автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование параметров ковшевой дробилки торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата

На правах рукописи

НАГОРНОВ Дмитрий Олегович

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОВШЕВОЙ ДРОБИЛКИ ТОРФЯНОГО ПОГРУЗОЧНО-ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО АГРЕГАТА

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г- п

- / № №

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2012

005045568

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Национальном минерально-сырьевом университете «Горный».

Научный руководитель -доктор технических наук

Михайлов Александр Викторович

Официальные оппоненты:

Фомин Константин Владимирович доктор технических наук, доцент, Тверской государственный технический университет, доцент кафедры «Торфяные машины и оборудование»

Хван Давид Николаевич кандидат технических наук, доцент, Петербургский государственный университет путей сообщения, доцент кафедры «Техносферная и экологическая безопасность»

Ведущее предприятие - Научно-производственная корпорация «Механобр-техника» (ЗАО)

Защита состоится 27 июня 2012 г. в 10 ч 30 м на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 25 мая 2012 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета .л^- г -г

д-р техн. наук, профессор ГАБОВ В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Отличительной особенностью торфяной отрасли горнодобывающего комплекса, является высокая степень зависимости производства от метеоусловий региона добычи, и, учитывая, прекращение серийного производства специализированных торфяных машин, стало экономически неэффективным восстановление крупномасштабных торфяных производств на известной технической и технологической базе.

Задачи, стоящие перед торфяной отраслью на современном этапе, требуют создания новых высокоэффективных и универсальных машин, обеспечивающих качественное и производительное выполнение технологических процессов добычи и переработки торфяного сырья.

Большой вклад в исследование и создание средств механизации торфяного производства внесли такие ученые, как Гревцев Н.В., Журавлев A.B., Зюзин Б.Ф., Кислов Н.В., Кондратьев A.B., Лукьян-чиков А.Н., Михайлов A.B., Мурашов М.В., Опейко Ф.А., Самсонов Л.Н., Синицын В.Ф., Солопов С.Г., Фомин В.К., Фомин К.В и др.

Разработка и внедрение универсальных средств механизации, обеспечивающих в технологическом процессе добычи торфяного сырья погрузку, сепарацию и дробление, позволит обеспечить малые торфодобывающие компании высокоэффективной техникой при снижении себестоимости добычи торфа и производства торфяной продукции с гарантированными качественными характеристиками.

Цель работы: установление закономерностей процесса дробления, сепарации и аэрации торфяного сырья на заключительных операциях добычи и полевом обогащении для обоснования рациональных параметров ковшевой дробилки торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата, что способствует сокращению парка машин и механизмов и ведёт к концентрации производства при экскаваторном способе добычи.

Идея работы: Использование ковша с активным днищем, в виде ковшевой дробилки, агрегатираванной с фронтальным погрузчиком, ведёт к сокращению количества технологического оборудо-

вания на участке добычи и полевой переработки торфяного сырья, увеличению коэффициента использования, повышению эксплуатационной производительности оборудования.

Для достижения поставленной цели решены следующие

основные задачи:

1.Обоснован состав торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата на основе технических характеристик агрегатируемости фронтального погрузчика и ковшевой дробилки.

2. Проведён комплекс аналитических исследований процесса переработки торфяного сырья ковшевой дробилкой с роторно-дисковым исполнением рабочего органа.

3. Разработана экспериментальная установка для исследования процесса переработки торфяного сырья, добытого экскаваторным способом, с целью оценки производительности и эффективности процесса полевой переработки.

4. Проведён комплекс лабораторных и полевых исследований, по определению рациональных режимов работы и энергоёмкости процесса переработки торфяного сырья в ковшевой дробилке торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата.

5. Определена производительность ковшевой дробилки, как активного навесного оборудования торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата, при выполнении совмещенных операций по переработке и погрузке торфяного сырья.

Защищаемые научные положения:

1. Энергоемкость переработки торфа ковшевой дробилкой с роторно-дисковой просеивающей поверхностью описывается степенной зависимостью от радиусов элементов роторов и прямо пропорциональна углу контакта роторов с материалом, количеству дисков, силе сопротивления протаскивания торфяного сырья между поверхностями роторов с учётом ширины элементов просеивающей поверхности.

2. Экспериментально установлено, что энергоёмкость процесса измельчения торфяного сырья зависит от угла наклона активной просеивающей поверхности ковшевой дробилки в противоположную сторону от направления вращения роторов, при этом рекомендуемое значение угла наклона соответствует углу внутреннего трения торфа и составляет 20°, что обеспечивает переработку до

4

значения средневзвешенного диаметра частиц 10-12 мм, снижение энергоемкости, без изменения геометрических и кинематических параметров рабочего органа, на 34% и отсутствие потерь торфяного сырья.

Методы исследования. При решении поставленных задач использован комплексный метод исследований на основе анализа механико-технологической системы «торфяное сырье-рабочий орган машины», математического моделирования и экспериментальных исследований, проведённых в полевых и лабораторных условиях. Основные теоретические результаты получены с использованием подходов, базирующихся на методах расчета деталей машин, теории механизмов и машин, теории упругости, трибологии и триботехники Полученные в работе экспериментальные данные обрабатывались методами математической статистики в соответствии с ГОСТ 8.20776.

Научная новизна:

Установлена степенная зависимость между удельными энергозатратами на переработку торфяного сырья и радиусами элементов роторов, углом контакта роторов с материалом, количеством дисков, силой сопротивления протаскивания торфяного сырья между поверхностями роторов с учётом ширины элементов просеивающей поверхности.

Установлено влияние угла наклона активной просеивающей поверхности дробилки (в противоположную сторону от направления вращения роторов, образующих эту поверхность), на энергоёмкость процесса измельчения торфяного сырья.

Определён рациональный угол наклона просеивающей поверхности ковшевой дробилки при работе в составе торфяного по-грузочно-перерабатывающего агрегата, обеспечивающий увеличение производительности агрегата на 34%.

Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается:

- корректным обобщением передового производственного опыта и анализом предыдущих результатов научных исследований;

- использованием аттестованных методик при проведении лабораторных исследований, достаточным объемом экспериментальных данных и использованием современных математических методов их

обработки с удовлетворительной сходимостью результатов (расхождение не превышает 5% при доверительной вероятности 0,95).

Практическая значимость работы:

1. Разработана методика теоретической оценки перерабатывающей способности роторно-дисковой просеивающей поверхности и выполнен комплекс экспериментальных исследований, подтверждающих обоснованность сделанных выводов и рекомендаций.

2. На основе результатов выполненных научных исследований и опытно-конструкторских работ создан опытно-промышленный образец сепарирующе-перерабатывающего устройства с роторно-дисковой просеивающей поверхностью, позволяющего получить максимальный эффект увеличения пористости при измельчении торфяного сырья после первого процесса измельчения.

З.Обоснована компоновка торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата в составе колесного фронтального погрузчика и активного навесного оборудования - ковшевой дробилки.

4,Обосновано применение активного ковша в составе торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата, позволяющего совмещать операции погрузки и переработки (дробления, просеивания и аэрации) торфяного сырья при добыче торфа, что подтверждено заявкой на патент Российской Федерации №2011126582 (039340).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на ХЬХ Студенческой научной конференции Краковской горно-металлургической академии (Краков, Польша, 2009); Восьмой международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута-Сыктывкар-Ухта, 2010); Первом Международном научно-техническом конгрессе «Энергетика в глобальном мире» (Красноярск, 2010); Третьей Международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (Тула, 2010); Восьмой и Девятой Международной научно-технической конференции «Наука - образованию, производству, экономике» (Минск, Беларусь, 2010, 2011); Шестой Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы

6

горной промышленности, строительства и энергетики» (Тула, 2010); Шестой Международной научной конференции "Проблемы освоения георесурсов российского Дальнего Востока и стран АТР и Восьмом Международном симпозиуме "Снижение опасных геологических проявлений в АТР" (Владивосток, 2010); На Всероссийском Торфяном форуме (Тверь, 2011); На Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учёных по нескольким междисциплинарным направлениям (Новочеркасск, 2011); Международном научном симпозиуме «Неделя Горняка» (Москва, 2010,2011, 2012).

Личный вклад автора. Сформулированы задачи исследований, разработана методика исследований, созданы лабораторные стенды и проведены экспериментальные исследования: влияние конструктивных параметров активного навесного оборудования торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата на энергоемкость и скорость процесса переработки торфяного сырья; влияние режимных параметров работы оборудования на энергоемкость процесса при выполнении погрузочно-перегрузочных операций при добыче торфа.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, в том числе 5 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК Минобрнауки России.

Реализация результатов работы:

Результаты диссертации, были использованы компанией Ramtec Оу (Финляндия) при адаптации валково-дисковых рабочих органов ковшевых просеивающих дробилок для добычи торфа. Предложенные конструктивные решения позволили повысить энергоэффективность работы оборудования, за счёт снижения эффекта налипания влажного торфяного сырья на рабочий орган машины.

В рамках диссертационной работы под руководством автора выполнены научно-исследовательские работы по государственному контракту № 14.740.11.0519 от 01 октября 2010 г. «Снижение сроков восстановления промышленных запасов региональных торфяных энергоресурсов применением новых технологий добычи». При непосредственном участии автора выполнены научно-исследовательские работы: «Расширение использования торфа в малой энергетике в рамках реализации ЭС 2030, как перспективного

местного вида топлива для развития систем теплоснабжения изолированных потребителей на уровне муниципальных образований в торфообеспеченных регионах РФ» (Государственный контракт № П641 от 19 мая 2010 г.); «Технологическое обеспечение круглогодового производства качественного торфяного топлива для региональных кластеров малой энергетики» (Государственный контракт № П1017 от 27 мая 2010 г.); «Научное обеспечение использования местных торфяных топливно-энергетических ресурсов и органических отходов для производства окускованных твердых топлив» (Государственный контракт № 16.740.11.0682 от 07 июня 2011 г.).

Результаты проведенных научных исследований и опытно-конструкторских работ, включенные в образовательный процесс в Санкт-Петербургском горном университете, отмечены дипломом победителя конкурса на соискание премий Правительства Санкт-Петербурга в области научно-педагогической деятельности в 2010 году (НПР №Ю039).

Объем н структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы из 119 наименований. Общий объем содержательной части составляет 142 страницы машинописного текста, содержит 16 таблиц, 29 рисунков и 9 приложений.

Автор выражает благодарность начальнику Управления технического обеспечения научных исследований Центра Коллективного Пользования (ЦКП), к.т.н., доц. Э.А. Кремчееву за ценные консультации и помощь при проведении работы, начальнику отдела метрологии и паспортизации ЦКП, к.т.н. A.C. Фокину за метрологическое сопровождение исследований, сотрудникам Белорусского национального технического университета: к.т.н., доц. Г.В. Казаченко и Г.А. Басалаю, коллективу ЦКП и кафедры Конструирования горных машин и технологии машиностроения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации представлен анализ существующих технологий механизированной добычи торфяного сырья. Рассмотрены конструктивные особенности полевых машин и механизмов торфяного производства, предназначенных для удаления древесных включений из торфяного сырья. На основе критического анализа машин и механизмов, применяемых на операциях, связан-

8

ных с погрузкой-разгрузкой, штабелированием, сепарацией, измельчением и аэрацией торфяного сырья, сформулированы требования к универсальному погрузочно-перерабатывающему агрегату и обоснована его компоновка, позволяющая совмещать операции погрузки-разгрузки, штабелирования, сепарации, измельчения и аэрации торфяного сырья.

Вторая глава диссертации посвящена исследованию эффективности работы погрузочно-перерабатывающего агрегата. Приведен анализ рабочего цикла и производительности погрузочно-перерабатывающего агрегата. Теоретически обоснована методика расчета роторно-дисковой просеивающей ковшевой дробилки. Обоснованы технологические показатели переработки торфяного сырья и затраты энергии, необходимые для работы активного навесного оборудования агрегата.

В третьей главе представлен анализ физико-механических параметров торфяного сырья, программа и методика экспериментальных исследований. Описаны средства измерения, применяемые в экспериментах и разработанная экспериментальная установка для исследования процессов переработки торфяного сырья.

В четвертой главе приведены результаты комплекса экспериментальных полевых и лабораторных исследований по оценке погрузочной способности агрегата и энергетике процесса переработки торфяного сырья. Обоснованы рациональные режимы работы погрузочно-перерабатывающего агрегата, обеспечивающие получение требуемого качества торфяного сырья на стадии полевой переработки.

В пятой главе изложены практические рекомендации для промышленности, разработанные по результатам исследований универсального торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата.

В заключении приводятся основные выводы и практические результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

Основные результаты работы отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Энергоемкость переработки торфа ковшевой дробилкой с роторно-дисковой просеивающей поверхностью описывается степенной зависимостью от радиусов элементов роторов и

9

прямо пропорциональна углу контакта роторов с материалом, количеству дисков, силе сопротивления протаскивания торфяного сырья между поверхностями роторов с учётом ширины элементов просеивающей поверхности.

Для решения поставленных задач была разработана конструкция активного навесного оборудования (активного ковша-дробилки) для универсального торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата. Днище ковша выполнено в виде ро-торно-дисковой просеивающей поверхности, обеспечивающей в процессе погрузочных, перегрузочных операций и операций по штабелированию, сепарации, аэрации переработку торфяного сырья.

В естественном состоянии торф представляет собой органогенное полифракционное упруго-пластичное тело, состоящее из твердого вещества, воды и воздуха. Наличие в торфе крупных твердых частиц, волокон и пор препятствует его объемной усадке в процессе сушки. Такой торф в воздушно-сухом состоянии имеет небольшую плотность, низкую механическую прочность и большую водопоглотительную способность. Устранить эти отрицательные особенности торфа можно механическим диспергированием.

При механической переработке торфяного сырья производится измельчение, резание (разрывание), перетирание и формование торфа. Эти операции направлены на улучшение качества готовой продукции, как топлива, и на интенсификацию процесса сушки. Процесс переработки торфа всегда связан с увеличением условной (седиментационной) поверхности раздела частиц и суммарной энергии связей между частицами.

В связи с этим возникают задачи обеспечения рациональных значений удельной поверхности, при которых достигаются наилучшие качественные характеристики продукции.

Установлению связей между интенсивностью деформаций и удельной поверхностью торфяного сырья посвящены исследования Фомина В.К., который установил, что с повышением дисперсности торфа происходит затухание процесса переработки, а при достижении условной удельной поверхности значений порядка 840 м /кг увеличение дисперсности прекращается.

Наиболее универсальный и научно обоснованный метод оценки перерабатывающего воздействия на пластичный материал

10

предложен проф. Ф. А. Опейко. Этот метод основан на определении полной относительной деформаций. При переработке торфяного сырья в устройствах, где основным механическим воздействием является сдвиг, энергоемкость определяется связью между напряжением сдвига т, возникающим на поверхности торф - корпус перерабатывающего устройства и инвариантом тензора интенсивности деформаций торфяного сырья X.

Для активного навесного ковша-дробилки был проведен комплекс аналитических исследований, позволивший теоретически установить значения инварианта тензора интенсивности деформаций при прохождении торфяного сырья в пространстве между двумя роторами с дисками. Переработка в таком механизме происходит за счет деформаций сдвига в торфяной массе, а также за счет деформаций раздавливания при сужении в пространстве объема между двумя соседними роторами. При определении относительных деформаций материала было принято допущение, что условия неразрывности и неизменности объема соблюдаются.

Рис. 1. Расчетная схема к определению относительных деформаций торфа при прохождении через роторно-дисковую поверхность Деформации сдвига за счет разности скоростей слоев торфяной массы в плоскости, перпендикулярной осям роторов носят сложный характер вследствие несовпадения направлений движения частиц торфа, соприкасающихся с боковыми поверхностями дисков со скоростями точек этих поверхностей. Область, в которой торфяная масса подвергается переработке, рассматривалась, как состоя-

щая из нескольких частей, для которых вычислялись средние значения степени переработки: степень переработки между боковыми поверхностями двух дисков, принадлежащих соседним роторам Я, (рис. 1); деформации сдвига за счет изменения сечения потока материала, проходящего между роторами Л2, и вдоль цилиндрических

поверхностей валов, ступиц и ДИСКОВ ¿3 .

Полученные выражения для определения составляющих тензора интенсивности деформаций торфяного материала при его прохождении через перерабатывающий роторно-дисковый механизм имеют вид:

Я3 =4г-еЪ1 • л/2 • (гд + гс +гв);

О -V

при среднем значении степени переработки

а

где гд - радиус диска, м; гс - радиус ступицы, м; гв - радиус вала, м; йв -диаметр вала, м; X - инвариант тензора интенсивности деформаций; Ид- шаг установки дисков на валу, м; 5д - толщина диска, м; V - скорость материала, м/с; У1г V, - скорости торфа в местах соприкосновения его с боковыми поверхностями дисков, м/с; уск -скорость скольжения торфа относительно боковых поверхностей дисков, м/с; % - общая относительная деформация в пристенном слое; а ку - угол контакта цилиндрической поверхности соответствующего элемента с торфом, рад; а - угол контакта роторов с материалом, рад;0 - постоянная производительность, м3/ч; Ив - ширина открытого пространства между валами, м; д - толщина пристенной части потока, м.

Энергетическая составляющая процесса носит случайный характер из-за неоднородности свойств перерабатываемого материала, неравномерности загрузки ковша и размерно-массовых характеристик торфяного сырья. Анализ энергетических параметров ковша-дробилки произведен с допущением постоянства характеристик материала, полной загрузки проходного сечения днища активного ковша и угол контакта на всех поверхностях одинаков. В этом случае энергия в установившемся режиме расходуется на преодоление сил сопротивления протаскиванию торфа между поверхностями вращающихся роторов. Анализ энергоемкости проводился отдельно для плоских боковых и цилиндрических поверхностей рабочих элементов N1 и N2.

Для боковых поверхностей дисков и ступиц:

N. = 2-тх ■ • ак • со• (г/ - г/)/3, (3)

для цилиндрических поверхностей: Ы2=т2-(о-ак- [гв2{Ь -гд-8д -гд-8с)+гс2 ■ гд • 8С + ггд ■ гд ■ 5д\, (4)

где Тх - сопротивление материала при контакте с боковыми поверхностями дисков и ступиц, Н/м2; т2 - сопротивление материала, возникающее при контакте с цилиндрическими поверхностями, Н/м2; гд - количество дисков, шт.; 8С - толщина ступицы, м; со - угловая

скорость роторов, рад/с; Ъ - ширина проходного сечения, м.

Для оценки правильности сделанных выводов и полученных аналитических выражений была разработана экспериментальная установка и проведена серия экспериментов в диапазоне угловых скоростей от 18 рад/с до 30 рад/с, при заданных геометрических параметрах элементов просеивающей поверхности: гй-0,14 м; гс=0,06

м; гв =0,039 м; /гй=0,04 м; £¿=10, м; ширина ступицы 0,05 м; расстояние между осями валов 0,24 м; количество валов 3; количество дисков на валу 6. Результаты энергетического анализа и экспериментальные данные представлены на рис. 2.

Нижний предел угловой скорости в опытах принят исходя из результатов исследований, проведенных под руководством проф. Самсонова Л.Н., где было установлено, что склонность торфа к на-

липанию на ступицы и диски рабочего органа снижается, и достигает своего минимума в диапазоне угловых скоростей 16-г18 рад/с. 1000

ев й"1 ч

900 800 700 600 500 400 300

1

Ре: ультат ма тематического мод |_ Л « 28.307 елирован ия • *

*

•

э ипиричес кая завис 25.255- лмость

•

- -

15

17 19 21 23 25 27 29 Угловая скорость роторов ковшевой дробилки о), рад/с

31

33

Рис. 2. Экспериментальная и теоретическая зависимости мощности привода ковшевой дробилки от угловой скорости для установки по переработки торфа (УПТ-3/6-0,35)

В экспериментах использовался верховой торф сосново-травяного вида степенью разложения Я = 25 — 30%.

Аналитическое выражение зависимости мощности привода экспериментальной установки от угловой скорости роторов при установленных геометрических параметрах элементов просеивающей поверхности носит линейный характер Л^=28,51-<о, Вт. Аппроксимация экспериментальных данных проведена также в предположении линейной зависимости в виде N¿=25,26-со+59 с коэффициентом регрессии - 0,75.

Отличие угловых коэффициентов в полученных выражениях можно объяснить нарушением неразрывности потока торфяного сырья через просеивающую поверхность, и увеличением неравномерности заполнения пространства между элементами просеивающей поверхности при повышении угловой скорости роторов.

В исследованном диапазоне угловых скоростей роторов максимальное расхождение между теоретическими и экспериментальными данными в относительном виде не превысило 5%, что свидетельствует о возможности применения предложенных выражений в

инженерных методиках расчета торфяных ковшевых просеивающих дробилок.

2. Экспериментально установлено, что энергоёмкость процесса измельчения торфяного сырья зависит от угла наклона активной просеивающей поверхности ковшевой дробилки в противоположную сторону от направления вращения роторов, при этом рекомендуемое значение угла наклона соответствует углу внутреннего трения торфа и составляет 20", что обеспечивает переработку до значения средневзвешенного диаметра частиц 10-12 мм, снижение энергоемкости, без изменения геометрических и кинематических параметров рабочего органа, на 34% и отсутствие потерь торфяного сырья.

Ковшевая просеивающая дробилка в составе погрузочно-перерабатывающего агрегата рассматривается как сменное рабочее оборудование, расширяющее возможности применения погрузочных горных машин при добыче и полевой переработке торфяного сырья.

Анализ нормативных требований к торфяному сырью и экспериментальные работы, проведенные автором на торфяных месторождениях Ленинградской области и республики Беларусь позволили установить размерно-массовые характеристики торфяного сырья для переработки в ковшевой дробилке.

Ковшевая дробилка в составе агрегата, в зависимости от метеорологических условий, может использоваться как при добыче торфяного сырья, так и на участке сепарации торфяного сырья (рис. 3).

Экскавация торфяного сырья происходит при эксплуатационной влажности торфяной залежи 86 н- 89 %, затем, после распределения на поле и предварительного обезвоживания, влажность торфяного сырья снижается до 70 -т-75 %.

Для оценки энергетики процесса переработки торфа в ковшевой дробилке и определения рациональных параметров ее работы создан опытно-промышленный образец сепарирующе-перерабатывающего устройства с роторно-дисковой просеивающей поверхностью УПТ-3/6-0,35 (рис.4), в котором все элементы просеивающей поверхности выполнены в натуральную величину (масштабе 1:1). На его базе разработан экспериментальный стенд, дополни-

тельно включающий устройство регулирования частоты вращения приводного двигателя, комплект регистрирующего оборудования, блок обработки информации и программные средства визуализации полученных данных.

В связи со значительной производительностью стенда по продукту, достигающей 10 т/ч, масса образцов торфяного сырья составляла 4000 кг.

В качестве критериев для оценки эффективности работы оборудования были приняты: гранулометрический состав продукта, средневзвешенный диаметр частиц и удельные затраты энергии на переработку сырья.

Перед переработкой торфяного сырья производилось измерение его влажности и размерно-массовых характеристик. В процессе экспериментов фиксировались электромеханические параметры установки, по которым вычислялись энергетические параметры процесса.

На основании данных, отражающих энергетические затраты на переработку торфяного сырья в экспериментальной установке (рис. 5 и 6) получена эмпирическая кривая для оценки удельных энергозатрат при переработке образцов экскавированного торфяного сырья в виде IV^ =14,926а> + 251,870 при достоверности аппроксимации 0,94.

В результате анализа экспериментальных данных были получены кривые распределения крупности частиц и суммарные характеристики по плюсу при различной кратности пропускания сырья через механизм. Следует отметить, что вне зависимости от угловой скорости роторов, в диапазоне угловых скоростей от 18 до 30 рад/с, при многократном пропускании сырья через просеивающую поверхность происходила стабилизации гранулометрического состава продукта переработки (рис. 7, рис. 10).

По полученным экспериментальным данным оценивался средневзвешенный диаметр частиц торфа после переработки

Лса — с11 Р1 /У^ Р1 в зависимости от частоты вращения роторов (рис. 8) Отмеченная ранее стабилизация гранулометрического состава наблюдалась при достижении значения с!СЙ =10,5±0,5 мм. Эм-

и

Производственный модуль

Рис.3 Блок-схема полевой добычи торфяного сырья

л

а &

о

о и

о. и X

<т>

<Ц

я

-О

£

700

600

500

400

•

^ = 14,926 ¿23 + 251,370

Рис.4.Схема экспериментальной установки 1- рабочий орган; 2 - цепная передача; 3 - защитный кожух; 4 - корпус; 5 - рукоять для переноски корпуса в сборе; 6 - бункер накопитель (У=0,83 м3); 7 - блок привода; 8 - рама; 9 - электродвигатель.

15 20 25 30 35

Угловая скорость роторов ковшевой дробилки О), рад/с Рис.5 Удельные энергозатраты на переработку торфяного сырья в зависимости от угловой скорости роторов дробилки

12

<1

Время, с

Рис.6 Затраты энергии на переработку торфяного сырья в экспериментальной установке (при угловой скорости роторов 18,4 рад/с) 10~3

- - _ 1

М \\ \\ 1\ / 2 \ ' — — -

\\ \\ Г \\ ^ -

---А- -А

100

75

50 £

25

0 2 4 6 8 10 12 14 ■ ' 16 '

Диаметр частиц мм

Рис.7 Кривые распределения крупности частиц - А и суммарные характеристики по плюсу- •: 1 - со=_18,4 рад/с (первая переработка); 2 - <»=18,4 рад/с (третья переработка)

16

§ 12

10

17

• • \ '] = 0 л ср.язв и ,0002« 4 -0,0076

21

23

25

27

29

31

33

Угловая скорость роторов просеивающей поверхности со, рад/с

и л о.

2 о я в; ■в" о, о н о о. о с

X X

а >>

е*

го О а

5 и

«о

Ю

О

0,0016 0,0014 ■ 0,0012 0,001 ■ 0,0008 0,0006 ■ 0,0004 ■ 0,0002 0

0 12 3 4

Переработка торфяного сырья (верховой торф сосново-травяного вида степенью

разложения 25%, средняя влажность торфяного сырья 87,6%)

Рис.8 Изменение средневзвешенного диаметра частиц торфяного сырья при Рис. 10 Изменение пористости торфяного сырья от кратности дроблении с различной угловой скоростью роторов переработки

лирическая зависимость, характеризующая изменение dce от угловой скорости роторов для исследуемой просеивающей поверхности представлена в виде линейной функции dcg = 0,0002су + 0,0076 с коэффициентом регрессии не превышающим 0,85.

Однонаправленное вращение роторов дробилки, с одной стороны создает максимальный эффект перетирания торфа в зазоре между дисками, с другой стороны, происходит смещение перерабатываемого материала к передней поверхности ковша, что снижает производительность машины.

С целью снижения неравномерности загрузки роторов дробилки, были проведены экспериментальные исследования с изменением угла наклона просеивающей поверхности ан с 0 до значения, при котором указанная неравномерность будет нивелирована. Увеличение угла наклона просеивающей поверхности снижает усилие прижатия торфа, находящегося в ковше, к периферии дисков роторов дробилки в соотношении F • cos ан. Проведенные экспериментальные исследования показали, что при значениях угла наклона ССН, превышающих угол внутреннего трения торфа, наблюдается

просыпь непереработанного материала, находящегося выше разделительной плоскости в направлении наклона ковша.

700 ■

"Й

п

£

600 500 400 300 200 100 0

N- неперера! ютанное то рфяное сыр ■е

-4.-13,7 ±0,5 мм -1— 1

■ = 12,б±0, ___ 1

' 7> -. / "" »- . ___ - ' - — _ 1 . ^ 1

а " — - ч 1

• • 1 1

-—— угол внутреннего трения (р- -1-i- —1

21

0 3 6 9 12 15 15

Угол наклона просеивающей поверхности а», град.

Рис.9 Изменение удельных энергозатрат на переработку торфяного сырья от угла ан при угловой скорости роторов а> = 24,8рад / с

Результаты экспериментальных исследований позволили установить рациональный угол наклона ковшевой дробилки 20° без изменения геометрических и кинематических параметров рабочего органа, что обеспечивает отсутствие потерь экскавированного торфяного сырья и снижение энергозатрат на его переработку на 34%. В то же время, экспериментально установлено, что в зависимости от исходной крупности предварительно переработанного торфяного сырья, поступающего в ковшевую просеивающую дробилку при выполнении операций полевого приготовления торфогрунтов, увеличение угла наклона просеивающей поверхности до указанного значения в 20°, позволяет добиться снижения энергозатрат от 1,5 до 3 раз относительно работы машины при угле в 0°.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи по обоснованию рациональных параметров работы ковшевой дробилки в составе универсального торфяного погрузоч-но-просеивающего агрегата.

Основные научные н практические выводы и рекомендации:

1. Разработана математическая модель, позволяющая на основе геометрических параметров просеивающей поверхности ковшевой дробилки, оценить степень переработки торфяного сырья при прохождении через механизм.

2. Разработан алгоритм оценки мощности привода ковшевой просеивающей дробилки торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата.

3. Экспериментально установлено, что установка дробилки под углом равным углу внутреннего трения торфяного сырья позволяет снизить удельные энергозатраты на его переработку до 34%.

4. Обоснована возможность создания универсального средства механизации торфяного производства, обеспечивающего технологический процесс добычи торфяного сырья на операциях погрузки, дробления и сепарации. При работе ковшевой дробилки «трудные» частицы (древесные включения, крупные минеральные включения), средний диаметр которых от 0,9 до 1,0 размера задающего проходного отверстия, остаются внутри ковша и при его опрокидывании высыпаются в отвал.

5. Применение ковшевой дробилки в составе погрузочно-перерабатывающего агрегата обеспечивает переработку торфяного сырья до значения средневзвешенного диаметра частиц 10-12 мм.

6. В результате проведенных научных исследований разработана конструкция и создан опытно промышленный образец установки по переработке торфяного сырья УПТ-3/6-0,35 с просеивающей поверхностью идентичной просеивающей поверхности торфяного погрузочно-сепарирующего агрегата.

7. Результаты проведенных научных исследований и опытно-конструкторских работ включены в образовательный процесс в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» при подготовке бакалавров и магистров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» по профилю подготовки «Технологические машины и комплексы для разработки торфяных месторождений».

8. Результаты диссертации, были использованы компанией ООО «КБ Прок» при производстве опытного образца установки УПТ-3/6-0,35 и ООО «Карьер А-Тех» официального дистрибьютора компании Ramtec Oy (Финляндия) при адаптации валково-дисковых рабочих органов ковшевых просеивающих дробилок для добычи торфа.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих наиболее значимых печатных работах:

1. Нагорнов Д.О. Конструктивные особенности сменного рабочего оборудования торфяной выемочно-погрузочной машины / Э.А. Кремчеев, Д.О. Нагорнов // Записки Горного института. РИЦ СПГГУ. СПб, 2012. Том 195. - С. 271-275.

2. Нагорнов Д.О. Перспективы развития новых технологий добычи торфа / A.B. Михайлов, Э.А. Кремчеев, A.B. Большунов, Д.О. Нагорнов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). М,«Горнаякнига»2010,№9. -С. 189-194.

3. Нагорнов Д.О. Технологические аспекты обеспечения круглогодовой полевой сушки торфа для нужд малой энергетики / Э.А. Кремчеев, Д.О. Нагорнов // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). М., «Горная книга» 2010. № 12. - С. 260-265.

4. Нагорнов Д.О. Принцип построения транспортного модуля торфяного предприятия с карьерной технологией добычи торфа / Э.А. Кремчеев, A.B. Михайлов, Д.О. Нагорнов// Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). М., «Горная книга» 2011, № 7. - С.75-81.

5. Нагорнов Д.О. Сравнение модульных механизированных комплексов для добычи и первичной переработки торфа / Д.О. Нагорнов, Э.А. Кремчеев, A.B. Михайлов, A.B. Большунов // «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» - 6-я Международная Конференция по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики. Материалы конференции: ТулГУ. Тула, 2010,Т1. -С. 131138.

6. Нагорнов Д.О. Модульный механизированный комплекс для добычи и первичной переработки торфа/ Д.О. Нагорнов, Э.А. Кремчеев, A.B. Михайлов, A.B. Большунов // Материалы б Международной научной конференции "Проблемы освоения георесурсов российского Дальнего Востока и стран АТР", Владивосток, 21-25 сент., 2010. Владивосток: ДВГТУ. 2010. - С. 118-123.

7. Нагорнов Д.О. Развитие технологии добычи топливного торфа / Э.А. Кремчеев, Д.О. Нагорнов // «Наука - образованию, производству, экономике» Материалы девятой международной научно-технической конференции в 4 томах, Т. 1, Минск, 2011. - С. 366.

8. Нагорнов Д.О. Обоснование концепции модульного торфяного предприятия полного цикла в структуре малого энергетического кластера / Д.О. Нагорнов, Э.А. Кремчеев // Сборник работ победителей отборочного тура всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учёных по нескольким междисциплинарным направлениям. Новочеркасск, «Лик», 2011, С 275-276.

9. Нагорнов Д.О. Степень переработки торфа между дисками валково-дискового перетирателя / Д.О. Нагорнов, Г.В. Казаченко // Процессы и средства добычи и переработки полезных ископаемых, сборник трудов Международной научно-технической конференции, посвященной 80-летию со дня рождения заслуженного работника высшей школы Беларуси, доктора технических наук, профессора Кислова Н.В. 17-20 апреля 2012, Минск, 2012. - С. 266-271.

20

РИЦ Горного университета. 23.05.2012. 3.380 Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

ВВЕДЕНИЕ

1 .ОЦЕНКА СОВРЕМЕННОГО ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ АСПЕКТОВ В ОБЕСПЕЧЕНИИ ДОБЫЧИ ТОРФА НА ТОПЛИВО

1.1. Аналитический обзор существующих технологий механизированной добычи торфяного сырья для производства торфяного топлива

1.1.1.Технологические подходы и средства механизации гидравлического способа добычи торфа

1.1.2. Технологические одходы и средства механизации фрезерного способа добычи торфа

1.1.3 Технологические подходы и средства механизации фрезформовочного способа добычи торфа

1.1.4 Технологические подходы и средства механизации экскаваторного способа добычи торфа

1.1.5 Технологические подходы и средства механизации круглогодовой модульной технологии добычи торфа 19 Выводы к разделу 1.

1.2. Анализ парка машин и механизмов осуществляющих операции погрузки и сепарации торфяного сырья

1.2.1 Обзор конструкций погрузочно-разгрузочных машин (ПРМ)

1.2.2 Обзор машин и механизмов применяемых для сепарации и удаления древесных и иных включений из торфяного сырья на стадиях добычи и первичной переработки

1.2.3 Сменное рабочее оборудование ПРМ

1.2.4 Синтез агрегата для полевого обогащения торфяного сырья при добыче торфа 51 Выводы к разделу 1.2 58 1.3 Выводы, Цели и задачи исследования

1.4 Методы исследования

2.АНАЛИЗ РАБОТЫ ПОГРУЗОЧНО-ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕГО АГРЕГАТА

2.1. Свойства торфяного сырья

2.2. Оценка эффективности работы погрузочно-перерабатывающего агрегата

2.3 Анализ рабочего цикла и производительности погрузочно-перерабатывающего агрегата

2.4 Обоснование методики расчета перерабатывающего устройства

2.5 Степень переработки торфяного сырья при работе валково-дискового перерабатывающего устройства

2.6 Мощность, затрачиваемая на переработку торфа в валково-дисковом перерабатывающем устройстве

2.7 Выводы к главе

3. ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Методы и оборудование для проведения полевого этапа исследований

3.2 Методы и оборудования для проведения исследований торфяного сырья в лабораторных условиях

3.3 Экспериментальная установка для исследования процессов переработки торфяного сырья

3.4 Оценка начальных условий для проведения экспериментальных исследований

3.5 Методика проведения экспериментальных исследований

3.6 Обработка экспериментальных данных 125 4.0ЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОВЕДЁННЫХ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1 Проверка теоретической зависимости для расчета мощности привода ковшевой дробилки, затрачиваемой на переработку торфяного сырья

4.2 Энергоёмкость процесса переработки торфяного сырья

Концепция развития использования местных видов топлива является одним из средств реализации государственной энергетической политики в области обеспечении потребности субъектов РФ в топливно-энергетических ресурсах, поддержания цен на приемлемых уровне, в соблюдении баланса интересов между производителями и потребителями энергии [49].

В настоящее время многие торфообеспеченные регионы России используют для обеспечения функционирования энергетического сектора традиционные привозные топлива (мазут, уголь, газ). Известно, что энергетическая составляющая занимает до трети всего объема российских грузовых перевозок. Снижение этой доли может быть достигнуто путем освоения и использования местных источников энергии и в частности топлива на основе торфа. В пользу увеличения доли торфа в топливно-энергетическом комплексе свидетельствует и наличие на территории нашей страны огромного количества малых населенных пунктов, котельные которых в подавляющем большинстве работают на привозном угле и мазуте, что приводит к удорожанию тепловой энергии.

Энергетическая стратегия России на период до 2030 года предполагает поэтапное внедрение современных технологий добычи топливного торфа и оснащение предприятий отрасли современной высокопроизводительной техникой, отвечающей мировым экологическим нормам с целью повышения эффективности функционирования торфяной промышленности [53,96,113].

Топливный торф является общераспространенным полезным ископаемым, из которого можно получать как традиционные (местное топливо, удобрения, тепло- и звукоизолирующие материалы), так и новые виды продукции (металлургическое топливо, активные угли, сорбенты, строительные материалы, стабилизаторы и разжижители природных материалов, лекарственные средства и др.). Это обстоятельство делает российские запасы торфа стратегическими для будущих поколений [68].

Отличительной особенностью торфяной отрасли горнодобывающего комплекса, является высокая степень зависимости производства от метеоусловий региона добычи, и, учитывая, прекращение серийного производства специализированных торфяных машин, стало экономически неэффективным восстановление крупномасштабных торфяных производств на известной технической и технологической базе.

Задачи, стоящие перед торфяной отраслью на современном этапе, требуют создания новых высокоэффективных и универсальных машин, обеспечивающих качественное и производительное выполнение технологических процессов добычи и переработки торфяного сырья.

Большой вклад в исследование и создание средств механизации торфяного производства внесли такие ученые, как Гревцев Н.В., Журавлев A.B., Зюзин Б.Ф., Кислов Н.В., Кондратьев A.B., Лукьянчиков А.Н., Михайлов A.B., Мурашов М.В., Опейко Ф.А., Самсонов JI.H., Синицын В.Ф., Солопов С.Г., Фомин В.К., Фомин К.В и другие.

Разработка и внедрение универсальных средств механизации, обеспечивающих в технологическом процессе добычи торфяного сырья погрузку, сепарацию и дробление, позволит обеспечить малые торфодобывающие компании высокоэффективной техникой при снижении себестоимости добычи торфа и производства торфяной продукции с гарантированными качественными характеристиками.

Поэтому целью диссертационной работы является установление закономерностей процесса дробления, сепарации и аэрации торфяного сырья на заключительных операциях добычи и полевом обогащении для обоснования рациональных параметров ковшевой дробилки торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата, что способствует сокращению парка машин и механизмов и ведёт к концентрации производства при экскаваторном способе добычи.

Идея работы заключалась в использование ковша с активным днищем, в виде ковшевой дробилки, агрегатираванной с фронтальным погрузчиком для сокращения количества технологического оборудования на участке добычи и полевой переработки торфяного сырья, увеличению коэффициента использования, повышению эксплуатационной производительности оборудования.

В результате выполнения проведённых аналитических исследований обоснован состав торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата на основе технических характеристик агрегатируемости фронтального погрузчика и ковшевой дробилки.

Разработана экспериментальная установка для исследования процесса переработки торфяного сырья, добытого экскаваторным способом, с целью оценки производительности и эффективности процесса полевой переработки.

Проведён комплекс лабораторных и полевых исследований, по определению рациональных режимов работы и энергоёмкости процесса переработки торфяного сырья в ковшевой дробилке торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата.

Определена производительность ковшевой дробилки, как активного навесного оборудования торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата, при выполнении совмещенных операций по переработке и погрузке торфяного сырья.

Защищаемые научные положения:

1. Энергоемкость переработки торфа ковшевой дробилкой с роторно-дисковой просеивающей поверхностью описывается степенной зависимостью от радиусов элементов роторов и прямо пропорциональна углу контакта роторов с материалом, количеству дисков, силе сопротивления протаскивания торфяного сырья между поверхностями роторов с учётом ширины элементов просеивающей поверхности.

2. Экспериментально установлено, что энергоёмкость процесса измельчения торфяного сырья зависит от угла наклона активной просеивающей поверхности ковшевой дробилки в противоположную сторону от направления вращения роторов, при этом рекомендуемое значение угла наклона соответствует углу внутреннего трения торфа и составляет 20°, что обеспечивает переработку до значения средневзвешенного диаметра частиц 10-12 мм, снижение энергоемкости, без изменения геометрических и кинематических параметров рабочего органа, на 34% и отсутствие потерь торфяного сырья.

При решении поставленных задач использован комплексный метод исследований на основе анализа механико-технологической системы «торфяное сырье-рабочий орган машины», математического моделирования и экспериментальных исследований, проведённых в полевых и лабораторных условиях. Основные теоретические результаты получены с использованием подходов, базирующихся на методах расчета деталей машин, теории механизмов и машин, теории упругости, трибологии и триботехники Полученные в работе экспериментальные данные обрабатывались методами математической статистики в соответствии с ГОСТ 8.207-76.

Научная новизна данной работы заключается:

- в установлении степенной зависимость между удельными энергозатратами на переработку торфяного сырья и радиусами элементов роторов, углом контакта роторов с материалом, количеством дисков, силой сопротивления протаскивания торфяного сырья между поверхностями роторов с учётом ширины элементов просеивающей поверхности;

- в установлении влияния угла наклона активной просеивающей поверхности дробилки (в противоположную сторону от направления вращения роторов, образующих эту поверхность), на энергоёмкость процесса измельчения торфяного сырья;

- в определении рационального угла наклона просеивающей поверхности ковшевой дробилки при работе в составе торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата, обеспечивающий увеличение производительности агрегата на 34%.

Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается: корректным обобщением передового производственного опыта и анализом предыдущих результатов научных исследований; использованием аттестованных методик при проведении лабораторных исследований, достаточным объемом экспериментальных данных и использованием современных математических методов их обработки с удовлетворительной сходимостью результатов (расхождение не превышает 5% при доверительной вероятности 0,95).

Основные результаты работы докладывались на XLX Студенческой научной конференции Краковской горно-металлургической академии (Краков, Польша, 2009); Восьмой международной научно-практической конференции «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (Воркута-Сыктывкар-Ухта, 2010); Первом Международном научно-техническом конгрессе «Энергетика в глобальном мире» (Красноярск, 2010); Третьей Международной конференции по проблемам рационального природопользования «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (Тула, 2010); Восьмой и Девятой Международной научно-технической конференции «Наука - образованию, производству, экономике» (Минск, Беларусь, 2010, 2011); Шестой Международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (Тула, 2010); Шестой Международной научной конференции "Проблемы освоения георесурсов российского Дальнего Востока и стран АТР и Восьмом Международном симпозиуме "Снижение опасных геологических проявлений в АТР" (Владивосток, 2010); На Всероссийском Торфяном форуме (Тверь, 2011); На Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учёных по нескольким междисциплинарным направлениям (Новочеркасск, 2011) Международном научном симпозиуме «Неделя Горняка» (Москва, 2010, 2011,2012).

Результаты диссертации, были использованы компанией Нагггёес Оу (Финляндия) при адаптации валково-дисковых рабочих органов ковшевых просеивающих дробилок для добычи торфа. Предложенные конструктивные решения позволили повысить энергоэффективность работы оборудования, за счёт снижения эффекта налипания влажного торфяного сырья на рабочий орган машины (Приложение 1).

В рамках диссертационной работы под руководством автора выполнены научно-исследовательские работы по государственному контракту № 14.740.11.0519 от 01 октября 2010 г. «Снижение сроков восстановления промышленных запасов региональных торфяных энергоресурсов применением новых технологий добычи». При непосредственном участии автора выполнены научно-исследовательские работы: «Расширение использования торфа в малой энергетике в рамках реализации ЭС 2030, как перспективного местного вида топлива для развития систем теплоснабжения изолированных потребителей на уровне муниципальных образований в торфообеспеченных регионах РФ» (Государственный контракт № П641 от 19 мая 2010 г.); «Технологическое обеспечение круглогодового производства качественного торфяного топлива для региональных кластеров малой энергетики» (Государственный контракт № П1017 от 27 мая 2010 г.); «Научное обеспечение использования местных торфяных топливно-энергетических ресурсов и органических отходов для производства окускованных твердых топлив» (Государственный контракт № 16.740.11.0682 от 07 июня 2011 г.).

Результаты проведенных научных исследований и опытно-конструкторских работ, включенные в образовательный процесс в Санкт-Петербургском горном университете, отмечены дипломом победителя конкурса на соискание премий Правительства Санкт-Петербурга в области научно-педагогической деятельности в 2010 году (НПР №10039) (Приложение 2).

2.7 Выводы к главе 2

Энергетическая составляющая процесса переработки носит случайный характер из-за неоднородности свойств перерабатываемого материала, неравномерности загрузки ковша и размерно-массовых характеристик исходного торфяного сырья. Выполненный теоретический анализ энергетических параметров ковшевой дробилки произведен с допущением постоянства характеристик перерабатываемого торфяного сырья, неразрывности потока материала через перерабатывающую поверхность активного ковша и равенства угла контакта на всех поверхностях. В этом случае теоретические выражения получены для расчета энергии, расходуемой на преодоление сил сопротивления протаскиванию торфа между поверхностями вращающихся роторов в установившемся режиме.

Энергоемкость процесса переработки торфа ковшевой дробилкой с роторно-дисковой просеивающей поверхностью описывается степенной зависимостью от радиусов элементов роторов и прямо пропорциональна углу контакта роторов с материалом, количеству дисков, силе сопротивления протаскивания торфяного сырья между поверхностями роторов с учётом ширины элементов просеивающей поверхности.

3. ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Методы и оборудование для проведения полевого этапа исследований

Первый этап экспериментальных исследований и натурных наблюдений был проведён на полях торфяных месторождений Приозерского района ленинградской области: «Исо-Сур-Суо» и «Саккала».

Спутниковый снимок торфяного месторождения «Исо-Сур-Суо» Приозерского района Ленинградской области представлен на рисунке 3.1.1 (дата съемки 19.05.2010). Прием данных осуществлялся на космическую станцию приема и обработки данных ДЗЗ, расположенную в Горном университете.

Данные по ранее выпущенному проекту на разработку указанного месторождения. Год выпуска 1963. Площадь участка, га брутто 229. Способ осушения: открытая сеть самотеком выше отметки подпора от трубы-переезда под автодорогой Санкт-Петербург-Приозерск, ниже этой отметки -механическим водопонижением насосной станцией. Водоприемник - ручей без названия, впадающий в озеро Отрадное. Тип торфа - низинный, переходный, верховой торф, подстилаемый суглинками, супесями, песками.

Тип водного питания - атмосферные осадки, поверхностные воды внешнего водосбора. Данные строительства: строительная организация-«Приозерская ПМК-5»

Рисунок 3.1.1 Торфяные месторождения Приозерского района: «Исо-Сур-Суо» слева,

Саккала» справа.

Спутниковый снимок торфяного месторождение «Саккала» Приозерского района Ленинградской области (дата съемки 01.06.2010) представлен на рисунке 3.1.1. Прием данных осуществлялся на космическую станцию приема и обработки данных ДЗЗ, расположенную в Горном университете.

Данные по ранее выпущенному проекту на разработку месторождения. Год выпуска 1966. Площадь участка, га брутто 904. Способ осушения: открытая сеть самотеком выше отметки подпора. Водоприемник - ручей без названия, впадающий в озеро Суходольское. Тип торфа - низинный, переходный, верховой торф, подстилаемый суглинками, супесями, песками.

Тип водного питания - атмосферные осадки, поверхностные воды внешнего водосбора.

Полевые экспериментальные исследования проводились в мае-июне 2011 года с целью определения физических характеристик торфяной залежи и торфяного сырья, требуемых для оценки проходимости 111 1А и перерабатывающей способности его рабочего органа.

На картах производились измерения влажности, плотности и сопротивления сдвигу с целью оценки несущей способности залежи и ее физико-механических характеристик для работы погрузочноперерабатывающего агрегата. Схема измерения представлена на рисунке 3.1.2.

123456789 10 11

Рисунок 3.1.2 Схема измерения при проведении полевых испытаний: (1-11) - точки проведения испытаний. При проведении полевых экспериментальных исследований задействовались следующие измерительные приборы и оборудование рисунок 3.1.3): измеритель влажности BWK LANZE; пенетрометр

Eijkelkamp Р 1.50; зондовый сдвигомер-крыльчатка СК-8.

Рисунок 3. 1.3 Комплект полевого исследовательского оборудования

Порядок действий при измерении влажности залежи

Измеритель влажности BWK LANZE позволяет экспресс методом оценить влажность торфяной залежи на глубинах от 50 до 800 мм. Фотография процесса полевых исследований в реальных условиях месторождения представлена на рисунке 3.1.4

При измерении влажности первоначально производят калибровку прибора. Прибор измерительным наконечников опускается в воду картового канала, нажимается кнопка «TEST» и с помощью калибровочного потенциометра устанавливается показание по шкале 100%. После этой операции положение калибровочного потенциометра фиксируется стопорным винтом и прибор считается откалиброванным.

Рисунок 3.1.4 Измерение влажности торфяной залежи на месторождении Саккала

Измерения производят следующим образом. Измерительный наконечник внедряется в исследуемый грунт на необходимую глубину (при проведении исследований на торфяном месторождении Саккала наконечник внедрялся на глубину 100 мм). После внедрения нажимают кнопку «TEST» и считываю показания по шкале прибора. Данные измерений заносят в таблицу с указанием места и времени измерения.

Порядок действий при измерении удельного сопротивления грунта при статическом зондировании

Пенетрометр Еуке1кашр Р 1.50 позволяет оценить сопротивляемость грунта проникновению. В набор входят измерительные наконечники (конусы) с различной площадью поверхности основания конуса 1 см2, 2 см2, см , 3 1/3 см , 5 см , 10 см , 20 см . В соответствии с [29] измерения следует производить наконечником диаметром 35,7 мм, т.е. наконечником с площадью основания конуса 10 см .

Измерения производят следующим образом [29]. Пенетрометр в собранном виде (измерительный манометр в сборе со штангой и измерительным конусом) устанавливают на поверхность залежи. Измерительный наконечник равномерно вдавливается в грунт. Красная стрелка на шкале манометра указывает максимальное давление, соответствующее максимальному сопротивлению грунта внедрению в него наконечника. Черная стрелка указывает текущее значение сопротивления внедрению (рисунок 3.1.5)

Рисунок 3.1.5 Измерение удельного сопротивления грунта при статическом зондировании

Измерение на торфяной залежи рекомендуется производить до глубины 400 мм, поскольку при дальнейшем внедрении (на полную мощность торфяной залежи) изменение сопротивляемости внедрению незначительно ввиду значительной обводненности подстилающих слоев.

Результаты измерений сводят в таблицу с указанием места и времени измерения.

Порядок действий при определении сопротивления сдвигу слабых грунтов с помощью сдвигомера-крыльчатки

Зондовый сдвигомер-крыльчатка СК-8, относится к числу полевых портативных приборов и предназначен для измерения сопротивления сдвигу слабых и неплотных грунтов естественной структуры. При отсутствии бытового давления или внешней нагрузки измеряемая величина представляет собой значение суммарного сцепления (структурная и коллоидная), а при их наличии — суммарное значение сопротивления сдвигу с учетом сцепления и угла внутреннего трения. Внешний вид и конструктивная схема прибора представлены на рисунке 3.1.6.

Рисунок 3.1.6 Внешний вид и конструктивная схема сдвигомера-крыльчатки СК-8: 1-четырехлопастная крыльчатка; 2- устройство для учета трения штанг о грунт; 3,6- штанги; 5- измерительная головка с рукояткой; 11- упор; 10- упругая пластина; 13- индикатор

102 часового типа; 7- стопорный винт. При повторном повороте крыльчатки, после первичного среза, определяется значение сопротивления грунта сдвигу нарушенной структуры.

Конструкция прибора позволяет также использовать его в качестве устройства для определения характера распределения неоднородностей и механических включений в зондируемых основаниях. Измеряемые при сдвиге величины являются лучшими показателями оценки категории основания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится решение актуальной задачи по обоснованию рациональных параметров работы ковшевой дробилки в составе универсального торфяного погрузочно-просеивающего агрегата.

Основные научные и практические выводы:

1. Разработана математическая модель, позволяющая на основе геометрических параметров просеивающей поверхности ковшевой дробилки, оценить степень переработки торфяного сырья при прохождении через механизм.

2. Разработан алгоритм оценки мощности привода ковшевой просеивающей дробилки торфяного погрузочно-перерабатывающего агрегата.

3. Экспериментально установлено, что установка дробилки под углом равным углу внутреннего трения торфяного сырья позволяет снизить удельные энергозатраты на его переработку до 34%.

4. Обоснована возможность создания универсального средства механизации торфяного производства, обеспечивающего технологический процесс добычи торфяного сырья на операциях погрузки, дробления и сепарации. При работе ковшевой дробилки «трудные» частицы (древесные включения, крупные минеральные включения), средний диаметр которых от 0,9 до 1,0 размера задающего проходного отверстия, остаются внутри ковша и при его опрокидывании высыпаются в отвал.

5. Применение ковшевой дробилки в составе погрузочно-перерабатывающего агрегата обеспечивает переработку торфяного сырья до значения средневзвешенного диаметра частиц 10-12 мм.

6. В результате проведенных научных исследований разработана конструкция и создан опытно промышленный образец установки по переработке торфяного сырья УПТ-3/6-0,35 с просеивающей поверхностью идентичной просеивающей поверхности торфяного погрузочно-сепарирующего агрегата.

7. Результаты проведенных научных исследований и опытно-конструкторских работ включены в образовательный процесс в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» при подготовке бакалавров и магистров по направлению 150400 «Технологические машины и оборудование» по профилю подготовки «Технологические машины и комплексы для разработки торфяных месторождений».

8. Результаты диссертации, были использованы компанией ООО «КБ Прок» при производстве опытного образца установки УПТ-3/6-0,35 и ООО «Карьер А-Тех» официального дистрибьютора компании КагЩес Оу (Финляндия) при адаптации валково-дисковых рабочих органов ковшевых просеивающих дробилок для добычи торфа [Приложение 3].

144

1. Абрамов C.B., Алексеенко В.Г. К вопросу о повышении эффективности использования фронтальных погрузчиков / Машины и процессы в строительстве: Сб. науч. тр. №2. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2000. - С.39 - 44.

2. Абрамов C.B., Мещеряков В.И. Фронтальные погрузчики: Учебное пособие. Омск: СибАДИ, 1997. - 156 с.

3. Агиенко Д.М. Исследование динамики рабочего процесса фронтального погрузчика: Дис. канд. техн. наук Омск, СибАДИ, 1976.- 167 с.

4. Антонов В.Я., Копенкин В.Д. Технология и комплексная механизация торфяного производства. М. Недра, 1972. С.312.

5. Антонов В.Я., Копенкин В.Д.Технология и комплексная механизация торфяного производства.// Учеб. пособие для вузов, изд. 2, М. Недра, 1983, с.12-35

6. Антонов В.Я., Малков Л.М., Гамаюнов Н.И. Технология полевой сушки торфа.// М.: Недра, 1981, 239 с.

7. Антонов В.Я., Чураев Н.В., Мальчина С.М. Сушка торфяных кирпичей в наращиваемых фигурах при поверхностно-послойном способе добычи кускового торфа.// Труды МТИ, вып. 4, М., 1957, с.34-41.

8. Афанасьев А.Е., Малков Л.М., Смирнов В.И. Технология и комплексная механизация разработки торфяных месторождений.// М.: Недра, 1987,311 с.

9. Афанасьев А.Е., Чураев Н.В. Оптимизация процессов сушки и структурообразования в технологии торфяного производства.// М.: Недра, 1992, 288 с.

10. Базанов А.Ф. Самоходные погрузчики. М.: Машгиз, 1955. - 424 с.

11. Базанов А.Ф., Забегалов Г. В. Самоходные погрузчики. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1979. - 422 с.

12. Баловнев В.И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-строительных машин: Учеб. пособие для студентов высш. учеб. заведений. 2-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1994. - 432 с.

13. Баловнев В.И. Теория подобия и моделирования при резании грунтов и определение основных параметров землеройно-транспортных машин. / Баловнев В.И., Кравцов Э.А. // Известия Вузов. М: Машиностроение, 1986,№8-с. 74.79.

14. Баловнев В.И., Ермилов А.Б. Оценка технико-экономической эффективности дорожно-строительных машин на этапе проектирования: Учебное пособие / МАДИ.-М., 1984.- 102 с.

15. Баловнев В.И., Завадский Ю. В., Мануйлов В.Ю. Обработка и планирование эксперимента при исследовании дорожных машин: Учебное пособие / МАДИ. М, 1984. - 59 с.

16. Богатов Б.А., Никифоров В.А. Технология и комплексная механизация торфяного производства. -М.: изд-во «Университетское», 1988. 463 с.

17. Большаков A.A. Оптимальная энергонасыщенность одноковшовых фронтальных погрузчиков, (диссертация на соискание ученой степени к.т.н.). М, 1999,230 с.

18. Большаков В.Д. Теория ошибок наблюдений: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп., М., Недра, 1983,223с.

19. Браун Э.Д., Евдокимов Ю.А., Чичинадзе A.B. Моделирование трения и изнашивания в машинах. М., 1982, 191 с.

20. Васильев A.A., Войнич Л.К., Лапин Б .Я. Основные направления развития фронтальных погрузчиков // Строительные и дорожные машины, 1983, № 5. С.9- 11.

21. Гоберман В.Л. Повышение производительности погрузочно-разгрузочной техники. / Гоберман В.Л. // Механизация и электрификация сельского хозяйства. М.: Колос, 1986, №7 - с. 49-51.

22. Гоберман Л.А. Теория, конструкция и расчет строительных и дорожных машин / Л.А. Гоберман, К.В. Степанян, A.A. Яркин, B.C. Заленский; Под ред. Л.А. Гобермана. М.: Машиностроение, 1979.-407с.

23. Горфин О.С, Зайцев B.C. Технология переработки торфа: Учеб. пособие для вузов. М.: Недра, 1986. - 248 с.

24. Горфин О.С. Машины и оборудование по переработке торфа: Учеб. пособие для вузов. М.: Недра, 1990. - 318 с.

25. ГОСТ 19912-2001. Грунты. Методы полевых испытаний статическим и динамическим зондированием30.31,32,33,34,35,3637,38