Имитационное моделирование попеременно-двухсторонней технологии намыва штабелей нерудных строительных материалов сосреднением их гранулометрического состава

М.Н. Шадрина

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОПЕРЕМЕННО-ДВУХСТОРОННЕЙ ТЕХНОЛОГИИ НАМЫВА ШТАБЕЛЕЙ НЕРУДНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ СОСРЕДНЕНИЕМ ИХ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА

Разработана расчетная схема попеременно-двухсторонней технологии намыва штабеля с целью осреднения гранулометрического состава нерудных строительных материалов после их обогащения в коническом грохоте с применением метода корректировки гранулометрического состава после прохождения гидросмеси через конический грохот и отмыва мелких фракций с отработанной водой. С использованием метода ВА. Мелентьева разработаны физическая и математическая модели роста отметок пляжа намыва при переключении направления подачи гидросмеси, а также модель процесса фракционирования грунта по длине штабеля с учетом этих переключений. Ключевые слова: попеременно-двухсторонняя схема намыва, гидромеханизация, штабель, нерудные строительные материалы, имитационное моделирование, осреднение гранулометрического состава.

~П ажной характерной особенностью намыва штабелей спо--Я-М собом гидромеханизации, которую необходимо учитывать при проектировании и в процессе производства гидромеханизированных работ, является процесс продольного фракционирования укладываемого материала, когда у выпуска гидросмеси откладываются наиболее крупные фракции, а затем, по мере уменьшения транспортирующей способности потока за счет растекания гидросмеси в плане и инфильтрации воды в тело штабеля, отложение все более мелких фракций. Важно учитывать также, что продольное фракционирование может быть как положительным (при необходимости отгрузки продукции с разным модулем крупности по требованию потребителя), так и отрицательным (при отгрузке продукции с осредненным по объему штабеля гранулометрическим составом). Поэтому в первом случае технологические изменения при намыве штабеля не требуются. Во втором случае потребитель прибегает к дополнительным технологическим операциям по осреднению гранулометрического состава нерудных строительных материалов (НСМ), уложенных в штабель, например, перемещениям экскаватора вдоль штабеля при загрузке автосамосвалов с дальнейшей выгрузкой материала

в бункеры-усреднителина складах предприятий стройиндустрии. Известны также технологические решения, связанные с осреднением материала штабеля путем формирования бульдозерами грунтового резерва с поочередным перемещением в него НСМ с разным гранулометрическим составом из различных частей штабеля.

Вполне очевидно, что, во-первых, конечным результатом таких технологических решений трудно управлять, во-вторых, их реализация приводит к существенному удорожанию конечного продукта. Все это обусловливает актуальность задачи разработки технологии намыва штабелей с осреднением гранулометрического состава укладываемого материала. С целью решения такой задачи автором предложена попеременно-двухсторонняя схема намыва штабеля [1-3], при которой крупнофракционные слои НСМ перекрываются мелкофракционными и наоборот. При отгрузке продукции потребителю осреднение гранулометрического состава НСМ осуществляется вертикальным движением ковша экскаватора, а сам штабель в этом случае назван автором штабелем-усреднителем. Для практической реализации такой технологии с помощью имитационного моделирования разработан достаточно достоверный метод расчетного обоснования временного режима смены направления намыва штабеля, путем переключения потока гидросмеси на один из двух конических грохотов (КГ).

Расчетная схема штабеля, намываемого по предлагаемой технологии, показана на рис. 1.

Гидросмесь от земснаряда подается по береговому трубопроводу к тройнику, позволяющему переключить подачу к левому или правому коническому грохоту (КГ). Рабочим водосбросным колодцем является дальний от КГ, в который подается исходная гидросмесь. Ближний колодец перекрывается шандорами. В КГ большая часть фракций d > 5 мм отводится от штабеля. Часть полезных фракций (обычно от 5 до 15%) 0,16 < d < 5 мм теряется с крупными фракциями. С крупными фракциями отводится и часть мелких фракций, d < 016 мм. В результате в штабель поступает грунт, гранулометрический состав которого отличается от гранулометрического состава исходного продукта, поступающего в КГ.

Рис. 1. Расчетная схема штабеля, намываемого по переменно-двухсторонней технологии: В и L - соответственно ширина и длина основания штабеля в плане; Ь^) и 1(т) - переменные по координате z соответственно ширина и длина верха штабеля в плане; р - угол откоса

После каждой очередной смены направления подачи гидросмеси меняются местами зоны намыва крупно- и мелкофракционного грунта, а в каждой точке штабеля меняется темп роста отложений. В зависимости от частоты переключения направления подачи гидросмеси формируются чередующиеся по высоте штабеля слои мелких и крупных фракций. Рассчитывается такая частота переключения направления подачи гидросмеси, при которой осредненный гранулометрический состав уложенного материала мало отличается в пределах всего штабеля.

Вместе с тем необходимо рассмотреть вопрос о характере фракционирования грунтовой массы вдоль штабеля. Наиболее *проверенным является метод расчета процесса фракционирова-

ния, предложенный Мелентьевым В.А. [4]. Рассмотрим этот метод применительно к расчетной схеме рис. 1. Расстояние от места выпуска до центра рассеивания s-й фракции описывается зависимостью

0,01 £ р;

Аж

где Ха - расстояние от верха бокового откоса со стороны выпуска гидросмеси на временном шаге і до центра рассеивания s-й фрак-

а=тах

ции, м; ^ Р^ - содержание в поступающем в штабель грунте всех

а=“х

фракций крупнее а , в % по массе.

Задачей расчетов является нахождение такого режима смены направлений намыва, при котором осредненный по высоте штабеля гранулометрический состав уложенных НСМ относительно однороден в пределах всего штабеля.

Следует отметить, что ось Y, показанная на рис. 1, будет в дальнейшем использована для подсчета объема намытого материала на очередном шаге переключения направления намыва. Это объясняется тем, что в направлении оси Y гранулометрический состав уложенного грунта не изменяется. Бульдозер, возводя попутное обвалование, перемещается параллельно оси Y, не искажая процесс продольного (вдоль оси X) фракционирования.

В общем (укрупненном) виде математическая модель попеременно-двухсторонней технологии намыва штабеля состоит из отдельных ключевых уравнений и формул с их геометрической привязкой (2).

Автором разработан программный продукт «Штабель-усреднитель», работа которого осуществляется в диалоговом режиме. С помощью данного программного продукта возможен расчет:

1) гранулометрического состава грунта, поступающего в штабель, а также осредненного гранулометрического состава грунта, уложенного в штабель;

2) расстояния от места выпуска гидросмеси до центров рассеивания стандартных фракций грунта;

3) полного времени намыва штабеля;

а = а

4) времени смены направлений намыва (^), при котором осредненный по высоте штабеля гранулометрический состав уложенных НСМ относительно однороден в пределах всего штабеля.

1) Ь (г, х) = В - 2h (г, х)• ^ф- 2 • Ьд;

I(г) = L-(АНх1 +Анх! )• с^ф-2• ьд;

(Ь (г, х)) = Ь (г = 0, х) = В; ^ (Ь (г, х)) = Ь (г = Т, х);

(I(г)) = / (г = 0) = Ь, inf (I(г)) = I(г = Т);

ге Т; х е L; Z е Н;

(^) хо = х/1 (г); (^) хо =(/ (г)- х )/ / (г);

х1 = L - АНХ • ^ф - Ьд;

х2 = L-АНх2 • ¿%ф-Ьд;

2) X,

• ^н (г);

(^) LПН (г) = LПН (г) = 1 (г) ^2 (г)^ с^ф;

(^) Lпн (г) = Кн (г) =1 (г)- (г> с^ф;

3) г е М; у е N; М = ROUND (Т/Ах);

N = ROUND (L| Ах );

(^) NN (г) = ROUND (Ь'ПН {г)/Ах);

(^) NN (г) = ROUND (^ПН (г)/Ах);

(^) у = ROUND ((АНх • ctgф + Ьд ^Ах);

у2 = ROUND ((АНх • ctgф + Ьд )/Ах + NN (г)); (^) у = ROUND ((АНх • ^ф + Ьд ^Ах + NN (г)); у2 = ROUND ((АНх • ctgф + Ьд )/Ах);

4) = QФ

Р' + Р' + Р" + Р' + Р"

1 ,>5 т 1 0,16<,<5 т 1 0,16<<г<5 т 1 ,<0,16 т 1 ,<0,16 100

5) Wcyт = 24КИрВ • QшT =АНр • Ь (г,х^ • / (г)д

6) ^ ^0 (1 - х0);

7)

8) АН с„ =

£2 (АА (г,У) - АА (г,у -1)) /Ах

У = У У = у2

/( у2 - у1 ) ;

£

/(у 2 - у1 ).

где /, у - параметры циклов соответственно по г и X; X -ной фракции в ряду: 0,1; 0,16; 0,25; 0,5; 1, 2, 3 и 5 мм; А

номерстандарт-- переменная во

а =а

1

ф

времени и по координате X отметка пляжа намыва, м; Xd -координата (от X =0) центра рассеивания s-й фракции; 1ср - средний уклон пляжа намыва; Qm - поступление грунта в штабель, м3/ч; WcyT - суточный прирост объема штабеля, м3; L'nH (т) и L’’nH (т) - текущая длина пляжа намыва при направлениях соответственно (^) и (^) , м; Т - полное время намыва штабеля в часах чистой работы земснаряда, ч; ZK^ (т) и ZK^ (т) - текущие отметки пляжа намыва в месте расположения соответственно первого и второго водосбросных колодцев, м; Z (т, х) - текущая отметка пляжа намыва на координате X , м; Ьд - расстояние от бокового откоса, необходимое для работы бульдозера в процессе устройства обвалования, м; 1ср (т) - фактический осредненный уклон пляжа намыва на

момент временит ; АНср (т) - осредненный по X прирост отметки пляжа намыва за один шаг интегрирования Ат ; j1, j2 - соответственно начальный и конечный параметры внутреннего цикла по Ах на расчетный момент времени; АНx и АН^ - изменяющиеся во времени отметки пляжа намыва соответственно в начале и в конце l (т) ; qSo - удельный расход твердого, кг/(м2-с); рск -плотность скелета отложений, кг/м3; 1ср - средний (установившийся) уклон поверхности отложений, определяемый по формуле Мелентьева В.А.

Назначение и область применения программного продукта -гидромеханизация работ в строительстве. Расчет времени и параметров намыва штабеля по переменной двухсторонней технологии с осреднением гранулометрического состава грунта.

Функциональные возможности программного продукта:

а) работает в диалоговом режиме;

б) в процессе работы с программой выдается на экран графическая информация (поверхность намываемого штабеля, центры рассеивания стандартных фракций;

в) результаты расчетов помещаются в файл с возможностью его вывода на печать.

Тип реализующей ЭВМ: IBM- совместимый; процессор P 100 Mhzn выше; объем оперативной памяти не менее 32 Mb; язык программирования Visual Basic 6,0; вид и версия операционной системы (Windows 98se, Me, 2000, XP); объем программного продукта-3,06 Mb.

Рис. 2. Главная форма программного продукта «Штабель-усреднитель»

Рис. 3. Расчет гранулометрического состава грунта

аащ]

Характеристики карьерного грунта

Рис. 4. Расчет расстояния от места выпуска гидросмеси до центров рассеивания стандартных фракций грунта при намыве в обоих направлениях

Рис. 5. Вывод на экран графической информации о форме поверхности намываемого штабеля

Решение задачи научного обоснования попеременно-двухсторонней технологии гидромеханизированной укладки НСМ с осреднением их гранулометрического состава по объему штабеля возможно с помощью имитационного моделирования сложных физических и организационно-технологических процессов, которое позволяет выбрать такой режим переключения направлений подачи гидросмеси, который обеспечивает максимальное осреднение гранулометрического состава НСМ по объему штабеля.

-------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Оптимизация процессов гидромеханизации земляных работ в современных условиях / Ю.А. Попов, М.Н. Шадрина, М.А. Черендин и др. // Известия. вузов. Строительство. - 2001. - №9-10. - С.77-84.

2. Шадрина М.Н. Технология гидромеханизированной укладки нерудных строительных материалов в штабель-усреднитель / М.Н. Шадрина // Труды НГА-СУ. - 2002. - Т.5, №6(21). - С. 81-83.

3. Шадрина М.Н. Гидромеханизированная попеременно-двухсторонняя укладка нерудных строительных материалов в штабель-усреднитель / М.Н. Шадрина // Известия вузов. Строительство. - 2003. - №11. - С. 67-72.

4. Мелентьев В.А. Намывные гидротехнические сооружения / В.А. Меленть-ев, Н.П. КолпашниковДА.Волнин. - М.: Энергия, 1973. -247 с.

M.N. Shadrina

IMITATING MODELLING OF ALTERNATELY-BILATERIAL TECHNOLOGY OF THE ALLUVIUM OF STACKS OF NONMETALLIC BUILDING MATERIALS WITH THEIR AVERAGING GRANULOMETRICOF STRUCTURE

The author develops the settlement scheme of alternately-bilaterial technology of an alluvium of a stack with the purpose of averaging granulometric structure of nonme-tallic building materials after their enrichment in a conical screen with application of a method of updating granulometric structure after passage of a hydromix through a conical screen and wash offfine fractions with the fulfilled water. With use of a method of V.AMelenteva physical and mathematical models of growth of marks of a beach of an alluvium are developed at switching a direction of submission of a hydromix, and also model ofprocess fractioning a ground on length of a stack in view of these switchings.

Key words: reciprocating double-sided inwash diagram; hydraulic mechanization, pile, non-ore building materials, imitational modeling, averaging of grain composition.

Г— Коротко об авторе ---------------------------------------------

Шадрина М.Н. - кандидат технических наук, Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин), uungas@sibstrin.ru