Введение к работе
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 А.В., Зюзин Б.Ф., Кислов Н.В., Кондратьев A.B., Лукьянчиков А.Н., Михайлов А.В., 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 оборудования 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 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 8.207-76.
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 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).
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.
3.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 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).
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 Oy (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 №10039).
Объем и 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. А.С. 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.
