Введение к работе
Актуальность работы. По данным Международного торфяного общества торфяные ресурсы в России составляют одну четверть всех мировых запасов. При образовании торфа происходит преобразование органического вещества с образованием многих химических веществ, среди которых наиболее ценными для бальнеологического и биохимического использования являются гуминовые и фульво кислоты.
Из литературных источников известно, что для биохимичес-
кой переработки пригодно торфяное сырье, имеющее 35…45% степень разложения, содержащее в своем составе более 20% гуматов при зольности менее 12% и содержании серы менее 0.3%. Такое сырье так же не должно содержать соединений тяжелых металлов. Рыночная стоимость продукта из такого сырья после биохимической переработки значительно превышает себестоимость добычи и его последующей переработки.
Мощность торфяного слоя, годного для биохимического использования, составляет обычно 0.7…1.3 м и располагается в средних слоях торфяной залежи на глубине от 0.7м. В настоящее время добыча этого ценного сырья ведется, как правило, вручную в короткий летне-осенний период. При механизированной добыче такого торфяного сырья целесообразно использовать селективный способ извлечения при минимальном техногенном воздействии на окружающую среду.
Таким образом, создание добычного комплекса для устойчивой круглогодичной селективной добычи торфяного сырья в условиях умеренного климата при минимальном техногенном воздействии на окружающую среду является в настоящее время весьма актуальной задачей.
Исследованием свойств торфяных залежей и процессов ее добычи занимались ученые: Л.С. Амарян, В.И. Косов, В.А. Миронов и ряд других ученых; разработкой торфяных машин - Ф.А. Опейко, А.В. Михайлов, Н.В. Кузнецов, Б.Ф. Зюзин, В.К. Фомин, М.В. Мурашов, Л.Н. Самсонов; резанием торфа и грунтов в обычном и мерзлом состоянии - В.П. Горячкин, Н.И. Васильев, А.Н. Зеленин,
К.А. Зворыкин и другие исследователи.
Учитывая тот факт, что вопрос механизированной добычи торфяного сырья для биохимического использования в осенне-зимний период при селективной выемке вертикальным шнековым исполнительным органом недостаточно изучен, а весь технологический процесс желательно осуществлять единым шнековым устройством, необходимо проведение дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.
Цель работы: установление закономерностей перемещения по винтовой поверхности шнекового става торфяного сырья из залежи на поверхность для обоснованного выбора основных параметров исполнительного органа малогабаритной установки селективной добычи ценного торфяного сырья для биохимического использования.
Основная идея работы: повышение эффективности добычи торфяного сырья достигается путем увеличения сил сопротивления тангенциальному движению отделенного от залежи торфа о стенки кожуха шнекового исполнительного органа устройства.
Для достижения поставленной цели решены следующие
основные задачи:
-
Проведен анализ способов и техники селективной добычи торфяного сырья, определены физико-механические свойства торфа в залежи и добываемого торфяного сырья для биохимического использования.
-
Изучены конструкции шнековых исполнительных органов и требования, предъявляемые к шнековому бурению. Проведен анализ влияния физико-механических свойств торфа на процессы резания торфа в обычном и мерзлом состоянии, транспортирования торфяного сырья из залежи устройствами шнекового типа.
-
Проведена экспериментальная оценка предельного угла трения скольжения торфяного сырья по поверхности трения при отрицательных и положительных температурах; дана оценка эффективности вертикального перемещения торфяного сырья без учета и с учетом оребрения внутренней поверхности кожуха шнекового исполнительного органа.
-
Выявлены рациональные геометрические параметры шнекового исполнительного органа установки для селективной добычи торфяного сырья.
-
Предложена конструкция установки со шнековым исполнительным органом для осуществления технологии круглогодичной селективной добычи торфяного сырья для бальнеологического использования.
-
Проведены полевые испытания модели прототипа исполнительного органа по оценке работоспособности установки для
селективной добычи торфяного сырья.
Методы исследования. Основные теоретические результаты получены с использованием методов теоретической механики, трибологии и триботехники. В исследованиях использовался комплексный подход, включающий системный анализ. Экспериментальные исследования проведены на оригинальных стендах. Для обработки экспериментальных данных применены методы математической статистики.
Научная новизна:
1. Установлено, что функциональная зависимость предельного угла трения скольжения торфяного сырья о поверхность шнека для материалов оцинкованная сталь и АБС-пластик при температуре окружающей среды от -20С до +20С в функции влажности этого сырья имеет экстремум в диапазоне относительной влажности сырья 86…91%.
2. Доказано, что оребрение кожуха шнекового исполнительного органа для шнеков диаметром до 104 мм установки селективной добычи торфяного сырья способствует повышению ее производительности на 15-25% в зависимости от температуры и физико-механических свойств этого сырья.
Защищаемые научные положения:
1. Экспериментально установлено, что предельный угол трения скольжения, являющийся эквивалентом коэффициента трения скольжения торфяной массы о поверхность шнека исполнительного органа, зависит от влажности торфяного сырья и для стальной оцинкованной поверхности имеет экстремум в диапазоне влажности 86…91% для температур -20С…+20С.
2. Экспериментально установлено, что материал шнека оказывает влияние на предельный угол трения скольжения, при этом шнек со стальной оцинкованной поверхностью способствует снижению величины предельного угла трения до 7% по сравнению с углом трения о поверхностью шнека, армированной гладким пластиком такой же величины шероховатости поверхности, а армирование шнека шероховатым пластиком с высотой неровностей до 0.2 мм - увеличивает на 25…60% этот предельный угол трения в зависимости от состояния торфяного сырья и температуры окружающей среды.
3. Экспериментально установлено, что применение негладкого (оребренного) кожуха шнека обеспечивает прирост производительности от 15% до 25% при работе исполнительного органа установки для селективной добычи торфяного сырья в зависимости от физико-механических свойств этого сырья, при этом для шнеков диаметром до 104 мм наибольший прирост производительности соответствует углам подъема шнековой спирали в диапазоне 20…21.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается их согласованностью с общепризнанными представлениями и физическими закономерностями внешнего трения, корректностью построения расчетных моделей, а также удов-летворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы:
1. Определены рациональные геометрические параметры шнекового исполнительного органа устройства по патенту РФ
№ 2412353 для селективной добычи торфяного сырья.
2. Разработана конструкция шнекового устройства для селективной добычи торфяного сырья на базе погрузчика Bobcat S150, принятая для изготовления в ОАО “ЦНИТА”.
Апробация работы. Основные положения работы, результаты проведенных автором исследований докладывались на: научных конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2009 - 2010 г.г.), XIV Международной конференции в институте Природопользования (Вроцлав, Польша, 2009), Международной конференции в Краковской горно-металлургической академии в 2008г., ежегодной Международной конференции молодых ученых «Challenges and Solutions in Mineral Industry» во Фрайбергской горной академии (Германия, Фрайберг, 2010).
Личный вклад автора. Сформулированы задачи исследований, разработана методология их решения, созданы лабораторные стенды и проведены экспериментальные исследования по оценке эффективности транспортирования торфяного сырья с влажностью 75…93% как в нормальном, так и замороженном состоянии; установлены рациональные углы подъема шнековой спирали для транспортирования замороженного торфяного сырья. Предложен вариант усовершенствованной конструкции шнекового исполнительного органа для круглогодичной добычи торфяного сырья.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность: профессору П.Г. Талалаю, коллективу кафедры Конструирования горных машин и технологии машиностроения и особенно доц. А.В. Большунову и аспиранту Д.О. Нагорнову, а так же генеральному директору ЗАО ”Эс-сервис” А.В. Варнакову и начальнику СКБЭ И.И. Семенкову за консультации, организационную помощь и возможность использования приборной базы в подготовке и проведении экспериментальных исследований.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемом журнале перечня ВАК РФ, получен 1 патент.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы из 95 наименований. Общий объем содержательной части составляет 144 страниц машинописного текста, содержит 4 таблицы, 79 рисунков и 2 приложения.
Похожие диссертации на Обоснование параметров шнекового исполнительного органа установки для селективной добычи торфяного сырья
