автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.05, диссертация на тему:Создание высокоэффективных валковых сепараторов торфяных машин и оборудования

2.2. Анализ причин низкой эксплуатационной надежности известных конструкций валковых сепараторов

2.3. Определение вероятностно-статистических коэффициентов, характеризующих соотношение размеров сечения древесных и каменных включений

2.4. Теоретические исследования и обоснование параметров валкового сепаратора с шахматным расположением дисков

2.5. Оптимизация параметров сепарирующего устройства с эластичными втулками

2.6. Исследование и определение рациональных параметров валкового сепаратора с приближенными дисками

2.7. Конструктивные особенности новой схемы сепаратора с приближенными дисками дугообразной формы

2.8. Программа и методика экспериментальных исследований

2.8.1. Программа исследований работоспособности сепараторов валкового типа

2.8.2. Описание экспериментальных установок валковых сепараторов

2.8.3. Характеристика используемого материала и методика проведения исследований

2.9. Экспериментальная проверка надежности работы сепарирующих устройств

2.9.1. Исследование процессов заклинивания пней и камней на валковом сепараторе с шахматным расположением дисков

2.9.2. Изучение работоспособности сепарирующего устройства с эластичными втулками

2.9.3. Результаты испытаний валковых сепараторов с приближенными дисками

Выводы

5.2. Теоретические исследования процесса транспортирования твердых включений на желобообразном сепарирующем устройстве

5.3. Экспериментальные исследования движения компонентов сепарируемой смеси на трехпоточном валковом сепараторе

5.4. Исследование устройства для отряхивания пней от налипшего на них торфа

Выводы

6. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫБОРА СХЕМЫ И РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ВАЛКОВЫХ СЕПАРАТОРОВ

6.1. Выбор схемы и некоторых параметров сепарирующего устройства с позиции качественного разделения компонентов исходной смеси

6.2. Расчет основных конструктивных параметров валковых сепараторов

6.3. Обоснование конструкций сопряжения подвижных элементов сепаратора с неподвижными и с заборными рабочими органами торфяных машин

Выводы

7. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ

ПРОВЕДЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

7.1. Практическое применение результатов исследований

7.2. Оценка экономической эффективности использования разработанных конструкций валковых сепараторов

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ

8

ния и поиска путей создания новых высокоэффективных и надежных машин и механизмов, обеспечивающих качественное и производительное выполнение технологических процессов добычи и переработки торфяного сырья. В связи с этим исключительно важную роль во всем комплексе операций добычи и переработки торфяной продукции играют процессы очистки торфяной залежи от древесных включений, осуществляемые в основном машинами МТП-26, МТП-81, МТП-84 и МП-20 [6].

Качественные показатели процессов выделения древесины из торфа зависят, главным образом, от надежности и эффективности работы валковых сепараторов корчевательных и фрезерных машин. Однако практика эксплуатации сепарирующих устройств валкового типа показала недостаточно надежную и недостаточно качественную их работу. Нерешенность вопросов заклинивания пней между рабочими элементами сепаратора и наматывания волокнистой растительности на валы устройства наряду с другими причинами, обуславливает низкую эксплуатационную надежность активных корчевателей, производительность которых снижается в 2-3 раза [7, 8]. А из-за низкой интенсивности процесса разделения вынос с валковых сепараторов слаборазложившегося торфа вместе с пнями доходит до 70% на корчевателях и до 30% на машине глубокого фрезерования [9].

Сельскохозяйственное освоение выработанных торфяных месторождений Северо-Западных и Центральных районов Нечерноземья России неизбежно столкнется с проблемой очистки остаточного слоя торфа не только от древесных включений, но и от камней, так как подстилающий минеральный грунт залежей этих областей засорен валунной каменистостью ледникового происхождения. Опыт применения валковых сепараторов на камнеуборочных машинах при проведении культуртехнических работ также указывает на нерешенность отмеченных недостатков - заклива-ние камней, наматывание растительности, залипание почвой, низкое качество сепарации [10].

Таким образом, совершенствование конструкций известных валковых сепараторов и создание новых высокоэффективных и надежных сепарирующих устройств валкового типа является важной и актуальной научно-

13

при его непосредственном участии были разработаны и изготовлены ла-бораторно-экспериментальные и опытно-промышленные образцы валковых сепараторов, предложены методики проведения экспериментов, выполнены научные исследования, созданы принципиально новые конструкции сепарирующих устройств и разработаны методики инженерного расчета их основных параметров.

Работа выполнялась на кафедрах «Торфяные машины и оборудование», «Строительные, дорожные машины и оборудование» в соответствии с тематическими планами научно-исследовательских работ: «Проблемы механизации и автоматизации горного производства» и «Разработать перспективную систему машин для комплексной механизации сельскохозяйственного производства на 1996-2005 гг., часть III. Мелиорация».

19

сткие требования, включающие не только уборку древесных включений длиной более 20...30 см, но и очистку подготавливаемого почвенного слоя от камней более 2...5 см [52]. В связи с этим удаление камней целесообразно по возможности совмещать с вычесыванием древесных остатков из торфяно-минеральной почвы. На землях засоренных камнем (в любой степени) применять активные корчеватели МТП-81А, МТП-81, МТП-26 и машины глубокого фрезирования нельзя. Поэтому для выполнения операций по очистке почвенного слоя от древесных и каменных включений можно использовать мелиоративную технику [53].

Так, например, корчевку пней, крупных и средних камней 30-100 см следует проводить корчевателями общего назначения ДП-8А, МП-8, КБП-2, корчевателями- собирателями КСП-20, МП-2Б и плоскорезом МП-9. Подборку каменных включений с поверхности поля можно осуществлять камнеуборочными машинами ПСК-1, УКП-06 и УКП-07, причем последние две машины могут убирать и небольшие камни 12-30 см. Технология же уборки мелкого камня 5-10 (12) см с сельскохозяйственных полей по-прежнему в настоящее время остается недостаточно механизированной [54]. По этой причине мелкие камни, как правило, убираются вручную.

Сложность удаления мелкого камня заключается в том, что на сепарирующем устройстве машины необходимо просеять практически весь пахотный слой. При этом сепаратор камнеуборочной машины должен отвечать требованиям надежности и эффективности работы. Вот почему создание надежного и эффективного сепаратора позволило бы не только результативно осваивать выработанные торфяники, но и, одновременно, решить проблему уборки мелкого камня с эксплуатируемых сельхозугодий, где ежегодно государство несет огромные убытки [55]. Отсутствием таких сепарирующих устройств и объясняется нерешенность вопроса механизированной уборки мелкого камня.

83

ной конструкции является то, что при синхронном вращении валов зазор между торцом диска и ступицей остается неизменным, предупреждая тем самым торцевое заклинивание, т.е. защемление твердого включения между диском и валом. Предотвращение же заклинивания между перекрывающимися дисками достигается известным способом, когда угол между гранями перекрывающихся дисков при их вращении всегда находится в пределах 56 -90°.

Взаимосвязь конструктивных параметров нового сепаратора рассмотрим на примере устройства с круглыми дисками /129/, схема которого представлена на рисунке 2.33. Перечислим основные параметры сепаратора: А - межцентровое расстояние между валами; £> и Д,п - диаметры описанной и вписанной окружностей диска; Д> - диаметр геометрической формы (круга) диска; ¿/-диаметр вала сепаратора, е - эксцентриситет посадки диска на валу (расстояние от оси вала до геометрического центра круга диска); £>с и £>с.вп - соответственно диаметры описанной и вписанной окружностей ступицы; Ьс - зазор между торцом диска и ступицей; (3 - угол между перекрывающимися дисками. Уравнение для определения межцентрового расстояния между валами такого сепаратора будет следующим:

где Кд = An. ID - геометрический коэффициент диска, Кп = 2А / (D + Dm.) - коэффициент перекрытия дисков. Поскольку в рассматриваемой конструкции расстояние между валами равно промежутку между центрами геометрической формы дисков (А=А'), то коэффициент перекрытия будет отвечать следующему условию -Ка = A/Dq. Учитывая, что A=D0 ■ cos (5/2 коэффициент перекрытия будет определяться соответствующей зависимостью:

Связь между диаметрами дисков О иД будет выражаться следующим соотношением:

А = [DKn (1 + Кд)] / 2,

(2.19)

Кп - cos ¡3/2

(2.20)

D = D0 + 2s

(2.21)

90

Рис. 2.39. Графическая зависимость диаметра диска от диаметра вала

Рис. 2.40. Графическая зависимость геометрического коэффициента Кд от диаметра вала сУ

92

Подобные конструкции сепарирующих устройств, обеспечивающие постоянство зазора между ступицей и диском при вращении валов, могут быть выполнены и с другими дисками дугообразного профиля (например, диски овальной трехгранной или эллипсообразной формы). Схема валкового сепаратора с эллипсовидными приближенными дисками представлена на рисунке 2.42. Там же указаны основные конструктивные параметры сепарирующего устройства. Межцентровое расстояние А будет определяться по уравнению 2.19, т.е. аналогично схеме сепаратора с круглыми дисками. При этом коэффициент перекрытия Кп выбирается согласно численному значению угла /3> 60° для положения дисков, как показано на рисунке 2.42, когда вершины перекрывающихся дисков находятся ниже осевой линии. В связи с этим коэффициент перекрытия дисков может принимать достаточно широкий спектр численных значений от 0,6 до 0,9 в зависимости от соотношения диаметров вписанной и описанной окружностей диска учитываемого геометрическим коэффициентом. В свою очередь коэффициент Кд для эллипсовидных дисков может приниматься от 0,5 до 0,9. Параметры ступицы сепаратора данной конструкции также находятся в тесной зависимости от диаметра диска Д его геометрического коэффициента Кд и коэффициента перекрытия дисков К„. Поэтому диаметр вписанной окружности ступицы Д.вп. будет определяться по уравнению 2.24, а диаметр описанной окружности ступицы Д по следующему выражению: йс = 2 (А-Ь^-И Кд (2.28)

Рассмотренные схемы сепарирующих устройств с дугообразными дисками позволяют избежать зависимости конструктивных параметров от размерных характеристик твердых включений. Поэтому в пределах допустимых размеров диаметров дисков можно конструировать валковые сепараторы практически с любым геометрическим коэффициентом диска.

Итак, проведенные аналитические исследования позволили обосновать рациональные схемы валковых сепараторов из условия предотвращения заклинивания твердых включений. Подробно рассмотрена взаимосвязь конструктивных параметров сепарирующих устройств с учетом фи-

93

зико-механических свойств и размерных характеристик пней и камней. Разработаны новые схемы валковых сепараторов, соотношение рабочих элементов которых практически не зависит от размерных характеристик твердых включений. Для всех сепарирующих устройств обозначены границы оптимальных численных значений конструктивных параметров.

С целью подтверждения правильности сделанных выводов необходимо провести экспериментальные исследования валковых сепараторов.

2.8. Программа и методика экспериментальных исследований

2.8.1. Программа исследований работоспособности сепараторов валкового типа

По результатам проведенных теоретических исследований были разработаны предпосылки по определению основных конструктивных и кинематических параметров валковых сепараторов из условия предотвращения заклинивания пней и камней. Кроме того, были разработаны новые схемы сепарирующих устройств. Однако, поскольку предварительные исследования выполнены с некоторыми допущениями и упрощениями, необходимо экспериментально проверить выводы теоретических изысканий.

В связи с этим программа экспериментальных исследований надежности работы валковых сепараторов включала решение следующих задач:

- изучение интенсивности (частоты) заклинивания древесных и каменных включений на сепараторе с шахматным расположением дисков в зависимости от изменения его конструктивных и кинематических параметров;

- определение влияния интенсифицирующих средств на частоту заклинивания твердых включений;

- проверка работоспособности сепарирующего устройства, параметры которого выбраны из условия предотвращения заклинивания пней и камней;

98

Общий вид лабораторного стенда с приближенными зубчатыми дисками представлен на рисунке 2.46. Зубчатые диски закреплены на валах с перекрытием так, что каждый диск своей одной боковой поверхностью приближен к диску соседнего вала, как это показано на рисунках 2.21 и 2.22. При этом напротив каждого диска на соседнем валу установлен конусный выступ. Устройство выполнено с возможностью изменения расстояния между дисками (рабочий просвет) в осевом направлении вала от 40 до 100 мм.

Конструкция валкового сепаратора с приближенными круглыми дисками, установленными на валах с эксцентриситетом представлена на рисунке 2.47. Напротив каждого диска на соседнем валу установлена с эксцентриситетом ступица круглой формы. Валы с дисками установлены на раме так, что между торцом диска и ступицей образован зазор 4-7 мм, который остается постоянным при вращении дисков.

Виды дисков применявшихся для исследований работоспособности сепарирующих устройств показаны на рисунке 2.48.

2.8.3. Характеристика используемого материала и методика проведения исследований

Для изучения процесса заклинивания твердых включений на валковом сепараторе и проверки его работоспособности применялись сосновые древесные включения отобранные на производственных площадях Емельяновского торфопредприятия. С целью наиболее благоприятного попадания древесины в промежутки между рабочими элементами сепарирующего устройства корневые остатки предварительно распиливались на куски длиной 0,12+0,20 м. При этом древесные включения были подобраны так, что хотя бы один размер поперечного сечения древесины был меньше расстояния между дисками. Например, для стенда с промежутком между дисками а = 40 мм была приготовлена древесина с меньшим размером поперечного сечения п < 40 мм. На основании статистических данных соотношения размеров поперечного сечения древесины, была состав

102

2.9. Экспериментальная проверка надежности работы сепарирующих устройств.

2.9.1. Исследование процессов заклинивания пней и камней

на валковом сепараторе с шахматным расположением дисков

Исходя из теоретических исследований процесса защемления твердых включений между рабочими элементами сепаратора было установлено, что для исключения заклинивания между смежными дисками необходимо и достаточно, чтобы угол между их гранями всегда был больше удвоенного угла трения камня или древесины по стали (/? > 56-60°). Поскольку правильность данного вывода неоднократно подтверждалась в ранее опубликованных работах [31, 101, 102, 114, 118], то экспериментальные исследования были в основном направлены на устранение заклинивания твердых включений между диском и валом. При этом конструкции лабораторных стендов были выполнены с учетом требований предотвращения заклинивания между дисками, т.е. угол /?> 60-90°.

Прежде чем перейти к проверке работоспособности валкового сепаратора, параметры которого определены с учетом условий предотвращения заклинивания, рассмотрим влияние конструктивных и кинематических характеристик сепарирующего устройства на интенсивность заклинивания твердых включений. Экспериментальные исследования были проведены на лабораторных стендах валкового сепаратора (рис. 2.43, 2.44). В качестве материала использовались древесные и каменные включения.

Известно, что с увеличением угла наклона сепарирующей поверхности к горизонту эффективность процесса сепарации повышается [69, 102, 137]. Это связано с изменением траектории полета сепарируемых частиц, которая становится более крутой, приближаясь к 90°. Вследствие этого количество встреч материала с поверхностью сепаратора увеличивается, а значит и вероятность заклинивания твердых включений должна повышаться.

108

кращением при этом числа древесных и каменных включений, которые могли бы застрять между диском и валом. Следовательно, с возрастанием параметра Ъ вероятность заклинивания твердых включений снижается, что полностью согласуется с выдвинутой гипотезой при теоретическом анализе процесса заклини