C80车皮冻煤分析

1、项目背景自公司开展市场营销以来，公司的服务有了显著的提 高， 2017 年末，由于入冬以来气温较低，进入我公司的车 皮出现了较为严重的冻结现象。给客户造成了一定的损失。 六公司一直秉承客户至上的经营理念，为此公司领导专门召 开会议，并责成市场营销小组展开研究和调研。第一章 总论煤炭是我国储藏量十分丰富的资源，应用广泛，由于地 区分布不均，煤炭资源往往需要长距离的火车运输。我国北 方地区每年 11 月份到次年 3 月份，室外温度普遍在零下 10 至零下 30 左右，煤炭在长距离的火车运输过程中经 常会出现冻粘现象， 形成冻煤， 冻煤厚度多在 400mm 左右， 严重时整车冻结。 由于冻煤质地坚硬

2、， 与运煤车厢连接紧密， 卸车作业十分困难，极大的影响了广大用煤企业的用煤成本 和正常生产，造成了企业人力、财力的损失。我国北方冬季气温低，煤炭在长距离的火车运输过程发 生冻粘的现象十分普遍。形成的冻煤质地坚硬，与运煤车厢 连接紧密，使卸车作业十分困难，极大影响了广大用煤企业 的正常生产和火车运力的充分发挥。而目前国内外对于火车冻煤问题并没有很好的应对解决方案。研究火车运煤车厢冻 粘机理和设计高效冻煤清理机械对于冻煤问题的应对处理 具有重要意义。1.1 研究背景及意义煤炭是我国重要的基础能源和工业原料，广泛应用 在冶金、化工、建材、火力发电等行业部门。由于我国煤炭 具有地区分布不均的特点，用煤

3、企业的煤炭来源往往需要火 车运输，而北方冬季室外温度普遍在 零下 10 至零下 30 左右，煤炭在长距离运输过程中不可避免的会出现冻粘现 象。冻粘是指在低温环境下，由于物体接触界面间的水分冻 结，使接触物体表面形成粘合的一种自然现象。煤炭在火车 运输过程中，运煤车厢与外界发生热量交换，金属车厢迅速 散失热量，在车厢底部及车壁附近的煤料中的水分迅速形成 最初的粘附源，并不断向车厢内部煤料扩展，形成冻煤。冻 煤是一种分散相，多成分颗粒集合体系，与运煤车厢连接紧 密，难以清除，且在运煤车厢的底部及车厢四壁尤为突出， 多成兜形分布。据统计，运煤列车平均粘煤率为 15 左右， 冬季室外气温较低时运煤车辆

4、的冻粘率可达 30 至 60 ， 严重时整车冻实，用煤企业广泛使用的翻车机卸载系统无法 完成冻粘车辆的卸载工作，卸车作业十分困难，影响了用煤企业的用煤成本、正常生产和火车运力的充分发挥，造成严 重的人力、财力的损失。粘附现象包括湿粘和冻粘两类。对于粘附理论的研究主 要是以土壤、冰等为研究对象，对于运输过程中矿物的粘附 理论研究多以以大秦线“ C80 ”车皮为研究对象，认为被运 输物料与运输车皮发生湿粘的主要原因是被运输物料一般 具有较强的物理和化学吸附作用，能相互粘结并吸附在矿车 表面；如果物料含水量较高，物料及矿车表面容易被水溶液 浸润，在接触面容易产生弯月面， 从而产生毛细管吸力作用。 冻

5、粘现象是在湿粘的基础上进行的，由水在低温环境下凝结 成冰粘附在矿物颗粒及矿车表面形成的。而目前针对煤炭在 长距离的火车运输中的冻粘理论研究较少，对运煤车厢冻粘 机理的研究对于火车冻煤问题的预防和清理有十分重要的 作用。对于冻煤问题目前并没有很好的解决办法，用煤企广泛 采用的火车运煤车厢冻煤清理的方式是人工清理和设立暖 房。人工清理的方式费时耗力，效率极低，清理一节冻煤厚 度 400mm 的火车车厢需要一队工人清理 3 小时；而暖房设 立初期投资大，占地多，综合卸车作业效率也不高。机械清 理方法作为一种使用简便，可操作性强的冻煤处理方式值得 广泛推广，而目前针对火车运煤车厢冻煤清理的清车机构研

6、究较少，基本上是依靠金属清车机构伸入运煤车厢内，对冻 粘煤料进行强制清除。在实际应用中存在清理效果不理想， 煤料冻粘严重的情况难以处理，且容易损伤运煤车厢等问 题。因此，研究安全高效的冻煤清理装置，实现铁路火车冻 煤卸载机械化具有十分重要的意义。1.2 冻煤问题预防及清理措施研究现状我国冬季煤炭运输过程中的冻粘现象严重影响了广大 用煤企业的正常生产，据统计，由煤炭粘附引起的能耗增加 高达 30 。在国外，冻煤的卸载也是一个难题。在美国、 加 拿大、俄罗斯等国家的北部地区冬季气温在零下15 至零下40 之间，煤炭冻粘在长距离的火车运输过程中十分严重。 近年来国内外对冻煤的形成及冻煤问题的预防清理

7、措施进 行了一系列研究，对冻煤问题的应对处理措施大体可以分为 主动式防冻粘措施和被动式冻粘清理措施。1.2.1 主动式防冻粘措施运煤车厢冻粘使冻煤紧密连接车厢壁上，严重降低了卸 车作业效率，影响了企业正常的煤炭存储和使用，一直是困 扰广大用煤企业的棘手问题。多年来国内外用煤企业一直在 寻求合理的冻煤问题的预防及清理方法，其中主动式防冻粘 措施是指通过对运煤车厢煤炭冻粘形成过程中影响冻粘产 生的因素进行干扰，以达到减少冻煤形成或者降低冻煤强度 的方法，主要包括以下措施：(1) 加热保温法加热保温法是通过在运煤车辆车壁上安装加热管，在车 辆运输途中对运煤车辆及内载煤料不断加热已达到保温目 的，或者

8、在运煤车辆车壁上加装保温层以减少热量散失。通 过干扰冻煤形成过程中的温度因素预防冻煤产生的方式。(2) 调节含水量法含水量是煤炭冻粘发生的主要因素，在煤料含水量低的 情况下不会发生冻粘现象或者冻煤强度很低。该方法的主要 措施是在煤源点使用煤炭脱水设备对煤炭进行脱水处理，通 过一定压差和机械离心作用降低煤炭的含水量，需征收额外 的处理费用。(3) 表面改性法表面改性法是寻求新型的工程材料以代替运煤车厢触 煤表面材料的一种方法。我国及日本学者曾提出使用超高分 子量聚乙烯作为运煤车厢底部衬板来防止冻煤产生。但该方 法改造工作量大， 成本较高， 且耐磨性较差， 需要经常更换(4) 防冻剂法防冻剂的作用

9、原理是通过改变冰的晶体结构以降低冰的形成强度，在车厢底部及车厢四壁喷涂防冻液能防止冻粘 现象发生，或者降低煤炭冻粘的强度。防冻剂的使用需要专 门的喷洒装置对煤料和车厢均匀喷洒，且大多存在污染环境 的问题。(5) 柔性仿生法根据一些典型土壤动物如蚯蚓等具有减粘附的功能，相 关学者通过对生物柔性体表结构的研究，选取适当仿生材料 与结构形式， 开发的一种防冻粘技术。 该技术还处于研究中， 无法应用到实际生产中。实际生产中缺少行之有效的主动式 防冻粘方法，主动式防冻粘方法大多处在研究阶段，应用较 少， 且应用费用较高，不适合现阶段的冻煤清理工作。1.2.2 被动式冻粘清理措施被动式冻粘清理技术，是指在

10、冻煤形成后利用一定手段 清除冻粘的方法，是产生冻煤后的补救清理方法，在目前没 有理想的防冻粘手段情况下是处理冻煤问题的主要手段。(1) 设立暖房目前广泛应用的暖房主要有热风对流式和远红外辐射 加热式两种类型。热风对流式是利用蒸汽管加热空气后风扇 强制热风对流对运煤车厢进行加热；辐射加热式是直接对运 煤车辆辐射加热。本质上都是通过对冻粘运煤车辆加热解冻 的方法。但由于运煤车辆底部的橡胶及气动元件等特殊构造 原因，实际应用中暖房内的温度不能过高， 一般在 70 左右， 一次解冻冻厚 400mm 的火车车厢使之达到翻车机翻卸要 求，需要 13 小时，效率难以达到企业卸冻煤要求，且占地 面积大，初期投

11、资高。(2) 电渗法电渗法是利用电场力作用，以车厢为阴极，以车厢中的 运输物料作为介质，将阳极与物料接触，通过较大的电压作 用在车厢内壁和被运输物料之间形成一层液膜，从而隔离物 料和车厢。 电渗法不损坏运煤车辆， 且无噪声， 但电耗极大、 作业时间长并对粘结物的含水条件有要求，应用有困难。(3) 机械振动法振动法是在翻车机底部设立震动设备，在翻车机翻转到 位时依靠电磁脉冲等方式产生强大冲击力，对车厢底部或车 壁进行敲击，破坏冻煤与车厢的粘附力，从而达到冻煤清理 目的的一种方法。该方法无需另设清车线，但清车时噪音极 大且容易对车厢造成损伤，冻煤与车厢分离后还有较大的块 度，需再次破碎才能输送。(

12、4) 高压射流法高压射流法是利用高压喷射的水、 油、气等破坏冻煤层， 从而使冻煤脱落的方法， 实际应用中耗能大， 且易产生粉尘， 对环境有不良影响。(5) 机械切削法机械清理法是利用机械装置对冻煤进行切削破碎的一 种方法。机械清理法是一种简单易行，安全可靠且较易形成 规模化生产的方法，在目前拥有广阔的应用前景。虽然已有 相关的冻煤清理机械装置的研发，如车载移动式旋装卸煤机等，但清理效率低，清理效果不理想。该方法尚待完善与深 入。(6) 人工清理， 应用最广的冻煤清理方式， 由工人手持风 镐等破碎工具将车厢内冻煤破碎后移除车厢，效率低。由以上介绍可以看出，对于冻煤的各种处理方法各有优 缺点。那么

13、我们公司应该采取哪种方法治理冻煤，则是我们 应该重点研究的方向。第二章运煤车厢冻粘机理分析煤炭的冻粘是低温下湿煤冻结形成的粘附现象，包括煤 料内部水分的冻结和煤料与运煤车壁间水分冻结形成的粘 附。研究运煤车厢煤炭的冻粘机理，建立冻煤的微观界面模 型，分析冻煤内部作用力，对于寻求冻煤问题的解决方法具 有十分重要的意义。2.1 煤的材料性质煤是由植物堆积形成的黑色腐殖质在地壳变动时埋入 地下，与空气隔绝，高温条件下，经过长时间复杂的物理化 学变化，形成的黑色可燃沉积岩。由于煤形成的初始物质的 多样性，使煤炭具有多样的物理和化学性质。2.1.1 煤的表面性质水分是煤炭冻粘过程中的关键因素，水分在煤中

14、一般以 三种不同的形式存在， 分别是外在水分、 内在水分和化合水 其中外在水分是以机械的方式与煤颗粒相结合，是煤炭冻粘 形成的主要因素；内在水分是以物理化学方式与煤相结合， 吸附和凝聚在煤中空隙和内部表面的毛细管中的水分，对煤 炭冻粘有一定影响；化合水即结晶水，含量很少，是指以化 学方式与煤结合的水分，对煤炭冻粘没有影响。煤具有较强 的吸附作用，容易吸附水溶液，主要表现在煤的表面浸润性 和内部孔隙的毛细管作用。由于煤形成过程的特殊性，与一 般矿物相比，更具种类的多样性和结构的复杂性，煤的表面 性质可以从以下方面分析：(1) 表面润湿性表面湿润性是用来衡量物体表面对水的亲和力程度，当 液体接触煤

15、表面时，液体在煤表面上被气体挤压，由于液体 及煤表面的性质不同，液体在煤表面上呈现不同的扩大现 象。润湿程度通常用液体表面和固一液界面之间的接触角 表示，它是由固体、液体、气体表面张力平衡决定的。接触角 的可按以下公式计算：cscos1（2-1 ）公式中：c 煤的表面张力， Nm ；s 液体的表面张力， N m ；1煤和液体的界面张力， Nm ： 接触角接触角 越小，表示液体对煤的润湿性越好，煤表面润 湿性与煤化程度有关，煤化程度轻的煤，表面润湿性较好； 随着煤化程度加深，煤表面润湿性变差。润湿性与吸附外在 水溶液的能力及表面水膜的连续性有关，润湿性好的煤表面 容易吸附外在水溶液形成冻粘且煤表

16、面水膜连续，形成冻粘 的强度也较大；润湿性差得表面不易吸附外在水溶液，水膜 不连续，冻粘过程易发生破坏。(2) 润湿热煤被液体润湿时会放出热量，煤的这种性质叫做润 湿热。润湿热通常用单位质量的煤被润湿时放出的热量来衡 量，单位为 J 儋。煤的润湿热主要由分子间作用力作用引起， 润湿热大小与煤的表面积及煤接触表面的液体种类有关，是 液体与煤表面相互作用，在一定程度上影响湿煤的冻粘过 程。(3) 煤的表面积煤的表面积由内表面积和外表面积组成，其中由煤内部 的毛细管及空隙形成的内表面积占煤表面积的比例较大，煤 的外表面积只占煤表面积中较小的比例。单位质量的煤的内 表面积总和叫做煤的比表面积 (m2g

17、) ，它是衡量煤内表面积 的指标，煤的比表面积与煤的微观结构密切相关，是煤的重 要物理指标之一，一定程度上反映了煤的内部空隙率及吸含 外在和内在水溶液的能力。2.1.2 煤的空隙率和孔径分布煤是一种内部结构复杂的多孔材料，主要表现在内 部丰富的孔隙结构，对于煤炭冻粘形成过程中必需的外在水 溶液和内在水溶液的吸附有重要影响。(1)煤的空隙率煤的内部分布有丰富的空隙结构，煤的空隙率是指煤的 内部空隙总体积与煤总体积的比值，也可以用单位质量的煤 的内部空隙总体积表示。 煤化程度轻的煤空隙率一般在 10 以上，随着煤化程度增加，煤的内部结构逐渐紧密，空隙率 下降；但当煤化到达一定程度时，煤内部会出现裂

18、隙，空隙 率又有所增加。煤的空隙率与吸含水分的能力有关，煤中的 空隙较大，吸附的水分主要是外在水，对冻粘形成有重要影 响，内部空隙中的水分结冰后会形成“销钉”作用，以机械 力形式将煤和冰连接在一起。(2)煤的孔径分布 煤中分布有大小不一的孔径，这些孔径可分为微-5孔、小孔、大孔和可见孔及裂隙。 其中微孔直径小于 10-5 mm ， 是煤中孔径的主要组成部分， 占 50 以上；小孔是指直径在 10-5 mm 至10-4 mm 之间的孔径，是毛细管凝结的空间，占孔 径总量的 28 以上：大孔的直径在 10-4 mm 至10-1mm 之间， 占煤中孔径的比例较小，所占的比例影响煤的水分冻粘形-1态：

19、可见孔及裂隙的直径大于 10-1 mm ，所占比例最小，表现 为煤的宏观断裂面。随着煤化程度的增加，煤的内部结构趋 于紧密，孔径逐渐减小，不同孔径的分布比例影响没得毛细 管作用及含水能力，孔径主要影响煤中内在水分的吸附，内 在水分较难分离，对煤炭冻粘过程起重要影响。2.1.3 煤的基本化学结构煤的化学结构高度复杂，而且还与煤质有关，受煤 的类型、形成和煤化过程影响，呈现结构不均一、非晶态等 特点，由于这些因素的影响，使目前对煤的化学结构认识有 一定困难。研究表明煤中大分子之间主要靠交联作用保持在 相对固定的位置上，交联作用是指的是高分子间通过某些键 能相互键合或连接，这些键能包括化学键能和非化

20、学键能， 其中化学键能主要是共价键，非化学键能主要是是氢键力和 分子间作用力。 Wiser 模型被认为是目前比较全面，合理的 煤化学结构模型模型，如图 2-2 所示。该模型中芳香环数分布范围较宽，还含有一些不稳定的 结构，基本结构单元之间有 3 条键，交联键数较高。交联作 用可以发生在分子之间，也可以发生在分子内部，煤的基本化学结构就是煤的基本单元之间通过交联作用形成的网状 空间结构。煤中的交联作用中的化学键主要是结构单元之间 的联接桥键；非化学键包括分子间作用力和氢键力，对煤化 程度轻的煤以氢键力为主，而煤化程度高的煤以分子间作用 力为主。煤的基本单元间的交联作用在一定程度上影响着 煤的耐热

21、、抗溶解和机械强度等物理特性，随着交联程度的 增强，煤的溶解性和机械强度增强。2.2 运煤车厢冻粘形成机理煤是固、液、气三相并存的混合系统物质，火力发 电厂等用煤企业实际使用的煤原料多是块度较大的煤经破 碎加工后的颗粒度较小的煤料，本文就以这种小颗粒煤料的 运输冻粘过程为研究对象。块度较大的煤在外力作用下破碎时会沿解理面断 裂形成颗粒度较小的煤粒，这种小颗粒的煤料与块度较大的 煤料相比，表面能量更高，比表面积更大，吸附能力更强。 块煤破碎时的断裂面会产生得不到补偿的断键，这使得形成 的小颗粒煤表面对煤中的液态水溶液中的正负离子亲和力 不同，导致颗粒煤表面对煤表面电解质水溶液中的正、负离 子的不

22、等量选择性吸附作用，表现为煤颗粒中金属离子在范 德华力的作用下更易离开煤颗粒，溶入水溶液，从而使煤颗粒表面带负电运煤车厢为钢铁结构，表面具有一定的粗糙度及微 孔等缺陷，有较高的自由能，容易吸着周围物质以降低表面 自由能。 车厢金属表面具有较强亲水性， 表现为车厢表面 Fe 等渡金属缺少电子，呈现正电，易接收水分子中 0 的多余电 子，由于运煤车厢表面和煤颗粒表面的亲水性及所带的不同 电性，在煤颗粒与车厢金属表面之间，水膜趋向稳定，极性 很强的水分子排列有序， 呈现较强的稳定粘性， 不易被破坏， 在接触面水膜弯月面和毛细管吸力作用下，形成最初的湿 粘。煤炭冻粘是在湿粘基础上发生的，其形成的根本原

23、 因是低温环境下煤料中的水分不断释放热量，冻结成冰形成 的冰胶作用。当运煤列车在冬季低温环境下行驶时，由于金 属车厢壁具有良好的导热性，散失热量速度快，车厢壁的附 近的煤料首先进入冷却状态，煤中的水分损失热量。当温度 降低到 0 以下时，车厢附近煤料中的水分的能量大量散失， 分子活动能力减弱，水分子排列相对有序，位置相对固定， 煤料中的微小颗粒成为液态水凝结成冰的凝结核，从而形成 了煤炭冻粘的初期粘附源，使煤颗粒之间，以及煤颗粒与金 属车厢壁之间产生最初的冻结粘附。随着液态水凝结晶核的 产生和长大，形成的众多的小晶粒不断长大，晶粒在各自生 长过程中互相抵触，朝有液态水存在的方向生长，宏观表现

24、为冻粘向车厢内部发展，冻粘煤量不断增加。随着热量继续 散失，煤料冻结面不断扩充，最终进入整个环境温度系统中 热量的动态平衡过程，煤炭冻粘情况进入相对稳定状态。由 于冻粘首先发生在散失热量较快的金属车底及车壁，且煤料 底部的含水量较高，冻粘过程中底部及车厢壁附近煤料的体 积冻胀，运煤车厢底部及边角处承受较大的界面压力，使车 厢底部及车厢壁的冻粘强度较高，表现为车厢底部及车厢壁 冻粘严重，典型的冻粘形状呈“兜形” ，呈现车厢四壁冻粘 高，中间低的形状。2.3 冻粘影响因素运煤车厢的煤炭冻粘现象是在一定含水量及低温 的作用下产生的，因此含水量及温度是运煤车厢冻粘的主要 因素。此外，影响运煤车厢煤炭冻

25、粘的因素还包括：压力、 冻结时间、材料特性、冻结速率和煤料中水溶液成份等。对 冻粘影响因素的研究对冻粘现象的理论分析和寻求冻煤预 防处理措施具有重要帮助。(1) 温度温度因素是煤炭形成湿粘与冻粘的分界因素，对煤 炭冻粘形成起重要作用。研究表明，在一定温度区间内随着 温度的降低冻粘强度逐渐增大，当冻粘达到一定的强度后温度继续下降对冻粘强度影响不大。当温度降至 O 时，煤料中的水分开始凝结，由液 态向固态转化，液态水凝结成冰，形成冰胶作用，并将煤料 与车厢连接在一起，同时煤料内部的水份往冻结界面进行迁 移，同时，随着温度降低，空气的水分饱和量降低，空气中 的气态水分析出，为煤料冻粘界面提供了多余的

26、水分补给， 使冻粘界面处水分凝结加剧，冻粘强度增大。当温度降至一 定程度后，冻粘系统进入平衡状态，不会得到更多的水分补 给，煤料冻粘保持相对稳定。(2) 含水量煤原料的含水量被认为是煤炭冻粘形成的最为关 键的因素，研究表明，当煤料的含水量高于 5 时，冻粘容 易形成；当煤料含水量低于 5 时，冻粘强度大大降低，不 易形成冻粘。当煤料含水量较低时，煤颗粒接触界面无法达 到充分的湿润，界面接触的粘附面变小，转变为固态粘结剂 的水分也较少，因此冻粘强度较低。随着含水量增加，接触 界面湿润较充分， 也有较多的水分参与凝结， 转化为粘结剂， 其粘附强度也随之增加。需要注意的是，当含水量达到一定 程度后，

27、过于充足的水分使煤料接触界面处于游离滑动状 态，反而会在一定程度上降低冻粘强度。(3) 压力 在冻粘过程中施加压力会直接影响冻粘强度，这是因为压力作用在冻粘物体界面上，使物体间的接触更加紧 密，增强了接触界面的润湿效果，水分向接触物体表面的渗 透能力增强，从而增大了界面冻粘强度。在运煤车厢煤炭冻 粘过程中底部煤料承受项部煤的压力，并且冻粘首先发生在 车厢底和车壁处，由于冻粘形成过程中的液态水凝结成冰， 使煤料体积膨胀，增大了车厢底部煤料的压力，导致车底易 形成冻粘，且冻粘强度大。(4) 冻结时间火车运煤车厢的煤运过程多需要长时间的室外行驶，其冻粘过程是整个运煤车厢系第二章运煤车厢冻粘机理 分析

28、统散失热量，煤料中水分凝结，进入热量平衡的过程。 在特定的室外温度环境下，冻粘系统的平衡过程与冻结时间 有关。在冻粘系统未进入热量平衡之前，运煤车厢的冻粘强 度与冻结时间呈线性增长关系，当冻粘系统进入热量平衡 后，冻粘强度趋于平衡。(5) 材料特性材料的表面性能和热特性都会对冻粘过程产生影 响。表面性能的影响表现在： 当物体表面接触角小于 900 时， 物体表面表现为亲水性，表面润湿充分，形成的水膜连续且 附着能较大，不易破坏，在冻结过程中形成的冰层也是连续 的，有较高的强度。 材料的热特性对冻粘形成也有很大影响， 冻粘的形成是系统热量交换，逐渐进入热量平衡的过程，在 运煤车厢系统中， 金属车

29、厢壁内部煤料的比热小， 导热性强， 冻粘系统中的热量散失主要通过金属车厢散失，所以，冻粘 首先发生在车厢底部与车厢壁附近的煤料处。除此以外，材 料的热性能对结冰速率和冰的结晶形态也有影响。此外，界面水的成分对结冰过程中的凝结核有影 响，从而能影响冻粘界面冰层的内部应力。冻结速率也会影 响冰结晶的形态，对冻粘强度有一定影响。2.4 运煤车厢冻粘微观界面模型运煤车厢的冻粘现象是低温下煤料中的水分逐渐冻结 成冰，形成冰胶作用形成的，冻粘首先发生在低温的金属材 料表面，形成最初的粘附源后向液态水的方向扩大，冻粘现 象分为运煤车厢与煤颗粒之间的冻粘及煤颗粒之间的冻粘。 对运煤车厢冻粘的微观结构模型的研究

30、，有利于冻粘机理和 冻粘内部作用力的分析，通过冻粘强度组成的研究，寻找冻 粘结构的薄弱环节，对于寻求高效冻粘清理方法也有十分重 要的意义。2.4.1 冻粘的微观界面模型建立冻粘现象是水分散失热量凝结成冰，粘结物体表面 形成的，本质上是运煤车厢与环境系统热量交换的过程。冻 粘首先发生在接触物体界面间的水分与物体的接触表面，通 过对冻粘剥离后的材料表面观裂 171 ，各种材料的冻粘界面 破坏形态不同，有些材料表面有一层强度较大的粘着冰层， 有些材料没有，这取决于接触界面处的水凝结成冰后与材料 表面的粘着力。就运煤车厢的冻粘现象来看，冻粘的发生只 有两种情况：煤颗粒表面和金属车厢表面间的水分冻结粘附

31、，以及煤颗粒之间水分的冻结粘附，通过观察金属车厢表 面和煤颗粒表面的冻粘破坏形态都会有粘着冰层。根据这两 种情况，建立以下运煤车厢冻粘的微观界面模型。根据以上建立的运煤车厢冻粘的微观界面模型，冻粘粘 附界面主要有粘着层和粘附冰层组成。 冻粘结构模型由 5 层 结构组成，分别是材料表面，冻粘粘着层，粘附冰层，冻粘 粘着层，材料表面。基于以上结构模型可以进行冻粘强度和 内部作用力的分析。2.4.2 内部作用力分析根据以上运煤车厢内的冻粘的微观界面模型的分 析，运煤车厢冻粘的内部作用力主要由以下作用力组成：冰 层与金属车厢的作用力，冰层与煤颗粒之间的作用力，冰层 内部作用力，煤颗粒内部作用力。(1)

32、 冰层与金属车厢的作用力运煤车厢冻粘的顺序是由外向内进行的，金属车厢 表面具有良好的导热性，运煤车厢冻粘形成的热量散失主要 是靠金属车厢完成的，因此，车厢表面水分凝结较快，先冻 结的水分子有较长的重新组合时间，结晶结构逐渐趋向完 美，水分子之间结合紧密，分子距离小，表现出较高的冻粘 强度。由于金属车厢表面具有一定粗糙度和微孔缺陷，在压 力作用下冰层主要以机械力方式与车厢粘结。(2) 冰层与煤颗粒之间的作用力大块煤沿解理面破碎后带有负电，容易吸附水溶 液，且煤内部具有丰富的孔隙结构，使煤颗粒具有较强的吸 附能力，表面及内部孔隙中易含有水分，使煤颗粒表面润湿 效果较好，形成的冰层冻粘强度也较大。由

33、于煤颗粒表面具 有一定的表面粗糙度和孔隙缺陷，煤颗粒表面冻粘的冰层与 煤颗粒之间具有较强的摩擦力，煤颗粒和表面冰层的粘合力主要是由这些摩擦力作用构成(3) 冰层内部作用力冰层内部作用力即运煤车厢冻粘的微观界面模型 中粘附冰层和粘着冰层的内部作用力，主要是由水分子之的 氢键作用和分子间作用力组成，表现为冰的强度。(4) 煤颗粒内部作用力运煤车厢中煤颗粒的强度也影响着车厢内部的冻粘的整体强度，通过对煤的基本结构分析，煤的基本单元主 要是由交联结构连接在一起，保持在相对固定的位置，这些 交联结构由氢键，共价键和分子间作用力构成，煤颗粒的强 度表现为交联结构的强度。综上所述，运煤车厢内部的冻粘强度受氢

34、键力，共 价键力，摩擦力和分子间作用力等多种作用力的影响，各种 作用力所表现出来的作用大小各不同。氢键键能在8 35kJmol ，分子间作用力在 48kJ mol 。综上，化学键力对 冻粘强度的理论贡献可达 7.0x 103 7.0x 104 MPa ；氢键力和2 分 子 间 作 用 力 贡 献 的 理 论 粘 结 强 度 可 达 7.0x 102 37.0x 103 MPa 。分析运煤车厢内部冻粘的微观界面模型可知， 粘附冰层所占比例较大，其分子间作用力对界面冻粘强度的 贡献作用所占比例较大。但事实上由于冰层和车厢及煤颗粒 接触表面存在一些缺陷、气孔以及冰层内部的杂质等因素造 成冰层内部容易

35、产生应力集中等问题，使得冰层内部实际的 冻粘强度贡献远小于理论上的冻粘强度。由冻粘的微观界面模型可知运煤车厢内部冻粘强 度是由冰层与金属车厢间的作用力，冰层和煤颗粒间的作用 力，煤颗粒内部的作用力，冰层内部作用力中的最薄弱的作 用力决定。煤的基本单元之间是靠交联作用键合在一起的， 而冰层中水分子是靠氢键力和分子间作用力结合的，且分子 量较小，其作用力小于煤的基本单元之间的交联作用力。同时，由于粘附冰层内部气孔，杂质缺陷等因素造 成粘附冰层内部作用力远低于润湿较好、冻粘发生较早的冰 层与金属车厢及煤颗粒界面间粘着层的粘结力，因此，通常 情况下冻粘界面粘附冰层内部作用力是冻粘结构中的薄弱 环节。当

36、使用外力破坏冻粘结构时，只要施加的外力达到粘 附冰层的破坏强度时冻粘结构即会被破坏。2.5 本章小结本章分析了煤的材料性质及运煤车厢的冻粘机理， 得到以下结论：(1) 煤具有较好的表面润湿性及发达的内部空隙结 构，其物理性质特性使煤对水溶液有较强的吸附作用，容易吸含水溶液；( 2)针对火车运煤过程，分析了运煤车厢冻粘的形 成机理，指出冻粘的形成过程本质上是运煤车厢热量散失， 直至进入系统热量平衡的过程，并对影响运煤车厢冻粘的温 度、含水量、压力等因素进行了分析；(3) 建立了运煤车厢冻粘的两种微观界面模型， 分析 了运煤车厢内部的冻粘结构的强度，认为冻粘界面中的粘附 冰层的内部作用力是运煤车厢

37、内冻粘强度的薄弱环节。第五章冻煤清理装置三维建模研究计算机辅助设计 (CAD) 是用计算机系统协助产生、 修改、分析和优化设计的技术。利用 CAD 技术建立产品的 参数化三维模型，对于加速产品和工程的开发、缩短设计制 造周期、降低成本、产品的直观展示及后续优化设计具有重 要的意义。3.1 翻车机卸煤系统建模Solidworks 作为一种基于 Windows 开发的强大 桌面集成系统，拥有众多功能的插件系统和庞大的标准零件 库，CAD 功能强大。通过尺寸驱动功能可以绘制精确的草图， 并方便后续修改，通过拉伸、旋转、扫描等特征功能可以直 接生成三维实体模型。软件采用的尺寸驱动和非全约束的建 模技术

38、使三维模型在建模过程的任何时刻都可以被修改，通 过对特征和草图的动态修改，可以实现精确三维模型的实时 建立。 同时， Solidworks 拥有强大的装配功能， 可以将三维 零件按照设计要求进行精确装配，独有的拖拽功能可以最大 限度的提高用户大型装配设计效率。具有强大的设计功能且 易学易用，并能与 ANSYS 、ADAMS 等多种有限元分析软 件良好的交换模型数据，便于复杂模型的有限元分析，这些 特点完全符合冻煤清理装置方案的设计要求，所以选用 Solidworks 作为本方案的三维建模软件。目前用煤企业及大型港口码头广泛采用火车卸载 方式是翻车机作业系统， 其主要设备组成有重车调车机 (定位

39、 车)、翻车机、牵车台、轻车调车机。作业流程主要有以下程 序： (1) 重车调车机调车臂下落与重车车辆联挂；(2) 重车调车机牵引车辆前进， 车辆进入翻车机平台定位； (3) 重车调车 机调车臂与车辆解挂； (4) 翻车机进行翻卸，并翻回至原位；(5) 重车调车机将车辆牵引如迁车平台定位； (6) 重车调车机 解挂，调车臂抬起，后退一段距离； (7) 迁车平台向空车线移 动直至与空车线对位； (8) 重车调车机高速返回； (9) 轻车调 车机将空车牵引出迁车平台，并送达指定位置；(10) 迁车平台翻回重车线； (11) 轻车调车机翻回原位。至此，完成一节 车厢的翻车卸载工作，进入下一个工作循环

40、，直到运载列车 全部卸载完毕。翻车系统中各设备的三维模型如下：(1) 重车调车机图 3-1 重车调车机三维建模图重车调车机主要由车体、 调车臂、 驱动装置 ( 齿轮齿条行 走驱动 )、行走装置、 导向轮等组成， 用于牵引满载的火车车 厢。(2) 翻车机图 3-2 翻车机三维建模图翻车机主要有转盘、压车机构、靠车机构、驱动机构等组成，将由重车调车机牵引定位的重车车辆翻转0。160左右，将车辆内的散货卸除(3) 迁车平台图 3-3 迁车平台三维建模图迁车平台主要由平台主体、驱动装 置、行走装置、导向轮等组成，将由翻车机翻转倾卸完毕、 重车调车机牵引至平台并定位的重车车辆迁移至空车调车 线。(4)轻车调车机图 3-4 空车调车机三维建模图轻车调车机主要结包括由车体