安 達，王春華，姜紅星

(沈陽航空航天大學 機電工程學院，沈陽 110000)

0 引言

在我國內蒙古、黑龍江、新疆等北方寒冷地區(qū)冬季，一些大型露天煤礦煤炭運輸設備在進行煤炭運輸時，含有水分的煤在寒冷的環(huán)境下會發(fā)生凍結粘附在所接觸的運輸設備部件的表面，形成嚴重的煤凍粘現象。如：在帶式輸送機的某些改向滾筒表面、輸送膠帶表面、運煤礦車卡車的廂壁等部位經常存在煤凍粘，嚴重影響煤炭運輸的安全與效率。內蒙古錫林浩特礦業(yè)公司的地面皮帶輸送機改向滾筒表面冬季常發(fā)生煤凍粘，2 h就會粘結堅硬的直徑約40 mm的錐形塊，極易造成皮帶跑偏、跳動、扎傷撕裂。勝利一號露天礦就因凍粘導致了幾起皮帶撕裂事故。當時，輸送機皮帶以4.5 m/s速度運行，短時間導致了幾百米的皮帶撕裂，造成嚴重的經濟損失?，F場不得不頻繁停機，人工用大錘、鑿子清除，費時費力，造成生產效率降低。

針對煤礦設備表面煤凍粘問題，目前國內外從理論和防治方面的相關研究仍然較少[1-5]，缺少系統(tǒng)研究。課題組前期也開展了一定的研究，文獻[6-7]分析了煤在多種不同類型凍粘基體材料上凍粘強度的特性，發(fā)現UHMWPE(超高分子量聚乙烯)基體材料具有很小的凍粘強度，體現出較好的防凍粘潛力。進一步將UHMWPE材料作為錫林浩特礦業(yè)公司皮帶輸送機滾筒防凍粘包膠材料，取得良好的現場防凍粘效果[8-9]。文獻[10-11]分析了溫度、煤外在水含量、基體仿生結構等因素對UHMWPE基體凍粘強度特性的影響規(guī)律，并進行了UHMWPE基體煤凍粘強度的回歸預測分析。

煤在凍粘基體上凍粘界面結構形式是其凍粘特性的基礎成因，同時煤凍粘形成在基體材料表面，表面幾何形貌對凍粘特性會存在影響。進一步分析UHMWPE滾筒防凍粘基體材料上煤凍粘界面結構形式、凍粘強度體現及其表面粗糙度對凍粘強度的影響，為揭示煤凍粘的機理與防治研究提供一定借鑒。

1 試驗方案

1.1 試驗臺及試驗條件

提供試驗寒冷環(huán)境的恒溫試驗箱如圖1所示。搭載PXR-9溫控儀，溫度范圍-65℃～310℃。煤凍粘特性測試裝置由課題組自行研制，如圖2所示。具體結構參見文獻[12]或圖3。煤樣置于凍粘特性裝置內部，在一定因素條件下，使其凍結于凍粘基體材料上。UHMWPE凍粘基體材料制成規(guī)格145×80×10 mm矩形薄板，選取粗糙度參數Ra作為粗糙度評價指標，制取8種表面粗糙度RaUHMWPE基體。Ra分別為：0.82 um、0.96 um、1.38 um、1.57 um、2.83 um、3.61 um、8.94 um、11.85 um。粗糙度分析試驗時其它試驗條件控制為：溫度T=-25℃，時間t=2.0 h，壓力P=1.0 MPa，煤粒度d=0.5～1.0 mm，煤外在水含量δ外=30 %，煤樣質量m=0.04 kg，煤樣堆密度ρ=1.061 g/cm3。煤樣：內蒙古錫林浩特礦業(yè)公司輸送機皮帶表面落煤。試驗需要將已凍粘煤樣在基體材料上分離以測試凍粘強度，分析凍粘界面結構形式。選用濟南天辰DW-100A型電子式萬能試驗機(圖1)與恒溫試驗箱及凍粘特性裝置配套使用。

圖1 恒溫試驗箱與拉力試驗機Fig.1 Calorstat and tensile testing machine

圖2 凍粘特性測試裝置Fig.2 Test device for freezing adhesive properties

1.2 凍粘強度定義

為對凍粘基體表面煤凍粘程度進行量化，需定義煤的凍粘強度。實際影響凍煤清除和脫落的主要是沿凍粘界面切向方向的凍結強度，因此定義凍粘強度如下：

cτ=Fτ/Scoal

(1)

式中，Fτ為煤樣凍粘界面切向分離測試拉力(N)；Scoal為煤樣凍粘界面面積(mm2)。

1.3 試驗流程及誤差處理

試驗流程簡述如下：①如圖3：用螺栓組件14、定位銷9和壓緊部件2固定基體12和套筒基座10，將煤樣8裝入套筒6內，放入密封墊片4，擰緊端蓋3，旋轉螺桿5壓住密封墊片4和煤樣8，取出銷9。②裝置裝入恒溫試驗箱內，用拉力機下端夾具夾緊裝置固定軸13，將套于套筒基座10底部凹槽的鋼絲繩7繞過滑輪11，掛于拉力機掛鉤，設置恒溫箱溫度、冷凍時間，開始冷凍。③冷凍結束，輕旋開壓緊部件，啟動拉力機，通過鋼絲繩7水平拉動套筒基座10，直至凍粘界面破壞分離，立即停止拉動，保存力—位移曲線，記錄力—位移曲線中的拉力峰值，即為試驗切向分離拉力Fτ，根據公式(1)計算煤樣凍粘強度cτ。④選取不同試驗條件以及不同表面粗糙度UHMWPE基體，依次進行多次凍粘特性測試試驗。

誤差處理：對于凍粘強度特性測試尤其是強度特性測試不可避免存在誤差，這里每組凍粘強度測試實驗至少重復15次以上，其中存在人員過錯誤差的樣本點直接剔除補做。取15次成功測試結果取值以減小隨機誤差。拉力試驗機力和位移傳感器每次試驗均要校正。此外，在凍粘過程中由于裝置套筒6底沿可能會與基體表面發(fā)生接觸凍粘，從而影響煤樣的測試凍粘強度，因此將套筒6底沿設計成楔形結構(局部視圖I)以減小其與基體表面接觸面積，以降低試驗誤差。經多次測試，套筒6楔形底沿與基體表面形成凍粘強度最大不超過煤樣凍粘強度的4%，其影響程度很小。

2 試驗結果與分析

2.1 UHMWPE基體材料煤凍粘界面結構及凍粘強度體現分析

應用凍粘特性試驗臺，通過不同條件下大量的凍粘特性測試試驗，觀察總結煤在UHMWPE基體上凍結狀態(tài)下凍粘界面結構，如圖4示意。低溫下，各因素條件下煤與凍粘基體材料表面接觸，在與基體接觸界面部分或全部區(qū)域，煤樣中水分接觸基體表面并以一些微小煤顆粒為結冰成核物質形成“煤泥冰”層，煤泥冰層牢牢粘附于基體表面。煤泥冰層與基體表面由于內在的化學鍵力、分子間力、靜電力和機械力等多種因素作用而體現出宏觀的結合力[2]。接觸界面處煤泥冰層的薄厚、區(qū)域大小會取決于各影響因素，如外在水含量、壓力等。同時，在接觸界面其它區(qū)域可能存在未形成煤泥冰的凍煤與基體表面直接接觸區(qū)域以及空隙區(qū)域。在直接接觸區(qū)域，基體表面輪廓的溝壑起伏會對與之接觸的煤顆粒產生一定的物理、化學吸附作用，形成界面間的吸附結合力，但該區(qū)域結合力要取決于直接接觸區(qū)域是否存在，并且即使存在，經測試，該區(qū)域結合力也遠遠小于煤泥冰區(qū)域的結合力。

圖4 UHMWPE基體上煤凍粘界面結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of coal freezing adhesion contact boundary on UHMWPE matrix

當UHMWPE基體表面煤凍粘發(fā)生分離時，凍粘界面結構也隨之發(fā)生變化，從而體現出凍粘強度特性。通過試驗觀察分析可知，UHMWPE基體材料凍粘分離破壞通常發(fā)生煤泥冰與基體材料表面的接觸界面間，而非煤泥冰層內部破壞如圖5示意，試驗所得UHMWPE的結果如圖6。對于UHMWPE基體材料凍粘基體，因其表面的較強疏水性，使凍粘時煤泥冰與基體表面接觸較差，使得煤泥冰層與基體表面間的粘附結合強度較小，通常小于煤泥冰層自身的強度，因此分離發(fā)生在煤泥冰層與基體表面間，則煤泥冰區(qū)域的凍粘強度也體現為煤泥冰與基體材料表面間的凍結粘附強度。此外，在凍粘界面若存在凍煤與基體表面的直接接觸區(qū)域，該區(qū)域凍煤分離破壞發(fā)生在凍煤與基體材料表面的接觸界面間，但區(qū)域結合力較小，可以忽略，因此，UHMWPE基體材料上煤凍粘強度體現為煤泥冰區(qū)域煤泥冰層與基體表面間的粘附結合強度。

圖5 凍粘煤在塑料類基體上的凍粘分離破壞形式示意圖Fig.5 Schematic diagram of separation of freezing adhesion boundary coal on plastic matrix

圖6 凍粘煤在UHMWPE基體材料的分離破壞形式Fig.6 Separation of freezing adhesion boundary coal on UHMWPE matrix material

2.2 凍粘基體表面粗糙度對凍粘強度影響分析

由圖7可知，在UHMWPE基體上，煤樣凍粘強度均隨著基體表面粗糙度Ra值的增大而逐漸減小。分析不同基體表面粗糙度對其上煤凍粘強度的影響，仍應從基體凍粘界面的結構形式入手。由前分析可知，首先對于UHMWPE基體，凍粘強度主要為煤泥冰與基體表面間的凍結粘附強度。UHMWPE基體煤凍粘煤泥冰與基體表面間的凍結粘附強度主要受到基體表面潤濕性的影響。固體表面潤濕性主要由表面能和微觀表面形貌共同支配[13-14]。對于同一種基體不同表面形貌，表面粗糙度會影響固體表面潤濕性。著名的Young方程描述了理想平整的表面在熱力學穩(wěn)定狀態(tài)下液滴在其表面的潤濕狀態(tài)中表面張力與接觸角之間的函數[15-16]，如公式(2)所示，示意圖如圖8所示。

圖7 不同表面粗糙度下UHMWPE基體上煤的凍粘強度Fig.7 Freezing adhesive strength of coal samples on UHMWPE matrix with different roughness

圖8 Young模型液滴達到平衡時受力示意圖Fig.8 Schematic of Young model water droplet on flat surface

(2)

式中，θ為固體理想平整表面接觸角，γLV為液氣界面的表面張力，γSL為是固液界面的表面張力，γSV是固氣界面的表面張力。

實際上，絕對的理想表面不存在。固體表面都具有一定粗糙結構，對于粗糙表面，Young方程會發(fā)生較大偏差，為此Wenzel對固體粗糙表面對Young方程進行修正，得到Wenzel方程，如方程(3)所示[14-15]。

cosθr=rcosθ

(3)

式中，θr為固體粗糙表面實際的接觸角，r為實際浸潤面積與垂直投影面積的比率，固體表面越粗糙，則r值越大。

對于具有疏水性的UHMWPE基體材料，其θ>90°，cosθ<0。根據公式(3)，若其表面越粗糙，即r值越大，則其表面實際接觸角θr越大，則其固體表面潤濕性越差，則疏水性的UHMWPE基體材料上煤凍粘強度越小，因此體現出UHMWPE材料表面煤凍粘強度隨粗糙度參數Ra的增大而減小的規(guī)律。

3 結論

(1)凍粘狀態(tài)下，煤在UHMWPE滾筒防凍粘材料基體表面界面會形成“煤泥冰”區(qū)域，同時可能存在凍煤與基體表面直接接觸區(qū)域以及空隙區(qū)域。在凍粘分離時，因UHMWPE材料表面疏水性，凍粘時煤泥冰與基體表面接觸較差，使凍粘分離破壞發(fā)生在“煤泥冰”層與基體表面間的結合界面，則煤在UHMWPE基體上凍粘強度主要體現為該結合界面間的粘附結合強度。

(2)煤在UHMWPE材料基體表面凍粘強度均隨基體表面粗糙度增大而減小。UHMWPE基體表面粗糙度較大，其表面潤濕性較差，凍粘時煤泥冰與基體表面間接觸較差，界面間粘附結合較差，則凍粘強度較小。因此，可通過適當增加UHMWPE基體表面粗糙度來降低其上煤凍粘強度。