой поверхности одиночными механическими импульсами с амплитудой колебаний, не превышающей значения, при котором механические напряжения в очищаемой поверхности достигают предела усталости или предела циклической прочности. На фиг. 1 представлена форма импульса с пологим передним фронтом (I) длительностью (промежуток времени от 0 до t₁) от 1/2 периода свободных колебаний очищаемой поверхности в воздухе до 1/2 периода свободных колебаний очищаемой поверхности в материале отложения и крутым задним фронтом (II) длительностью (промежуток времени от t₁ до t₂), значительно, по крайней мере на порядок, меньшей 1/2 периода свободных колебаний очищаемой поверхности в воздухе. В течение первой стадии (I) происходит прогиб очищаемой поверхности, приводящий к уплотнению прилегающих к очищаемой поверхности слоев отложений и появлению напряжений сдвига между поверхностью и отложениями, а также к возникновению упругих сил, стремящихся вернуть прогнувшуюся поверхность в первоначальное положение. При достижении очищаемой поверхностью максимального перемещения кинетическая энергия движения очищаемой поверхности полностью переходит в потенциальную энергию, после чего под действием силы упругости, максимальное значение которой пропорционально амплитуде колебаний, начинается движение поверхности в первоначальное положение. На первой стадии перемещению очищаемой поверхности противодействуют возникающая сила упругости и сила сопротивления материала отложений. На второй стадии (II) обратному перемещению поверхности в первоначальное положение препятствуют уменьшающийся по амплитуде механический импульс F и сила адгезии материала отложений к очищаемой поверхности. При малой длительности спада механического импульса результирующая сила (разность сил упругости и механического импульса F), отрывающая очищаемую поверхность от налипшего на нее материала отложений, резко возрастает, достигая по величине значения, близкого максимальному значению сил упругости. При обеспечении такого перемещения очищаемой поверхности под действием механического импульса, когда в ней возникает сила упругости, превышающая силу адгезии отложений, после чего следует достаточно быстрый спад механического импульса, в процессе движения прогнувшейся поверхности в первоначальное положение происходит отрыв ее от налипшего материала, и тем самым достигается эффект очистки всей поверхности. Согласование временных характеристик механического импульса с частотными свойствами очищаемой поверхности и позволяет получить максимальное перемещение поверхности с учетом ограничения амплитуды механических импульсов, которые не должны приводить к возникновению в очищаемой поверхности механических напряжений, превышающих предел усталости или предел циклической прочности.

Если конструкция имеет высокую жесткость вследствие большой толщины, наличия ребер жесткости и т.п., то упругую деформацию целесообразно вызывать в упругой пластине, жестко закрепленной на очищаемой поверхности со стороны отложений и имеющей меньшую жесткость, чем окружающая очищаемая поверхность. Это позволяет осуществить очистку поверхностей конструкций с помощью механических импульсов с существенно меньшей амплитудой; при этом параметры механического импульса определяются применительно к упругой пластине, жестко закрепленной на очищаемой поверхности со стороны отложений и имеющей меньшую жесткость, чем окружающая очищаемая поверхность.

Устройство для очистки поверхности от различного рода отложений (фиг. 2) содержит источник высоковольтного постоянного напряжения 1, разрядный контур, состоящий из накопительного конденсатора 1, шунтирующего диода 3, катод которого подключен к положительному выводу конденсатора 2, коммутатора 4, который может быть выполнен, например, в виде тиристорного ключа, плоского индуктора 5, выполненного в виде спирали, и якоря 6. Якорь 6 жестко закреплен на очищаемой поверхности 7 с противоположной от возникающих отложений 8 стороны и образует зазор 9 с индуктором 5. Индуктор 5 установлен на жестком основании 10, жестко закрепленном относительно очищаемой поверхности.

Очистка поверхности от различного рода отложений осуществляется следующим образом. От источника высоковольтного постоянного напряжения 1 происходит зарядка накопительного конденсатора 2. В требуемый момент времени от системы управления (не показано) подается сигнал управления на коммутатор 4, который переходит в проводящее состояние. По цепи конденсатор 2 - коммутатор 4 - индуктор 5 - конденсатор 2 протекает разрядный ток (фиг. 3) в интервале времени от 0 до t₁. Протекающий через индуктор 5 ток наводит электромагнитное поле в зазоре между индуктором 5 и якорем 6, которое, в свою очередь, наводит вихревой ток в якоре 6. Взаимодействие импульсных магнитных полей, создаваемых разрядным и наведенным токами, приводит к возникновению импульсной силы F, расталкивающей индуктор 5 и якорь 6. Возникающая электромагнитная сила F (фиг. 4) пропорциональна произведению указанных токов и достигает максимального значения в момент времени t₁, когда ток в разрядном контуре достигает максимального значения, а напряжение на накопительном конденсаторе 2 снижается до нуля; в этот момент происходит шунтирование конденсатора 2 диодом 3, и ток начинает протекать по контуру индуктор 5 - диод 3 - коммутатор 4 - индуктор 5, уменьшаясь по экспоненциальному закону (участок II на фиг. 4) с постоянной времени T_L=L/R, где L - эквивалентная индуктивность индуктора 5 с якорем 6, a R - суммарное активное сопротивление контура. Поскольку якорь 6 закреплен на очищаемой поверхности 7, последняя подвергается действию электромагнитной силы F (фиг. 4). В течение интервала времени от 0 до t₁ якорь 6, отталкиваясь от индуктора 5, приводит в движение очищаемую поверхность 7, которая прогибается и уплотняет прилегающие к ней слои отложений 8, при этом между поверхностью 7 и отложениями 8 появляются напряжения сдвига, а в поверхности 7 возникают упругие силы, стремящиеся вернуть прогнувшуюся поверхность 7 в первоначальное положение. В момент времени t₁ начинается резкий спад механического импульса, и далее под действием силы упругости прогнувшаяся поверхность 7, практически не испытывая противодействия, кроме силы адгезии налипшего материала отложений 8, с высокой скоростью возвращается в первоначальное положение. При этом происходит отрыв очищаемой поверхности 7 от налипшего материала отложений 8, и тем самым достигается эффективная очистка всей поверхности.

Требуемые параметры механического импульса (нарастание в течение промежутка времени от 0 до t₁ длительностью от 1/2 периода свободных колебаний очищаемой поверхности в воздухе до 1/2 периода свободных колебаний очищаемой поверхности в материале отложения и спад в течение промежутка времени от t₁ до t₂ длительностью, значительно, по крайней мере на порядок, меньшей 1/2 периода свободных колебаний очищаемой поверхности в воздухе, определяются законом изменения электромагнитной силы, который, в свою очередь, обеспечивается выбором параметров элементов разрядного контура - емкости накопительного конденсатора 2, эквивалентных индуктивности и активного сопротивления индуктора 5 с якорем 6, напряжения на конденсаторе 2, а также величины устанавливаемого зазора 9. При показанном на фиг. 2 варианте крепления частотные характеристики очищаемой поверхности 7 рассчитываются исходя из длины жесткого основания 10.

Применение предлагаемых способа и устройства для очистки поверхностей от различного рода отложений при создании магнитно-импульсных установок очистки стенок загрузочных бункеров и предотвращения в них сводообразования способствует эффективной очистке бункеров емкостью до нескольких сотен кубических метров, загружаемых железорудным концентратом, бокситами, влажными формовочными смесями и т.п.