автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование параметров щеточного рабочего органа машины для ворошения фрезерного торфа в расстиле

На правах рукописи

ЯКОНОВСКИЙ ПАВЕЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЩЕТОЧНОГО РАБОЧЕГО ОРГАНА МАШИНЫ ДЛЯ ВОРОШЕНИЯ ФРЕЗЕРНОГО ТОРФА В РАССТИЛЕ

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- з ИЮН 2010

Тверь 2010

004603399

Работа выполнена на кафедре «Торфяные машины и оборудование» ГОУ ВПО «Тверской государственный технический университет».

Научный руководитель:

Кандидат технических наук,

доцент Шпынев Вадим Михайлович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук

зам. дир. ОАО «ВНИИТП» Михайлов Александр Викторович

Кандидат технических наук

зам. дир. ЗАО «Росторфинвест» Дубовиков Сергей Львович

Ведущая организация - «Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет)».

Защита диссертации состоится «28» мая 2010 года в 14е0 час. на заседании диссертационного совета Д 212.262.05 ГОУ ВПО «Тверской государственный технический университет» по адресу: 170023, г. Тверь, ул. Академическая, д. 12 (Лабораторный корпус, аудитория Л-214).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тверского государственного технического университета.

Автореферат разослан « 28 » апреля 2010 г.

доктор технических наук, профессор Васильев Алексей Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Российская Федерация обладает значительными запасами торфа (37,2% от мировых). Их энергетический потенциал в пересчете на условное топливо превосходит суммарные запасы нефти, газа, древесины и уступает лишь углю. Торф эффективен в малой энергетике - в небольших населенных пунктах и муниципальных котельных. Использование торфа для получения энергии и тепла является важной составляющей топливно-энергетической политики, которая получила свое отражение в Федеральной программе «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года».

В России торф добывают предприятия двадцати регионов. Из существующих технологий добычи торфа наибольшее распространение получил фрезерный способ, в котором одной из важных технологических операций, влияющей на качество готовой продукции, является операция ворошения. Её основная задача заключается в ускорении процесса сушки фрезерного торфа посредством переворачивания слоя.

Почти во всех работах, касающихся рассматриваемых вопросов, отмечается, что существующие конструкции ворошилок с металлическими рабочими элементами не отвечают в полной мере поставленным технологическим требованиям, предъявляемым к операции ворошения.

Полевые испытания экспериментальных образцов щеточных ворошилок показали, что данные конструкции превосходят по многим параметрам существующее оборудование.

В настоящее время многие вопросы взаимодействия щеточного рабочего органа ворошилки с торфяной залежью и торфом остаются малоизученными. Такие факторы как неравномерность толщины расстила, гранулометрического состава, влаги и плотности отдельных частиц торфа не учитываются при определении оптимальных параметров щеточного рабочего органа ворошилки, что приводит к удлинению сроков сушки торфа до заданной уборочной влажности и ухудшению качества получаемой продукции. Нерешенность многих теоретических и практических вопросов взаимодействия щеточного рабочего органа с торфяной залежью и торфом является сдерживающим фактором серийного производства щеточных ворошилок.

Таким образом, обоснование параметров щеточного рабочего органа машины для ворошения фрезерного торфа в расстиле, является актуальной научной проблемой.

Объектом исследования является щеточный рабочий орган машины для ворошения фрезерного торфа в расстиле.

Предметом исследования выступают функциональные связи между параметрами щеточного рабочего органа, размерно-массовыми характеристиками фрезерного торфа и технологическими параметрами операции ворошения.

Идея работы заключается в учёте влияния гранулометрического состава, влаги и плотности отдельных частиц фрезерного торфа,

неравномерности толщины расстила на эффективность проведения операции ворошения.

Цель работы состоит в установлении пределов варьирования основных параметров щеточного рабочего органа машины для ворошения фрезерного торфа в расстиле на основании аналитического анализа, математического моделирования и экспериментальных исследований.

Реализация цели исследования обусловила постановку и решение ряда задач, отражающих логическую структуру диссертационной работы:

- установление закономерностей сметания фрезерного торфа в расстиле при ворошении щеточным рабочим органом, в зависимости от его режимных, геометрических и физико-механических параметров, эксплуатационных свойств торфяной залежи и торфа, гранулометрического состава фрезерной крошки, технологических параметров операции;

- установление полной картины физических явлений в процессе взаимодействия щеточного рабочего органа ворошилки с торфяной залежью и фрезерным торфом;

- разработка механизма реализации принципа переворачивания расстила на 180° при сметании торфа щеткой;

разработка методов минимизации нежелательного процесса подфрезеровывания верхнего слоя залежи при ворошении фрезерного торфа в расстиле щеточным рабочим органом;

- проведение экспериментальных исследований в лабораторных условиях с целью установления адекватности разработанных теоретических и математических моделей.

Научные положения, разработанные лично автором, выносимые на защиту:

1. Траектория отбрасывания фрезерной крошки зависит от параметров щеточного рабочего органа ворошилки и размерно-массовых характеристик торфа.

2. Эффективное сметание фрезерного торфа в расстиле, без пропусков, зависит от кратности механического воздействия сметающего элемента щетки на поверхность торфяного поля и величины загрузки поля торфом.

3. Угол скоса рабочей части ворса щетки определяет фактическую площадь контакта с торфяным основанием и величину контактных напряжений в верхнем слое торфяной залежи.

4. Рабочая часть ворса должна подрезаться под углом Ро=25°...30° в плоскости сметания с целью минимизации подфрезеровывания залежи при реализации операции ворошения.

5. Принцип переворачивания расстила на 180° заключается в разделении сырых и сухих частиц фрезерного торфа при отбрасывании щеточным рабочим органом ворошилки и реализуется в диапазоне окружных скоростей щетки по концам ворса ио=5,5...6,5м/с.

Научная новизна исследований:

1. Разработаны математические и цифровые модели расчёта упругих характеристик щеточного рабочего органа на основе применения метода

конечных элементов, реализованного в про1раммном комплексе «ANSYS», к моделированию конструкции цилиндрической щетки, и разработана методика численного моделирования процесса взаимодействия цилиндрической щетки с торфяным основанием.

2. На основании методов теории размерности и подобия определены функциональные связи между параметрами щеточного рабочего органа, размерно-массовыми характеристиками фрезерного торфа и технологическими параметрами операции ворошения.

3. Обоснован нринцип переворачивания расстила на 180° путем выбора оптимальных пределов варьирования основных параметров щеточной ворошилки.

4. Разработан способ определения геометрических параметров щеточного рабочего органа ворошилки, исключающий подфрезеровывание залежи в процессе реализации операции ворошения.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

- использованием методов теории размерности и подобия, метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе «ANSYS», теории упругости, механики сыпучих сред, методов статистической обработки данных, использованием современных компьютерных технологий и современного математического программного обеспечения;

- корректностью сделанных допущений при построении математических и конечно - элементных цифровых моделей;

- анализом существующих экспериментальных и теоретических данных, сравнением полученных результатов с соответствующими аналогами щеточных рабочих органов и результатами их промышленной эксплуатации и стендовых экспериментов;

положительными результатами апробации исследования на торфодобывающих предприятиях Тверской области.

Научное значение работы состоит в том, что были установлены закономерности протекания процесса ворошения фрезерного торфа в расстиле щеткой для обоснования параметров щеточного рабочего органа ворошилки.

Практическое значение работы заключается в разработке основ расчета и методики определения основных параметров щеточного рабочего органа ворошилки.

Информационной базой исследования послужили публикации, касающиеся рассматриваемых проблем, научные отчеты, материалы лабораторных и полевых экспериментов.

Реализация результатов работы. Методика определения основных параметров щеточного рабочего органа принята к использованию торфопредприятием ОАО «Васильевский Мох». Результаты исследования используются в учебном процессе при подготовке студентов специальности 150403 «Технологические машины и оборудование для разработки торфяных месторождений» ГОУ ВПО «Тверской государственный технический университет».

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы на различных этапах проведения исследования докладывались в рамках научных симпозиумов: «Неделя горняка - 2007, 2008» в Московском государственном горном университете; семинарах кафедры «Торфяные машины и оборудование» ГОУ ВПО «Тверской государственный технический университет» 2008-2010 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей, отражающих основное содержание работы (из них 2 работы - в ведущих рецензируемых журналах по перечню ВАК).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 114 наименований, содержит 11В страниц машинописного текста, 37 рисунков, 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, изложены цель, задачи, объект и предмет научного исследования, дана характеристика состояния изученности проблемы, а также раскрыта научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе рассмотрены теоретические основы интенсификации полевой сушки фрезерного торфа посредством операции ворошения.

Теоретические и экспериментальные научные исследования, связанные с вопросами интенсификации сушки фрезерного торфа, проводили: Антонов В.Я., Афанасьев А.Е., Бавтуто А.К, Белоцерковская O.A., Варенцов B.C., Гамаюнов Н.И., Копенкин В.Д., Костюк КС., Лазарев A.B., Малков Л.М., Панкратов Н.С., Пятков Ф.Ф., Соколов И.Д., Столбикова Г.Е., Чураев Н.В. и другие ученые.

Анализ данных, имеющихся в научной литературе, показал, что. почти во всех работах отмечается несовершенство существующих конструкций ворошилок с рабочими элементами, выполненными по форме плужного отвала. Основные недостатки существующих ворошилок состоят в том, что они не переворачивают, а только перемешивают слой. При ворошении имеет место значительное приминание фрезерной крошки, потери сухой крошки достигают 30%, а также наблюдается подфрезеровывание залежи рабочими элементами ворошилок.

На более качественном уровне происходит интенсификация сушки торфа, если операция ворошения фрезерного торфа в расстиле осуществляется активной щеткой с синтетическим ворсом. Ротационная цилиндрическая щетка с эластичным синтетическим ворсом удачно вписывается в рельеф поверхности торфяного поля, тщательно сметает и перемещает фрезерную крошку, а физическая сущность ворошения торфяного расстила щеточным рабочим органом заключается в разделении потока сырых и сухих частиц торфа при отбрасывании.

Вопросы взаимодействия щеточного рабочего органа с торфяной залежью и фрезерным торфом в различных процессах торфодобычи

изложены в работах Валюнаса К.Ю., Ворзонина В.А., Михайлова А.В., Поцюнаса Ю.А., Нравдипа В.И. и других ученых.

Анализ обзора литературных источников по использованию щеточных рабочих органов в различных процессах торфодобычи показывает, что большинство авторов описывали механизм взаимодействия щетки с торфяной залежью и торфом с помощью аналитических методов и уравнений, содержащих существенные допущения. При отбрасывании торфа щеткой рассматривается движение изолированной материальной частицы без учета влияния смежных слоев торфяной массы; частицы имеют плоскую форму и не могут перекатываться; частицы движутся изолированно друг от друга по непересекающимся траекториям; размерно-массовые характеристики торфа определяются только скоростью витания. Поэтому одной из главных особенностей настоящей работы является учёт влияния гранулометрического состава, влаги и плотности отдельных частиц фрезерного торфа, неравномерности толщины расстила на эффективность проведения операции ворошения с помощью методов теории размерности и подобия, опирающихся на экспериментальные исследования для обоснования параметров щеточного рабочего органа ворошилки.

Рнс. 1. Система варьируемых параметров щеточной ворошилки

Система варьируемых параметров щеточной ворошилки (рис. 1/ содержит: режимные параметры (ип - линейная скорость перемещения щетки (поступательная скорость движения машины), ио - окружная скорость щетки, Ьв - радиальная деформация щетки по ворсу, К - кратность воздействия ворса на залежь); геометрические параметры (В - длина щетки, 1 - длина

неущемленного ворса, Кш - радиус щетки, г - число элементов в щетке, к -число ворсинок в элементе, с!в - диаметр ворсинки); физико-механические параметры (Е - модуль упругости ворса, Г - коэффициент трения ворса о залежь, Оиз — предел прочности ворса на изгиб при знакопеременной нагрузке).

Во второй главе проведен анализ процесса сметания в расстиле фрезерного торфа щеточным рабочим органом ворошилки. Обзор и анализ проектных решений и конструктивных схем щеточных рабочих органов, применяемых в различных отраслях народного хозяйства и в том числе торфодобыче позволили сделать вывод, что для операции ворошения фрезерного торфа в расстиле наиболее рационально использовать активную цилиндрическую щетку с полипропиленовым ворсом, собранным в плоские

органом: 1 - барабан; 2 - сметающий элемент; 3 - вал отбора мощности

трактора

Использование ворса из полипропилена обусловлено его влагостойкостью и стабильной жесткостью сметающих элементов на протяжении всего срока эксплуатации ворошилки, в отличие от более распространенного ворса щеток из полиамидных волокон, влагосодержание которого уже в начальной стадии эксплуатации увеличивается в среднем на 2%, что снижает жесткость ворса на 40% и изменяет параметры щеточного рабочего органа. Активное ворошение (когда крутящий момент передается на щеточный рабочий орган от вала отбора мощности трактора) содержит больше возможностей влияния на процесс сметания торфа посредством изменения режимных параметров ворошилки в отличие от пассивного ворошения.

Известные аналитические методы рассматривают перемещение измельченных материалов как частный случай общей теории аэродинамики, изучающей течение газа и перемещение в нем твердых тел. Однако, вследствие сложности механизма взаимодействия частиц фрезерного торфа между собой при перемещении и других многочисленных факторов, закономерности процесса часто не поддаются теоретическому анализу и расчету. Это объясняется тем, что установленные зависимости не полностью

отражают влияние на основные параметры процесса размерно-массовых и аэродинамических характеристик частиц измельченных материалов.

На основании методов теории размерности и подобия, опирающихся на результаты экспериментов с лабораторной моделью щеточной ворошилки, получены функциональные зависимости, связывающие параметры щеточного рабочего органа, размерно-массовые характеристики фрезерного торфа и технологические параметры операции ворошения.

Параметры траектории движения фрезерного торфа при отбрасывании щеткой описаны системой уравнений

х=ди0>тут,зудт

где ио - окружная скорость щетки, м/с; \Ут~ масса воды в торфе, кг, по отношению к массе абсолютно сухого вещества торфа; Эуд - удельная поверхность частицы, м2/кг; С) - производительность щеточного рабочего органа, м3/с.

Получено уравнение траектории движения фрезерного торфа при отбрасывании щеткой с помощью метода нулевых размерностей.

А

е

Х,Г = сэиа8^Жг/

э о уд щ-'

а 1 .

уд т )

(2)

После преобразования степенных показателей уравнение (2) записано с помощью системы безразмерных параметров П] и Ш

= (3)

^ 8

т уд

П2 =-2-. (4)

Таким образом, четыре аргумента функции приведены к двум аргументам, которые представляют собой безразмерные комбинации, составленные из и0, IVт, Буд, (1.

После обработки результатов экспериментов на лабораторной модели щеточной ворошилки получено уравнение для определения дальности отбрасывания основной массы фрезерного торфа.

2'01-102-7П#^+0>891(5)

"о^Яу а

Одним из основных требований,предъявляемых к операции ворошения является обеспечение сметания фрезерного торфа в расстиле без пропусков.

На рис. 3 показана схема процесса сметания торфяной крошки двумя сметающими элементами, вращающимися в одной плоскости сметания.

ип

рабочим органом ворошилки

Рассматривая щетки, состоящие из отдельных сметающих элементов (метелок), необходимо выполнение следующего условия: путь, проходимый сметающим элементом при контакте с торфяным основанием 8]=АС (рис. 3], должен быть больше расстояния, на которое переместится ворошилка за период времени между контактами соседних сметающих элементов с торфяным основанием. Для нахождения пути сметающего элемента необходимо знать значение угла сро,который определяет разгрузку сметающего элемента. С помощью скоростной фотосъемки процесса отбрасывания торфа щеткой установлено, что при радиальной деформации щетки по ворсу Ьв=0,015-0,025м, и окружной скорости по концам ворса ио=3-8м/с, фО=0,9(р1.

Определен путь сметающего элемента

5=1,9./? • зт(агссо5( 1 -• (6)

• щ К1Ц

Кратность воздействия ворса щетки на залежь определяется отношением пути сметающего элемента и подачей на один сметающий элемент К=8)/с.

Установлено, что режимы работы ворошилки 8)=с и 51<с малоэффективны, так как в процессе сметания наблюдаются пропуски фрезерного торфа. Для обеспечения сметания фрезерного торфа в расстиле без пропусков должен выполняться режим работы ворошилки Б^с, причем кратность воздействия ворса на залежь должна быть К=2-4.

В третьей главе на основании метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе «А№У8», разработана методика численного моделирования процесса взаимодействия сметающего элемента щетки с торфяным основанием. При взаимодействии ворса щеточного устройства с торфяным основанием необходимо оценить характер распределения контактных напряжений по подошве взаимодействующих тел. В программном комплексе «АШУБ» для решения контактной задачи моделировался контакт жесткой и деформируемой поверхности, причем поверхность внедрения (ворса) всегда жесткая, а контактная поверхность (торфяного основания) всегда деформируемая.

Для моделирования ворса щеток использовались четырехузловые объемные конечные элементы тетраэдальной формы.

В модели сметающего элемента щетки рассматривался полипропиленовый ворс с модулем упругости Е=3-106 кПа и коэффициентом Пуассона р.=0,35.

Модуль деформации торфяного основания принимался Е=Ы03 кПа, коэффициент Пуассона ц=0,4 , что соответствует верхнему деятельному слою торфяной залежи, сцепление торфа с,=0,02МПа, угол внутреннего трения ф-22°. Также было принято допущение о наличии линейной связи между напряжениями и деформациями в торфяной залежи при ее нагружении до так называемого критического давления Ркр=80кПа, после чего возникновение пластических деформаций нарушает эту пропорциональную связь.

В процессе моделирования контактного взаимодействия сметающего элемента щетки с торфяным основанием рассматривался изгиб прутка ворса в квазивертикальном положении, когда касательная к прутку в начале координат (осевой центр щетки) точки О совпадает с точкой крепления ворса в сметающем элементе щетки А1 ...А9(рис. 4).

Рис. 4. Схема моделирования контактного взаимодействия Результаты моделирования позволили установить, что максимальная вертикальная реакция залежи PzO на щетку соответствует положению ворса, когда касательная к прутку в начале координат точки О совпадает с точкой крепления ворса в сметающем элементе щетки и угол aj между касательной к прутку и вертикальной осью z равен нулю, что согласуется с экспериментальными допущениями Михайлова A.B.

Анализ процесса взаимодействия щеточного рабочего органа с торфяным основанием показал, что использование ворса с подрезкой рабочей части под углом ßo в плоскости сметания способствует уменьшению контактных напряжений в верхнем слос торфяного основания (рис. 5) и минимизации нежелательного процесса подфрезеровывания верхнего слоя залежи.

■в

а о

Рис. 5. Изменение контактных напряжений (касательных) в верхнем слое торфяного основания при а|=0о: а) ворс без подрезки рабочей части; б) ворс с подрезкой рабочей части под углом ¡30=30° в плоскости сметания

Максимальное контактное напряжение рис. 5 для ворса без подрезки рабочей части на поверхности торфяного основания составляет ох=88,9кПа, для ворса с подрезкой рабочей части под углом рО=30° в плоскости сметания, следует отметить снижение контактных напряжений стт=32,5кГ1а.

Угол скоса рабочей части ворса щетки определяет фактическую площадь контакта с торфяным основанием при реализации операции ворошения, и в ходе моделирования контактного взаимодействия ворса с торфяным основанием средствами программного комплекса «А^УЭ» установлено, что рабочая часть ворса должна подрезаться под углом (30=25°...30° в плоскости сметания, что увеличивает фактическую площадь контакта и уменьшает контактные напряжения в верхнем слое залежи, а увеличение угла подрезки рабочей части ворса более ро>30° необоснованно, так как при ухудшении процесса сметания контактные напряжения снижаются незначительно.

Разработана методика численного моделирования по определению вертикальной реакции Ргй на щетку, обусловленную упругими характеристиками щеточного рабочего органа, при взаимодействии с торфяным основанием и получено условие взаимодействия ворса с торфяной залежью без подфрезеровывания для ворса с Ро=25°...30°.

2РгО- /

7 (7)

т, > ф

1'к

где í - коэффициент трения полипропиленового ворса по торфяной залежи (для верховой залежи с 11=15% и ю=81,5%; Г=0,64-0,75), Рк - фактическая площадь контакта ворса с торфяной залежью, тф - прочность на сдвиг поверхностного слоя торфяной залежи по Амаряну Л.С.

В четвертой главе проведены экспериментальные исследования на лабораторной модели щеточной ворошилки ¡рис, ^разработанной автором на кафедре «Торфяные машины и оборудование» ГОУ ВПО «Тверской государственный технический университет». Опыты проводились на верховом торфе (пушицево-сфагновый торф) средней степени разложения, характерном

для месторождений Тверской области. Фракционный состав был подобен торфяной крошке, получаемой при фрезеровании залежи штифтовыми фрезерующими устройствами типа МТФ-13 со степенью механической переработки торфа А,|=16. Гранулометрический состав торфяной крошки определялся рассевом пробы на почвенных ситах с круглыми отверстиями диаметром 16мм, 14мм, 8мм, 7мм, 1мм, 0,25мм.

Рис. б. Лабораторная модель шеточной ворошилки

Для определения траектории отбрасывания фрезерного торфа использовалась скоростная фотосъемка на фоне масштабной сетки, установленной по всей длине отбрасывания. Для оценки характера распределения торфа на поверхности залежи после отбрасывания щеткой фрезерной крошки использовалось мерное устройство, состоящее из корпуса и последовательно расположенных по длине корпуса ячеек.

Экспериментальные исследования позволили установить влияние окружной скорости щетки по на процесс сметания торфа в расстиле. Согласно принятым допущениям о выделении в расстиле верхней зоны влагосодержа-иием У/ — 0,2 кг/кг и нижней зоны влагосодержанием W = 2,5 кг/кг, исследована возможность переворачивания расстила в зависимости от окружной скорости щетки по концам ворса.

Послойное влагосодержание расстила после отбрасывания торфа щеткой определялось методом отбора проб с помощью рамки. После отбора проб торфа на влажность определялся коэффициент переворачивания расстила ас { рис. 7. по формуле

IV -¡V

аг=-М-Ж. ]00%. (8)

IV -IV н в

где У и ? — влажность верхней и нижней четвертей слоя после В В В И

ворошения, % ; и IV - влажность перед ворошением, %.

ас, %

60 50 40 3d 20 10

Ж— -----г

t -

✓ г

i

*

/

>

__

0 1 2315678 vo, м/с

Рис. 7. Зависимость коэффициента переворачивания расстила ас от окружной скорости щетки do

Анализ аэродинамических характеристик цилиндрической щетки при реализации операции ворошения позволил сделать вывод, что перегиб на кривой (рис. 71 связан с влиянием воздушного потока на параметры отбрасывания при окружных скоростях щетки более 6м/с. Инструментальные замеры аэродинамических характеристик щеточного рабочего органа проводились на лабораторной установке при помощи метода нитей. Замеры скоростей потока воздуха осуществлялись при помощи анемометра крыльчатого, трубки Пито-Прандтля. Исследован характер распределения линий тока и линий равных скоростей чистого воздуха при вращении щетки в контакте с торфяным основанием. Установлено, что на расстоянии до 0,6м от оси вращения скорость потока воздуха превышает окружную скорость щетки. Сухие частицы торфа влагосодержанием W=0,2Kr/kr наиболее подвержены влиянию воздушного потока, который изменяет их траекторию движения после отбрасывания. Таким образом, наибольшее значение коэффициента переворачивания расстила ас достигается в диапазоне окружных скоростей щетки ио-5,5...6,5м/с, с наименьшим воздействием воздушного потока на траекторию движения частиц торфа и реализацией принципа переворачивания расстила на 180°, заключающегося в разделении сырых и сухих частиц фрезерного торфа при отбрасывании щеточным рабочим органом ворошилки.

Мощность, расходуемая на привод щетки, определялась как Мщ=Мкр-п. Для определения энергетических показателей в процессе реализации операции ворошения и преодоления щеткой сил сопротивления воздуха, сметания торфа, деформации ворса и трения его о залежь, на приводном валу лабораторной модели щеточной ворошилки инструментально измерялся крутящий момент Мкр. На основании методов теории размерности и подобия и обработки результатов лабораторных экспериментов получена зависимость по определению крутящего момента на приводном валу щеточной ворошилки в процессе реализации операции ворошения.

Мкр =

В п + 53,56 — ^м 1 'в

В_

В '

1

(9)

где дм - загрузка сметающего элемента торфом, кг/м2; п -1- частота вращения щетки в секунду, 1/с; Н - жесткость сметающего элемента, п-м2; В -длина щетки, м; - приведенная длина щетки, В1~0,3м. - '

График раздельных затрат мощности на деформацию и трение ворса, сметание торфа, преодоление щеткой сил сопротивления воздуха представлен на рис. 8. Расчеты производились при п~2...9с~', Ьв=0,025м, В=0,3м, Ям=14кг/м2, НИ),24 н-м2,1=0,2м, Лщ=0,3м, (1в-0,002м.

ГЧ, к

1." 0,9 О, в 0.7 0,6 0.5 0,4 0,3 0.2 ОД

О 1 2 3 4 5 б 7 8 9 п. 1/с

Рис. 8. График затрат мощности: 1 - в процессе ворошения; 2 - без сметания торфа; 3 - вращение щетки в воздухе

На рис. 8. кривая 1 построена на основании зависимости (12) кривые 2 и 3 построены на основании эксперимента. Анализируя затраты энергии на операцию ворошения (рис. 8), можно сделать вывод, что большая часть мощности (около 85% от общей) расходуется на сметание торфа, деформацию и трение ворса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Проведённый в исследовании теоретический и экспериментальный анализ позволил решить важные для торфяной промышленности страны и актуальные современным условиям торфяного машиностроения задачи, заключающиеся в обосновании параметров щеточного рабочего органа машины для ворошения фрезерного торфа в расстиле.

В результате проведенных исследований сделаны следующие основные выводы и предложения : .

1. Разработана методика численного моделирования процесса взаимодействия щеточного рабочего органа ворошилки с , торфяным основанием на основе применения метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе «АКБУБ» для определения контактных напряжений в верхнем слое торфяной залежи.

2. Получены уравнения по определению траектории отбрасывания фрезерного торфа от воздействия сметающих элементов активной щетКй при различных режимных параметрах щеточного рабочего органа и размерно-массовых характеристиках фрезерной крошки.

Вт

/

А

/ и.

1/ ^

/

/ / Г Уг.

> у

больше подачи на один сметающий элемент 8]>с, а кратность воздействия ворса на залежь устанавливается в диапазоне К=2-4.

4. Установлено, что рабочая часть ворса должна подрезаться под углом Ро~25°...30° в плоскости сметания это увеличивает фактическую площадь контакта Рк ворса с торфяной залежью, уменьшает контактное давление и контактные напряжения в верхнем слое торфяного основания, при этом параметры сметания фрезерной крошки не ухудшаются, а подфрезеровывание как нежелательный процесс минимизируется.

5. Выявлено, что наибольшее значение коэффициент переворачивания расстила ас достигает в диапазоне окружных скоростей щетки г)0=5,5...6,5м/с, при наименьшем воздействии воздушного потока на траекторию движения частиц торфа.

6. На основании результатов экспериментальных исследований количественно доказан принцип разделения сырых и сухих частиц фрезерного торфа при отбрасывании щеткой.

7. Выявлены связи между энергетическими показателями операции ворошения и установлено, что большая часть мощности (около 85% от общей) расходуется на сметание торфа, деформацию и трение ворса о залежь.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ.

Статьи, опубликованные в рецензируемых научных изданиях, включенных в

перечень ВАК.

1. Яконовская Т.Б., Яконовский П.А. Роль и эффективность интеграционных объединений в торфяной сфере // Экономист, 2007. №10, с. 93-96.

2. Яконовский П.А. Исследование режимов работы роторно-лопастного щеточного метателя для разбрасывания торфа и нефтепоглощающего сорбента // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2008. № 2, с. 328-332.

Статьи, опубликованные в сборниках научных трудов.

3. Куликова Т.Б., Яконовский П.А. Методологический подход к разработке системы технико-экономического обоснования конструкторских решений // Вестник Тверского государственного технического университета: Научный журнал.Тверь: ТГТУ, 2007. Вып. 10. с. 308-312.

4. Яконовский П.А. Оценка возможности применения щеточного метателя в качестве рабочего органа машины для разбрасывания торфа на газоны // Вестник Тверского государственного технического университета: Научный журнал. Тверь: ТГТУ, 2007. Вып. 10. с. 143-147.

5. Шпынев В.М., Яконовский П.А. Исследование аэродинамических характеристик щеточного рабочего органа машины для ворошения фрезерного торфа в расстиле // Вестник Тверского государственного технического университета: Научный журнал. Тверь: ТГТУ, 2009. Вып 15. с. 48-50.

6. Патент РФ на изобретение № 2352962. Зонд для электрического каротажа / Шпынев В.М., Яконовский П.А., Яконовская Т.Б.

Подписано в печать 26.04.10 Тираж 83 экз. Физ.печ.л. 1,0__Усл.неч.л. 0,93

РИД ТГТУ

Заказ № 27 Уч.изд.л. 0,87

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ВОРОШЕНИЯ ФРЕЗЕРНОГО ТОРФА В РАССТИЛЕ ЩЕТОЧНЫМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ.

1.1. Теоретические основы интенсификации сушки фрезерного торфа.

1.2. Обзор экспериментальных и теоретических работ по использованию щеточных машин в различных процессах торфодобычи.

1.3. Постановка задач и выбор методов исследования.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА СМЕТАНИЯ В РАССТИЛЕ ФРЕЗЕРНОГО ТОРФА ЩЕТОЧНЫМ РАБОЧИМ ОРГАНОМ ВОРОШИЛКИ.

2.1. Технологическое обоснование процесса ворошения фрезерного торфа в расстиле щеточным рабочим органом.

2.2. Исследование процесса отбрасывания фрезерного торфа в расстиле щеточным рабочим органом.

2.3. Выбор параметров щеточного рабочего органа ворошилки обеспечивающих сметание торфа в расстиле без пропусков.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЩЕТКИ С ТОРФЯНЫМ ОСНОВАНИЕМ.

3.1. Особенности метода конечных элементов.

3.2. Численное моделирование процесса взаимодействия сметающего элемента щетки с торфяным основанием.

3.3. Численное моделирование контактного взаимодействия ворса с торфяным основанием.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ВОРОШЕНИЯ ФРЕЗЕРНОГО ТОРФА ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ЩЕТКОЙ.

4.1. Методика проведения экспериментальных исследований.

4.2. Исследование влияния размерно-массовых характеристик фрезерного торфа на процесс отбрасывания в расстиле.

4.3. Исследование влияния основных параметров щеточного рабочего органа на процесс сметания торфа в расстиле.

4.4. Исследование энергетических показателей операции ворошения.

Актуальность темы. Дефицит в энергетике, в настоящее время, называют главным сдерживающим фактором дальнейшего экономического роста страны. Эффективное использование топливно-энергетических ресурсов является важнейшей государственной задачей, призванной обеспечить защиту национальных интересов и рост качества жизни населения Российской Федерации.

Рациональный подход к использованию имеющихся топливных ресурсов позволит обеспечить надежное топливообеспечение коммунальных систем, сдержать рост цен на энергоносители, объективно вызываемый истощением невозобновляемых видов топлива, прежде всего газа и нефтепродуктов.

В структуре топливно-энергетического баланса страны, до настоящего времени, основными источниками энергии по прежнему являются невозобновляемые топливные ресурсы, а именно: газ, нефть и уголь. Общая доля их в структуре топливно-энергетического баланса страны составляет 88%. На долю местных возобновляемых топливных ресурсов (торф, древесина) в России приходится менее одного процента. В Российской Федерации, в настоящее время, центр потребления топливно-энергетических ресурсов сосредоточен в Европейской части, где добывается минимальное количество невозобновляемого ископаемого топлива, а доставка его до потребителей требует дополнительных затрат.

Преобразования, начавшиеся в Российской энергетической отрасли, предполагают постепенную либерализацию цен на газ и нефтересурсы, которые к 2011 году должны достичь уровня экспортных. Кроме того, совершается переход тепловой генерации в руки частных инвесторов, крайне заинтересованных в экономической эффективности своих активов. Перспектива роста цен на газ и нефть заставляет потенциальных собственников оптимизировать топливный баланс электростанций. Сама стратегия реформы электроэнергетической отрасли предусматривает диверсификацию топливного баланса и сокращение доли газа с 69% в 2010 году до 60% к 2015 году. По мнению большинства экспертов, в ряде регионов России значение местных (более доступных и дешевых) видов топлива, в том числе торфа, будет увеличиваться. Согласно официальному прогнозу, к 2030 году использование торфа на новых ТЭЦ мощностью 20-30 МВт, котельных в обеспеченных торфом и энергодефицитных северных регионах, достигнет 4 млн.т, добыча фрезерного и кускового торфа — 3 млн.т, производство торфяных брикетов - 1 млн.т. Очевидно, что в условиях растущих тарифов и требований Правительства Российской Федерации о повышении энергоэффективности региональных экономик перед региональными органами исполнительной власти встает проблема замещения дорогих видов топлива более дешевыми, а энергоемких технологий более экономичными. В этих условиях открываются хорошие перспективы для развития торфяной промышленности и использования ее продукции в большой и малой энергетике, в сельском хозяйстве и других направлениях экономики Российской Федерации.

Малая энергетика позволяет повысить энергетическую безопасность, диверсифицировать топливно-энергетический баланс государства за счет увеличения использования местных видов топлива.

России принадлежит значительная часть мировых запасов торфа (37,2% ). Их энергетический потенциал в пересчете на условное топливо превосходит суммарные запасы нефти, газа, древесины и уступает лишь углю. Торф эффективен в малой энергетике — в небольших населенных пунктах и муниципальных котельных. Использование торфа для получения энергии и тепла является важной составляющей топливно-энергетической политики, которая получила свое отражение в Федеральной программе "Энергетическая стратегия России". Главная цель этой программы заключается в эффективном использовании различных энергетических ресурсов страны. В энергетике России объем потребления торфяного топлива в 1990 году составил 30 млн.т, число электростанций, работающих на торфе в России приближалось к 80, а мощность их достигала 3800 МВт. В настоящее время, добыча торфа на топливо составляет 2,5 млн.т, которое используется на 11 электростанциях и лишь на 3 ТЭЦ. В малой теплоэнергетике используется примерно 700 тыс.т фрезерного торфа, 200 тыс.т брикета и 100 тыс.т кускового торфа.

Использование торфа, как топлива, обусловлено его составом: большим содержанием углерода, малым содержанием серы, вредных негорючих остатков и примесей. Основными недостатками этого вида топлива являются: более низкая, чем у угля энергетическая калорийность и трудности сжигания из-за высокого содержания влаги (до 65%). Но есть и достоинства, например: низкая себестоимость производства, экологическая чистота сгорания (малая доля серы), полное горение (малый остаток золы), новые технологии сжигания. Все это делает торф перспективным местным источником получения тепловой и электрической энергии: более дешевой, чем при использовании каменного угля и жидкого топлива; более экологически чистой.

В качестве топлива торф применяется в трех видах:

1. Фрезерный торф в виде россыпи для сжигания во взвешенном состоянии;

2. Кусковой торф, малой степени прессования, производимый непосредственно на торфяной залежи;

3. Торфяной брикет, высококалорийный продукт большой степени прессования на технологическом оборудовании, заменяет каменный уголь.

Стоимость производства кускового торфа в полевых и заводских условиях в 2-4 раза выше, чем фрезерного. По этой причине большинство торфодобывающих предприятий ориентируются на добычу фрезерного торфа.

Одной из главных проблем кризисного состояния предприятий торфодобывающей отрасли является высокая степень износа оборудования и малозначительное обновление парка современными машинами, а также устаревшие низкоэффективные технологии добычи и переработки торфа.

Острейшая задача, стоящая сегодня перед торфодобытчиками, требующая оперативного разрешения, касается устаревшего оборудования (произведенного в 1970 годы), которое даже в малой степени не отвечает требованиям современного производства и нуждается в замене. Поэтому актуальным является вопрос о создании новых торфодобывающих машин.

Одной из важных технологических операций по добыче топливного торфа, влияющей на качество готовой продукции, является ворошение. Её основная задача заключается в удалении влаги из торфяного расстила, посредством интенсификации процесса сушки.

Теоретические и экспериментальные научные исследования, связанные с вопросами интенсификации сушки фрезерного торфа проводили: Антонов В .Я., Афанасьев А.Е., Бавтуто А.К., Белоцерковская O.A., Варенцов B.C., Гамаюнов Н.И., Копенкин В.Д., Костюк Н.С., Лазарев A.B., Малков Л.М., Панкратов Н.С., Пятков Ф.Ф., Соколов И.Д., Столбикова Г.Е., Чураев Н.В. и другие ученые. Почти во всех работах отмечается несовершенство существующих конструкций ворошилок с рабочими элементами, выполненными по форме плужного отвала. Основные недостатки существующих ворошилок состоят в том, что они не переворачивают, а только перемешивают слой. При ворошении имеет место значительное приминание фрезерной крошки, потери сухой фрезерной крошки достигают 20%, а иногда и 30%, а также наблюдается подфрезеровывание залежи рабочими элементами ворошилок.

Полевые испытания экспериментальных образцов щеточных ворошилок показали, что данные конструкции превосходят по многим параметрам существующее оборудование. Вопросы взаимодействия щеточного рабочего органа с торфяной залежью и фрезерным торфом, в различных процессах торфодобычи, изложены в работах Валюнаса К.Ю., Ворзонина В.А., Михайлова A.B., Поцюнаса Ю.А., Правдина В.И. и др. Ротационная цилиндрическая щетка с эластичным синтетическим ворсом удачно вписывается в рельеф поверхности торфяного поля, тщательно сметает и перемещает фрезерную крошку. Вопросы перемещения торфа рабочими органами торфяных машин изложены в работах Зюзина Б.Ф., Кислова Н.В., Мурашова М.В., Наумовича В.М., Опейко Ф.А., Самсонова Л.Н., Синицына В.Ф., Солопова С.Г., Фомина К.В., Шпынева В.М. и др.

В настоящее время многие вопросы взаимодействия щеточного рабочего органа ворошилки с торфяной залежью и торфом остаются малоизученными. Такие факторы как неравномерность толщины расстила, гранулометрического состава, влаги и плотности отдельных частиц торфа не учитываются при определении оптимальных параметров щеточного рабочего органа ворошилки, что приводит к удлинению сроков сушки торфа до заданной уборочной влажности и ухудшению качества получаемой продукции. Нерешенность многих теоретических и практических вопросов взаимодействия щеточного рабочего органа с торфяной залежью и торфом является сдерживающим фактором серийного производства щеточных ворошилок.

Таким образом, обоснование параметров щеточного рабочего органа машины для ворошения фрезерного торфа в расстиле, является актуальной научной проблемой.

Цель исследования состоит в установлении пределов варьирования основных параметров щеточного рабочего органа машины для ворошения фрезерного торфа в расстиле на основании аналитического анализа, математического моделирования и экспериментальных исследований.

Реализация цели исследования обусловила постановку и решение ряда задач, отражающих логическую структуру диссертационной работы:

• установить закономерности сметания фрезерного торфа в расстиле при ворошении щеточным рабочим органом, в зависимости от его режимных, геометрических и физико-механических параметров, эксплуатационных свойств торфяной залежи и торфа, гранулометрического состава фрезерной крошки, технологических параметров операции;

• установить полную картину физических явлений в процессе взаимодействия щеточного рабочего органа ворошилки с торфяной залежью и фрезерным торфом;

• разработать механизм реализации принципа переворачивания расстила на 180° при сметании торфа щеткой;

• минимизировать нежелательный процесс, подфрезеровывание верхнего слоя залежи, при ворошении фрезерного торфа щеточным рабочим органом;

• провести экспериментальные исследования в лабораторных условиях с целью установления адекватности разработанных теоретических и математических моделей.

Идея работы заключается в учёте влияния, гранулометрического состава, влаги и плотности отдельных частиц фрезерного торфа, неравномерности толщины расстила на эффективность проведения операции ворошения.

Объектом исследования является щеточный рабочий орган машины для ворошения фрезерного торфа в расстиле.

Предметом исследования выступают функциональные связи между параметрами щеточного рабочего органа, размерно-массовыми характеристиками фрезерного торфа и технологическими параметрами операции ворошения.

Научные положения, разработанные лично автором:

1. Траектория отбрасывания фрезерной крошки зависит от параметров щеточного рабочего органа и размерно-массовых характеристик торфа.

2. Эффективное сметание фрезерного торфа в расстиле, без пропусков, зависит от кратности механического воздействия сметающего элемента щетки на поверхность торфяного поля и величины загрузки поля торфом.

3. Угол скоса рабочей части ворса щетки определяет фактическую площадь контакта с торфяным основанием и величину контактных напряжений в верхнем слое торфяной залежи.

4. Рабочая часть ворса должна подрезаться под углом (3o=25°.30° в плоскости сметания с целью минимизации подфрезеровывания верхнего слоя залежи.

5. Принцип переворачивания расстила на 180° заключается в разделении сырых и сухих частиц фрезерного торфа при отбрасывании щеточным рабочим органом ворошилки и реализуется в диапазоне окружных скоростей щетки по концам ворса do=5,5.6,5m/c.

Научная новизна исследований:

1. Разработаны математические и цифровые модели расчёта упругих характеристик щеточного рабочего органа, на основе применения метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе «ANSYS», к моделированию конструкции цилиндрической щетки.

2. На основании методов теории размерности и подобия определены функциональные связи между параметрами щеточного рабочего органа, размерно-массовыми характеристиками фрезерного торфа и технологическими параметрами операции ворошения.

3. Обоснован принцип переворачивания расстила на 180° путем выбора оптимальных пределов варьирования основных параметров щеточной ворошилки.

4. Разработан способ определения геометрических параметров щеточного рабочего органа ворошилки исключающий подфрезеровывание залежи в процессе реализации операции ворошения.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверяедаются:

- использованием методов теории размерности и подобия, метода конечных элементов реализованного в программном комплексе «ANSYS», теории упругости, механики сыпучих сред, методов статистической обработки данных, использованием современных компьютерных технологий и современного математического программного обеспечения;

- корректностью сделанных допущений при построении математических и конечно - элементных цифровых моделей;

- анализом существующих экспериментальных и теоретических данных, сравнением полученных результатов с соответствующими аналогами щеточных рабочих органов и результатами их промышленной эксплуатации и стендовых экспериментов. положительными результатами апробации исследования на торфодобывающих предприятиях Тверской области.

Научное значение работы состоит в том, что были установлены закономерности протекания процесса ворошения фрезерного торфа щеткой для обоснования параметров щеточного рабочего органа ворошилки.

Практическое значение работы. Проведенные исследования позволяют на стадии проектирования определять оптимальные параметры щеточного рабочего органа машины для ворошения фрезерного торфа в расстиле.

Информационной базой исследования послужили публикации, касающиеся рассматриваемых проблем, научные отчеты, материалы лабораторных и полевых экспериментов.

Во введении обоснована актуальность темы исследования, изложены цель, задачи, объект и предмет научного исследования, дана характеристика состояния изученности проблемы, а также раскрыта научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе обобщены научные подходы к рассмотрению проблем интенсификации сушки фрезерного торфа в расстиле. Проведен анализ развития щеточных машин для различных процессов торфодобычи. Уточнены основы теории взаимодействия щеточного рабочего органа с торфяной залежью и торфом.

Во второй главе обоснованы основные допущения по расстилу и определены оптимальные сроки проведения операции ворошения. На основании метода теории размерности и подобия получены функциональные зависимости, связывающие параметры щеточного рабочего органа размерно-массовые характеристики фрезерного торфа и технологические параметры операции ворошения. Установлены параметры щеточного рабочего органа, обеспечивающие эффективное сметание фрезерного торфа в расстиле без пропусков.

В третьей главе на основании метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе «АИЗУБ», разработана методика численного моделирования процесса взаимодействия сметающего элемента щетки с торфяным основанием. При взаимодействии ворса щеточного устройства с торфяным основанием необходимо оценить характер распределения контактных напряжений по подошве взаимодействующих тел. В программном комплексе «ANSYS», для решения контактной задачи, моделируется контакт жесткой и деформируемой поверхности, причем поверхность внедрения (ворса) всегда жесткая, а контактная поверхность (торфяного основания) всегда деформируемая. Разработанные математические модели позволяют определять контактные напряжения в верхнем слое торфяной залежи и находить упругую составляющую вертикальной реакции PzO при ворошении фрезерного торфа в расстиле. Минимизирован процесс подфрезеровывания торфяной залежи ворсом щеточного рабочего органа.

В четвертой главе проведены экспериментальные исследования на лабораторной установке разработанной автором на кафедре «Торфяные машины и оборудование» ГОУ ВПО «Тверской государственный технический университет». С помощью скоростной фотосъемки исследована траектория отбрасывания фрезерного торфа щеткой и определены параметры щеточного рабочего органа ворошилки, обеспечивающие переворачивание расстила на 180°. Исследованы энергетические показатели операции ворошения. Установлены пределы варьирования основных параметров щеточного рабочего органа машины для ворошения фрезерного торфа в расстиле.

В заключении представлены результаты исследования, сформулированы основные выводы и предложения.

Реализация результатов работы. Методика определения основных параметров щеточного рабочего органа принята к использованию торфопредприятием ОАО «Васильевский Мох». Результаты исследования используются в учебном процессе при подготовке студентов специальности 150403 «Технологические машины и оборудование для разработки торфяных месторождений» ГОУ ВПО «Тверской государственный технический университет».

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы на различных этапах проведения исследования докладывались в рамках научных симпозиумов: «Неделя горняка - 2007, 2008» в Московском государственном горном университете; семинарах кафедры «Торфяные машины и оборудование» ГОУ ВПО «Тверской государственный технический университет» 2008-2010 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 статей, отражающих основное содержание работы (из них 2 работы — в ведущих рецензируемых журналах по перечню ВАК).

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 114 наименований, содержит 118 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 11 таблиц.

Выводы

1. На лабораторной модели щеточной ворошилки с помощью скоростной фотосъемки и мерного устройства исследована траектория отбрасывания фрезерного торфа щеткой.

1

2

1

С- ■

- ------ -1 Г" —н; г к

2. Количественно доказан принцип разделения сырых и сухих частиц фрезерного торфа при отбрасывании щеткой.

3. Определены параметры щеточного рабочего органа машины для ворошения фрезерного торфа в расстиле, обеспечивающие наибольшее значение коэффициента переворачивания расстила ас и установлен диапазон оптимальных окружных скоростей щетки ио=5,5.6,5м/с, с наименьшим воздействием воздушного потока на траекторию движения частиц торфа.

4. Методы теории размерности и подобия в сочетании с экспериментальными исследованиями позволили выявить связи между энергетическими показателями операции ворошения и установить что большая часть мощности (около 85% от общей) расходуется на сметание торфа, деформацию и трение ворса о залежь.

107

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведённый в исследовании теоретический и экспериментальный анализ позволил решить важные для торфяной промышленности страны и актуальные современным условиям торфяного машиностроения задачи, заключающиеся в обосновании параметров щеточного рабочего органа машины для ворошения фрезерного торфа в расстиле.

В результате проведенных исследований сделаны следующие основные выводы и предложения

1. Разработана методика численного моделирования процесса взаимодействия щеточного рабочего органа ворошилки с торфяным основанием, на основе применения метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе «АЫЗУБ». Решение подобного типа задач аналитическим способом крайне затруднительно и требует ряда допущений, способных исказить действительную картину сил и напряжений. Численный способ, разновидностью которого является метод конечных элементов, позволяет эффективно определять контактные напряжения в верхнем слое торфяной залежи и находить упругую составляющую вертикальной реакции РгО в процессе ворошения фрезерного торфа в расстиле.

2. Получены уравнения по определению траектории отбрасывания фрезерного торфа от воздействия сметающих элементов активной щетки при различных режимных параметрах щеточного рабочего органа и размерно-массовых характеристиках фрезерной крошки.

3. Определено что для обеспечения сметания фрезерного торфа в расстиле без пропусков зона контакта сметающего элемента с залежью должна быть больше подачи на один сметающий элемент 8]>с, а кратность воздействия ворса на залежь устанавливается в диапазоне К=2-4.

4. Установлено, что рабочая часть ворса должна подрезаться под углом Ро=25°.30° в плоскости сметания это увеличивает фактическую площадь контакта Бк ворса с торфяной залежью, уменьшает контактное давление и контактные напряжения в верхнем слое торфяной залежи, при этом параметры сметания фрезерной крошки не ухудшаются, а подфрезеровывание как нежелательный процесс минимизируется.

5. Выявлено, что наибольшее значение коэффициент переворачивания расстила ас достигает в диапазоне окружных скоростей щетки ио=5,5.6,5м/с, при наименьшем воздействии воздушного потока на траекторию движения частиц торфа.

6. На основании результатов экспериментальных исследований количественно доказан принцип разделения сырых и сухих частиц фрезерного торфа при отбрасывании щеткой.

7. Выявлены связи между энергетическими показателями операции ворошения и установлено что большая часть мощности (около 85% от общей) расходуется на сметание торфа, деформацию и трение ворса о залежь.

8. Основные научные результаты и выводы по диссертационному исследованию внедрены в учебный процесс, а также востребованы на торфопредприятии ОАО «Васильевский Мох».

1. Амарян JI.C. Структурно-механические свойства торфяных залежей. Автореферат диссертации докт. техн. наук. Калинин, 1967. 51 с.

2. Амарян JI.C. Прочность и деформируемость торфяных грунтов. М.: Недра, 1969. 192 с.

3. Амарян Л.С., Зюзин Б.Ф., Миронов В.А. Механика торфа и торфяной залежи: Учебное пособие. Калинин: КГУ, 1988. 95 с.

4. Антонов В.Я. Основы технологии полевой сушки торфа. М.: Недра, 1966. 239 с.

5. Антонов В.Я., Копенкин В.Д. Технология и комплексная механизация торфяного производства. М.: Недра, 1972. 312 с.

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

7. Афанасьев А.Е., Столбикова Г.Е. Исследование отражательной способности фрезерного торфа при сушки его в толстых слоях // Торф. Пром-сть. 1977. №1. с. 17-20.

8. Афанасьев А.Е., Гамаюнов Н.И, Ильясов С.Г., Столбикова Г.Е. Особенности отражения энергии при сушки фрезерного торфа // Разработка торфяных месторождений: Межвуз. сб. науч. тр. / КПИ. Калинин, 1977. с. 72-80.

9. Афанасьев А.Е. Исследование процесса рыхления толстых слоев фрезерного торфа при их послойной уборке // Технология, комплексная механизация и автоматизация торфяного производства. Калинин: КГУ, 1978. с. 15-22.

10. Афанасьев А.Е., Чураев Н.В. Оптимизация процессов сушки и структурообразования в технологии торфяного производства. М.: Недра, 1982. 288 с.

11. Афанасьев А.Е. Сушка торфа в слоях различной толщины / Технология и комплексная механизация торфяного производства. — Тверь: ТвеПИ, 1993. с. 4452.

12. Бавтуто A.K. Повышение эффективности сушки торфяной крошки путем формирования расстила. Диссертация канд.техн.наук. Калинин, 1988. 154 с.

13. Бавтуто А.К., Гнеушев В.А. Эффективность сушки фрезерного торфа в организованном расстиле // Сб.науч.тр. Вып.48. Л.: Изд. ВНИИТП, 1982. с. 58-62.

14. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах / под общ. ред. Д.Г. Красковского. М.: КомпьютерПресс, 2002. - 224 с.

15. Белоцерковская O.A. Исследование теплового режима торфяных залежей верхового типа. Автореферат диссертации канд. техн. наук. Калинин: КПИ, 1968. 26 с.

16. Богатов Б.А. Управление процессом разработки торфяных месторождений.I-М.: Высшая школа, 1985. 168 с.

17. Богатов Б.А., Копенкин В.Д. Математические методы в торфяном производстве. — М.: Недра, 1991. 240 с.

18. Буковец О.И. Некоторые кинематические зависимости пучковых щеток / Науч.тр.АКХ им.Памфилова. М., 1976. Вып. 129. с. 52-55.

19. Вальщиков Ю.Н. Модуль упругости ворса, применяемого в щеточных устройствах. Изв.ВУЗов, 1969. №1. с. 179.

20. Вальщиков Ю.Н. Производство, расчет и конструирование щеточных устройств. Л.: Изд. ЛГУ, 1974. 186 с.

21. Валюнас К.Ю. Исследование процесса уборки подстилочного фрезерного торфа с пневмомеханическими активаторами и определение их оптимальных параметров. Автореферат диссертации канд.техн.наук. Каунас, 1974. 39 с.

22. Варенцов B.C., Лазарев A.B. Технология производства фрезерного торфаМ.: Недра, 1970. 288 с.

23. Введение в ANSYS: прочностной и тепловой анализ / Шалумов A.C., Ваченко A.C., Фадеев O.A., Багаев Д.В.: Учебное пособие. — Ковров.: КГТА, 2002.-52 с.

24. Ворзонин В.А. Исследование процесса пневматической уборки фрезерного торфа с применением щеточного активатора. Автореферат диссертации канд.техн.наук. Калинин, 1978. 25 с.

25. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. М.: Мир, 1984.-428 с.

26. Герасимов A.A. Определение основных параметров щеточного ротора для уборки фрезерного торфа // Сб.науч.тр. Вып.47. Л.: Изд. ВНИИТП, 1981. с. 39-47.

27. Горцакалян Л.О. Расчет и конструирование пневматических установок для уборки и транспортирования фрезерного торфа. Калинин, 1973. 118 с.

28. Гусев Л.М. Основы теории и расчета машин для подметания городских дорог. Автореферат диссертации докт.техн.наук. М., 1961. 48 с.

29. Гусев Л.М. Расчет и конструирование подметально-уборочных машин. — М.-Л.: Машгиз, 1963. 204 с.

30. Гусев Л.М. Исследования работы щеточных устройств с цилиндрическими щетками подметально-уборочных машин. Л.: МКХ РСФСР, 1968. 71 с.

31. Долганин Б.М. Исследование работы щеток с ворсом из полиамидных моноволокон для подметально-уборочных машин. Автореферат диссертации канд.техн.наук. М., 1971. 22 с.

32. Долганин Б.М., Гусев Л.М. Методика расчета щеток подметально-уборочных машин с синтетическим ворсом // Науч.тр.АКХим.Памфмлова "Механизация работ в коммунальном хозяйстве". М., 1972. №88, сЛ 21-128.

33. Дорогов B.C. Оптимизация сушки фрезерного торфа // Вестник Тверского государственного технического университета: Научный журнал. — Тверь: ТГТУ, 2004. Вып. 5. с. 52-56.

34. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. - 538 с.

35. Зенкевич О., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация: Пер. с англ. -М.: Мир, 1986.-318 с.

36. Зюзин Б.Ф. Теоретические и экспериментальные исследования процесса фрезерования торфяной залежи в связи с решением задач его оптимизации. Диссертация канд.техн.наук. Калинин, 1977. 156 с.

37. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. — М.: Едиториал УРСС, 2003. 272 с.

38. Карабан Г.А. Снегоуборочные машины. М.: МКХ РСФСР, 1962. 124 с.

39. Карабан Г.А., Баловнев В.И., Засов И.А. Машины для содержания и ремонта автомобильных дорог и аэродромов. М.: Машиностроение, 1975. 368 с.

40. Карабан Г.А. О применении щеточного ротора для уборки снега в начале его уплотнения / Науч.тр.АКХим.Памфилова, М., 1980. Вып. 180. с. 13-21.

41. Кислов Н.В. Физические и аэродинамические свойства измельченного торфа. Минск: Высшая школа, 1967. 147 с.

42. Кислов Н.В., Бакшанский В.Н. Пневмоуборка торфа из расстила. Минск, 1983. 86 с.

43. Кислов Н.В. Пневматический транспорт торфяного производства. Методическое пособие. Минск: Изд.БПИ, 1985. 80 с.

44. Корчунов С.С., Дулькина С.М. Методические основы оценки влагообмена в процессе сушки торфа // Сб.науч.тр. Вып.20. Л.: Изд. ВНИИТП, 1963. с. 51-99.

45. Косов В.И. Системные принципы разработки ресурсосберегающих технологий в торфяном производстве. Автореферат диссертации докт.техн.наук. Тверь, 1991. 44 с.

46. Королев H.A. Повышение эффективности сушки семян зерновых культур путем совершенствования работы системы рециркуляции агента сушки в сушилках аэрожелобного типа. Автореферат диссертации канд.техн.наук. Кострома, 2007. 22 с.

47. Костюк Н.С., Бузук A.A., Соловьев Е.М. Фракционный состав фрезерного торфа в процессе технологических операций сушки и уборки // Сб. науч. тр. / Ин-т торфа АН БССР. Минск, 1959. т.8. с. 106-114.

48. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение и износ. М.: Машиностроение, 1977. 526 с.

49. Кукибный A.A. Метательные машины. -М.: Машиностроение, 1964. 241 с.

50. Куликова Т.Б., Яконовский П.А. Методологический подход к разработке системы технико-экономического обоснования конструкторских решений//Вестник Тверского государственного технического университета: Научный журнал. Тверь: ТГТУ, 2007. Вып. 10. С 308-312.

51. Лойцянский JI. Г. Механика жидкости и газа. М., 1970. 904 с.

52. Лукьянчиков А.Н. Машинные агрегаты торфяного производства. — Тверь: ТГТУ, 1999. 68 с.

53. Мандельбаум А.И. Инструкция по эксплуатации ворошилок ВМФ-2 и ВМФ-3. М.: Изд-во ВНИИТП, 1951. 20 с.

54. Малков Л.М., Чураев A.M. Исследование процесса сушки фрезерного торфа в тонких слоях. // В кн. "Подготовка торфяных залежей глубоким фрезерованием и сушка фрезерного торфа в тонких слоях". — Л.: Гостоптехиздат, 1963. с. 96-183.

55. Малков Л.М., Назаров Е.Г. Техническая оценка работы элементов ворошилок.// В сб. "Разработка торфяных месторождений". Вып. 2, КПИ. 1975. с. 78-83.

56. Малков Л.М. Основы методики расчета и пути улучшения технических показателей сезонной добычи торфа. Диссертация докт. техн. наук. Калинин, 1973. 423 с.

57. Малков Л.М., Гамаюнов Н.И., Столбикова Г.Е. Основы технологии полевой сушки торфа. Учебно-методическое пособие для вузов. Калинин. КПИ, 1973. 229 с.

58. Машины для городского хозяйства / Г.А. Карабан, В.И. Баловнев, И.А. Засов, Б.А. Лифшиц. -М.: Машиностроение, 1988. 272 с.

59. Михайлов A.B. Расчетная схема и режимы работы ротационной капроновой щетки // Сб. науч.тр. Вып. 45. Л.: Изд. ВНИИТП, 1980. с. 34-43.

60. Михайлов A.B. Исследования режимов работы ротационной щетки для уборки торфа// Сб.науч.тр.Вып.47. Л.: Изд.ВНИИТП, 1981. с. 34-43.

61. Михайлов A.B. Обоснование параметров щеточного рабочего органа для уборки фрезерного торфа из расстила. Диссертация канд.техн.наук. Калинин: КПИ, 1983. 215 с.

62. Михайлов A.B. Воздействие ворса щеток на торфяную залежь // Сб.науч.тр. Вып. 65. Л.: Изд. ВНИИТП, 1990. с. 79-82.

63. Михайлов A.B. Факторы упругого изгиба капронового ворса ворса щеток торфяных машин // Сб.науч.тр. Вып. 66. Л.: Изд.ВНИИТП, 1991. с. 112-117.

64. Михайлов A.B. Обоснование применения щеточных рабочих органов в торфяных машинах// Сб. науч.тр. Вып. 67. Изд.ВНИИТП. Л., 1991. с. 70-77.

65. Михайлов A.B. Щеточные торфяные машины // Сб. науч.тр. — СПб.: Изд. ВНИИТП, Вып. 71. 1994. 170 с.

66. Михайлов A.B. Многофункциональные щеточные торфяные машины // Записки СПбГГИ. Вып. 157. СПб.: 2004. с. 42-45.

67. Мурашов М.В. Теория и расчет фрезерующих рабочих органов машин для разработки торфяной залежи. Диссертация докт.техн.наук. Калинин, 1964. 196 с.

68. Мурашов М.В. Перемещение торфа методом сдвигания // В кн. "Механизация добычи торфа", Вып. XVII(XIII). -М.: Недра, 1974. с. 9-12.

69. Назаров Е.Г. Неравномерность толщины расстила слоя торфяной крошки при работе фрезерных барабанов различных конструкций // В кн. "Изменения физико-механических свойств торфа для комплексного его использования". -Л.: ВНИИТП, 1973. с. 18-19.

70. Норенков И.П. Разработка систем автоматизированного проектирования. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1994. 207 с.

71. Опейко Ф.А., Жук Е.А. // Тр. Ин-та торфа АН БССР, Минск 1959. Т.8. с. 114-118.

72. Опейко Ф.А. Торфяные машины. — Минск: Наука и техника. 1968. 405 с.

73. Орлов Ю.Н., Буковец О.И. Динамика работы цилиндрических щеток подметально-уборочных машин / Науч.тр.АКХим. Памфилова. М., 1975. Вып. 10, с. 15-20.

74. Панкратов Н.С. Исследование вопросов технологии комплексной разработки торфяных месторождений. Минск АН БССР, 1969. - 94 с.

75. Петровский Е.Е. Рекомендации по определению технологических показателей добычи фрезерного торфа. — JL: ВНИИТП, 1980 .76 с.

76. Петровский Е.Е., Меле JI.C. Технологические регламенты на проведение операций добычи фрезерного торфа. JI.: Изд. ВНИИТП, 1986. 37 с.

77. Пиуновский И.И. Дальность полета торфяной крошки и ее распределение по ширине захвата // Тр. Инсторфа АН БССР, 1959, т. VIII. с. 192-198.

78. Попов Е.П. Теория и расчет гибких упругих стержней. М.: Наука, 1986. 296 с.

79. Поцюнас А.Ю., Валюнас К.Ю. Экспериментальные исследования работы ворса ротационной щетки // В сб. "Механика". Каунас, 1972. Вып. 3. с. 35-36.

80. Прав дин В.И. Основные кинематические характеристики щеточных метателей / Совершенствование процессов добычи и переработки торфа // Сб. науч.тр. Вып. 57. Д.: Изд. ВНИИТП. 1986. с. 57-63.

81. Пятков Ф.Ф. Совершенствование процесса сушки торфяной крошки на основе управления операций фрезерования. Автореферат диссертации канд.техн.наук. Тверь: ТвеПИ, 1992. 20 с.

82. Розин JI.A. Метод конечных элементов в применении к упругим системам. — М.: Стройиздат, 1977. 128 с.

83. Саламандра Г.Л. Фотографические методы исследования быстропротекающих процессов. М.: Наука, 1974. 200 с.

84. Самсонов JI.H. Фрезерование торфяной залежи. — М.: Недра, 1985. 211 с.

85. Метод оценки эксплуатационных показателей работы фрезерующих устройств / JI.H. Самсонов, Б.Ф. Зюзин, В.Ф. Синицын и др. // Торфяная промышленность, 1988. № 11. с. 13-15.

86. Сегерлинд JI. Применение методов конечных элементов. — М.: Мир, 1979. 392 с.

87. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике М.: Наука, 1981. 448 с.

88. Смирнов В.И. Исследование по интенсификации сушки верхового фрезерного торфа в тонких слоях. Автореферат диссертации канд.техн.наук. Калинин, 1966. 20 с.

89. Соколов И.Д. Исследование процесса сушки фрезерного торфа // В сб. "Итоги работ по фрезерному способу добычи торфа". М.-Д.: Госэнергоиздат, 1959. с. 50-72.

90. Солопов С.Г., Горцакалян Л.О. Вопросы пневмотранспорта фрезерного торфа в горизонтальных трубах // Торфяная промышленность, 1961. № 6. с. 611.

91. Справочник по торфу / Под ред. A.B. Лазарева и С.С. Корчунова. М.: Недра, 1982 . 760 с.

92. Степанов И.Р. Определение количества циклов фрезерного торфа в зависимости от погодных условий // За торф, индустрию, 1935. №9. с. 25-27.

93. Столбикова Г.Е. Исследование процессов сушки низинного фрезерного торфа в тонком расстиле при коротких циклах производства. Автореферат диссертации канд.техн.наук. Калинин, 1969. 28 с.

94. Таганцева Т.Ф. // Торфяная промышленность, 1956. №5. с. 30-32.

95. Технология и комплексная механизация разработки торфяных месторождений / А.Е. Афанасьев, Л.М. Малков и др. М.: Недра, 1987. 311 с.

96. Торфяные машины и комплексы / С.Г. Солопов, JT.O. Горцакалян, JI.H. Самсонов. -М.: Недра, 1973. 384 с.

97. Торфяные машины и комплексы / С.Г. Солопов, JI.O. Горцакалян, Л.Н. Самсонов, В.И. Цветков. -М.: Недра, 1981. 416 с.

98. Черникова Л.С. Основные положения метода аналитического решения задачи о работе ворса щеточных устройств // Тр. Ин-та / ВНИИКоммунмаш. Л., 1970. Вып. 2. с. 60-66.

99. Чигарев A.B., Кравчук A.C., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: Справочное пособие. — М.: Машиностроение 1, 2004. - 512 с.

100. Шпынев В.М. Саморазогревание торфа и внешние факторы. // Торфяная промышленность, 1983. №12. с. 22-30.

101. Шпынев В.М. Исследовать условия накопления и стекания зарядов с поверхности штабелей фрезерного торфа с целью торможения процесса саморазогревания. / Отчет НИР. №ГР 01840051731. Калинин: КИИ. 1984. 96 с.

102. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года. М.: ГУ ИЭС Минэнерго России, 2001. 544 с.

103. Яконовская Т.Б., Яконовский П.А. Роль и эффективность интеграционных объединений в торфяной сфере //Экономист, 2007. №10, с. 93-96.

104. Яконовский П.А. Исследование режимов работы роторно-лопастного щеточного метателя для разбрасывания торфа и нефтепоглощающего сорбента. Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2008.-№ 2,- с. 328-332.

105. Яконовская Т.Б. Совершенствований экономического механизма управления торфодобывающей отраслью (на примере Тверской области). Автореферат диссертации канд.экон.наук. Тверь, 2009. 18 с.

106. ANSYS Online Manuals. Release 5.5. User Programmable Features. 1999.

107. Bridgman P.W. Dimensional analysis. New Haven: Yale University Press, 1932.-644 p.

108. Jeans J.H. The Dyhamical Theory of Gases. Cambridge University Press, 1925.-284 p.

109. ГОСТ 11303-75. Торф. Метод приготовления аналитических проб.

110. ГОСТ 11305-83. Торф. Методы определения влаги.