Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Теоретические и экспериментальные предпосылки ворошения фрезерного торфа в расстиле щеточным рабочим органом 14
1.1. Теоретические основы интенсификации сушки фрезерного торфа 14
1.2. Обзор экспериментальных и теоретических работ по использованию щеточных машин в различных процессах торфодобычи 25
1.3. Постановка задач и выбор методов исследования 37
ГЛАВА 2. Анализ процесса сметания в расстиле фрезерного торфа щеточным рабочим органом ворошилки 40
2.1. Технологическое обоснование процесса ворошения фрезерного торфа в расстиле щеточным рабочим органом 40
2.2. Исследование процесса отбрасывания фрезерного торфа в расстиле щеточным рабочим органом 45
2.3. Выбор параметров щеточного рабочего органа ворошилки обеспечивающих сметание торфа в расстиле без пропусков 53
ГЛАВА 3. Разработка методики численного моделирования процесса взаимодействия цилиндрической щетки с торфяным основанием 62
3.1. Особенности метода конечных элементов 62
3.2. Численное моделирование процесса взаимодействия сметающего элемента щетки с торфяным основанием 65
3.3. Численное моделирование контактного взаимодействия ворса с торфяным основанием 75
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование процесса ворошения фрезерного торфа цилиндрической щеткой 86
4.1. Методика проведения экспериментальных исследований 86
4.2. Исследование влияния размерно-массовых характеристик фрезерного торфа на процесс отбрасывания в расстиле 90
4.3. Исследование влияния основных параметров щеточного рабочего органа на процесс сметания торфа в расстиле 96
4.4. Исследование энергетических показателей операции ворошения 100
Заключение 107
Библиографический список 109
- Обзор экспериментальных и теоретических работ по использованию щеточных машин в различных процессах торфодобычи
- Исследование процесса отбрасывания фрезерного торфа в расстиле щеточным рабочим органом
- Численное моделирование процесса взаимодействия сметающего элемента щетки с торфяным основанием
- Исследование влияния размерно-массовых характеристик фрезерного торфа на процесс отбрасывания в расстиле
Введение к работе
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
5 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:
Фрезерный торф в виде россыпи для сжигания во взвешенном состоянии;
Кусковой торф, малой степени прессования, производимый непосредственно на торфяной залежи;
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
7 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 О.А., Варенцов B.C., Гамаюнов Н.И., Копенкин В.Д., Костюк Н.С., Лазарев А.В., 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 А.В., 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.
8 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:
Траектория отбрасывания фрезерной крошки зависит от параметров щеточного рабочего органа и размерно-массовых характеристик торфа.
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.
Угол скоса рабочей части ворса щетки определяет фактическую площадь контакта с торфяным основанием и величину контактных напряжений в верхнем слое торфяной залежи.
Рабочая часть ворса должна подрезаться под углом (Зо=25...30 в плоскости сметания с целью минимизации подфрезеровывания верхнего слоя залежи.
Принцип переворачивания расстила на 180 заключается в разделении сырых и сухих частиц фрезерного торфа при отбрасывании щеточным рабочим
10 органом ворошилки и реализуется в диапазоне окружных скоростей щетки по
концам ворса 0)0=5,5...6,5м/с.
Научная новизна исследований:
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.
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.
Обоснован принцип переворачивания расстила на 180 путем выбора оптимальных пределов варьирования основных параметров щеточной ворошилки.
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 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 «ANSYS», разработана методика
12 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».
13 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.
Обзор экспериментальных и теоретических работ по использованию щеточных машин в различных процессах торфодобычи
Впервые щеточное оборудование в торфяной технике использовалось в 1931 г., когда Инсторфом был спроектирован механический комбайн МК-1, который выполнял одновременно уборку сухой торфяной крошки из расстила, ее транспортирование за пределы рабочего поля и фрезерование залежи. Комбайн был оборудован цилиндрической уборочной щеткой, шнеком-метателем, скребковыми элеваторами и фрезерным барабаном.
Заменила комбайн МК-1 уборочная машина УМФ-2, созданная в 1936 г. в ВИМТ. Принцип действия рабочего органа машины УМФ-2 был аналогичен МК-1, отличие заключалось в том, что захват сухого фрезерного торфа производился при помощи щетки, снабженной резиновыми язычками.
В тоже время рассматривались варианты применения щеточных метательных устройств в пневматических комбайнах. Так в 1933г. были проведены испытания щеточного пневматического комбайна. Эта машина представляла собой активное сопло, в котором торф подавался к соплу механическим путем с помощью шнековой щетки. Щетка состояла из двух барабанов, расположенных с двух сторон щели сопла. На барабанах были навиты спирали из уголков, к которым прикреплялась окантовка из резиновой ленты. При вращении барабанов, шнековая щетка подавала торф в виде валика к щели сопла, через которую он засасывался вместе с воздухом.
В начале 70-х годов во ВНИИТП были начаты работы по изучению ворошения, валкования и уборки фрезерного торфа щеточными устройствами с капроновым и металлическим ворсом. В это же время были созданы первые опытные образцы щеточных валкователей. За рубежом машины подобного типа разрабатывают с начала 90-х годов и наибольшее распространение получили щеточные машины для добычи фрезерного торфа фирм «VAPO» (Финляндия), и «Bord па Мопа» (Ирландия).
В настоящее время наиболее полное обобщение и систематизация накопленного опыта в рассматриваемой области и изложение вопросов теории и расчета щеточных рабочих органов в машинах для добычи фрезерного торфа приведено в работах Михайлова А.В. Основная часть исследований Михайлова А.В. [59, 62, 63, 64,], посвящена процессу взаимодействия цилиндрической щетки с торфяной залежью и торфом на операциях ворошения, валкования и уборки фрезерного торфа, определены оптимальные параметры и кинематика активной щетки, изучены закономерности движения торфяной массы при сметании с поверхности торфяного поля, обоснована энергоемкость процесса сметания фрезерного торфа.
Основными кинематическими параметрами щеточного рабочего органа ворошилки являются - окружная скорость щетки vo и поступательная скорость машины я)п, радиус щетки Rm, число сметающих элементов в плоскости сметания z, подача на один сметающий элемент с, скорость отбрасывания торфа DOT, радиальная деформация щетки по ворсу Ъв и др.
Щетка со сплошным ворсом может быть условно рассмотрена как щетка, состоящая из определенных гусл сметающих элементов. Под условным сметающим элементом следует понимать пучок ворса, заключенный в секторе угла ув, в котором находятся ig ворсинок, образуя сжатый пучок, характеризующий сметающую способность щетки и ее жесткость при данной деформации ворса [39].
При изучении процесса ворошения щеткой необходимо знать форму - траектории движения сметающего элемента и ее уравнение. Аналогично процессу фрезерования торфяной залежи элемент щетки z при 1ів=0 совершает сложное движение, состоящее из относительного — вращательного вокруг оси со скоростью DO и переносного — поступательного Dn. Различные соотношения скоростей относительного и переносного движения А,= Do/Dn, называются основным кинематическим параметром и определяют траекторию движения сметающего элемента. 1.2.3) где AL0 - величина просадки ворса, м; Rni - радиус щетки по ворсу, м; А диаметр щетки, м; іобщ — количество ворсинок; L0 - начальная длина прутка ворса щетки, м; ищ - окружная скорость щетки, м/с; аг-0,480 — коэффициент пропорциональности; кЕ — коэффициент, учитывающий уменьшение модуля упругости материала ворса в эксплуатационных условиях, который следует принимать: кЕ = 0,6... 1,0 (в зависимости от характера выполняемого расчета). Определению основных параметров и режимов работы щеточных устройств подметальных машин посвящены работы Карабана Г.П. [38, 39, 40, 58]. Карабан Г.П. разделял цилиндрические щетки по расположению ворса на каркасе на два вида. В щетках первого вида ворс размещен равномерно, щетки второго вида собраны из отдельных обычно шесть-восемь метелок. Им получена зависимость для определения, количества ворсинок которое необходимо разместить на цилиндрической щетке. Для цилиндрической щетки первого вида где у - вертикальный прогиб ворса, м; х - горизонтальный прогиб ворса, м. Установка вращающейся щетки с целью уборки фрезерного торфа и одновременного пневматического транспортирования его в бункер пневмоуборочной машины была осуществлена Валюнасом К.Ю. [21, 80]. Причем щетка устанавливалась так, что происходило активное воздействие ворса щетки на расстил торфа (подметание), что обусловливало принудительную подачу торфа в пневмосистему. Подробно рассмотрен процесс взаимодействия ворса щетки с торфяной массой при забрасывании ее в поток всасывающего сопла и определены оптимальные конструктивные параметры ротационной щетки с капроновым ворсом. Исследованию локальной активизации расстила, создаваемой воздушным потоком, вследствие вращения капроновой щетки посвящены работы Горцакаляна Л.О., Ворзонина В.А., Солопова С.Г. [24, 27, 91, 92]. Горцакаляном Л.О. было предложено решение, при котором щетка устанавливалась относительно поверхности расстила так, что исключалось непосредственное ее контактирование с поверхностью расстила фрезерной крошки. Установлена физическая картина явлений, происходящих при совместной работе сопла и щеточного активизатора, где щеточный активизатор, установленный вблизи поверхности расстила с целью локальной активизации расстила, используется как возбудитель циркуляционных потоков. Как показали опыты, проведенные на машинах ППФ-5 и БПФ-ЗМ, сборы торфа и концентрация аэросмеси при установке локального щеточного активизатора значительно выше, чем без него.
Исследование процесса отбрасывания фрезерного торфа в расстиле щеточным рабочим органом
Под параметрами сметания фрезерного торфа понимаются величины, характеризующие процесс сбора фрезерной крошки с поверхности залежи и отбрасывания собранной массы в определенное место на торфяном поле Михайлов А.В. [65].
Одной из задач диссертационной работы является установление закономерностей сметания фрезерного торфа в расстиле при осуществлении технологической операции: ворошение щеточным рабочим органом.
Важнейшим показателем, характеризующим операцию, является траектория отбрасывания, которая существенным образом зависит от размерно-массовых характеристик фрезерной крошки.
Частицы измельченного фрезерного торфа обладают весьма разнообразной неправильной формой. Основная масса частиц каждой фракции характеризуется наличием большого количества острых граней, которые часто оканчиваются тонкими волокнами растительных остатков. Мелкие частицы (с1 2мм) обладают, как правило, меньшей угловатостью и более округлой формой. Для крупных фракций (d l2,5мм) верхового фрезерного торфа свойственно наличие плоских частиц. Частицы верхового торфа размером (о!=2-12мм) обладают продолговатой формой, близкой к двойной многогранной пирамиде или вытянутому эллипсоиду [41].
Известные аналитические методы рассматривают перемещение измельченных материалов как частный случай общей теории аэродинамики, изучающей течение газа и перемещение в нем твердых тел [46, 51]. Однако, вследствие сложности механизма взаимодействия частиц сыпучих материалов 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. Так согласно работам Кислова Н.В. [41, 42, 43] сила сопротивления воздуха действующая на частицу фрезерного торфа брошенную щеткой где ел - коэффициент лобового сопротивления, зависит от характера обтекания частицы на всем ее протяжении, формы и состояния поверхности; рв— плотность воздуха, кг/м3; F - площадь миделева сечения, т.е. сечения частицы плоскостью, перпендикулярной направлению движения, взятое в том месте частицы, где площадь сечения наибольшая, м; v — скорость частицы, м/с. У частиц торфа миделевы сечения, соответствующие различным осям симметрии, неодинаковы. Поэтому сила сопротивления воздуха Рс будет зависеть от того, какая ось симметрии совпадает с направлением движения частицы. Однако установить закономерность изменения площади миделевого сечения, а следовательно и силы сопротивления воздуха при перемещении частицы брошенной щеткой, невозможно так как частица вращается из за неравенства скоростей воздушного потока по противоположным сторонам частицы. Определение коэффициента лобового сопротивления Сл для частиц произвольной формы также представляет очень сложную задачу. Авторы большинства работ, посвященных изучению аэродинамических свойств сыпучих материалов, исходят из равенства коэффициентов лобового сопротивления неподвижных гладких шаров и частиц неправильной формы, движущихся в воздухе, что приводит к значительным ошибкам при вычислении скоростей витания. В работе [96] экспериментально установлено, что сила трения воздуха о боковую поверхность частицы торфа при обтекании ее воздушным потоком составляет всего лишь 4,1% от силы давления струи, что характерно для плохо обтекаемых тел. В работе [62] получено уравнение движения частицы торфа брошенной щеткой (1.2.16) в котором сила сопротивления воздуха определяется как P=kpmi)2= grm)2/us2, где DS - скорость витания частицы торфа произвольной формы определенная из работы [41]. где кф - коэффициент формы частицы кф=сл/с; Сл - коэффициент лобового сопротивления частицы произвольной формы; с - коэффициент лобового сопротивления эквивалентного шара; р - плотность частицы, кг/м3; рв -плотность воздуха, кг/м3; Ъ - диаметр эквивалентного шара, м.
Сопоставление значений скорости витания \ s рассчитанных по формуле (2.2.2) и экспериментальных значений для различных фракций измельченного торфа показывает удовлетворительную их сходимость [41]. Однако, экспериментальные исследования проводились с фрезерной крошкой уборочной влажности х =30-50%, в процессе ворошения значение влажности фрезерного торфа находиться в более широком диапазоне ш=20-82%.
Также уравнение движения частицы торфа брошенной щеткой (1.2.16) содержит существенные допущения, 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.
Учитывая вышеизложенное для установления полной картины физических явлений в процессе отбрасывания и нахождения функциональных связей между параметрами щеточного рабочего органа, размерно-массовыми характеристиками фрезерного торфа и технологическими параметрами операции необходимо использовать методы теории размерности и подобия.
Численное моделирование процесса взаимодействия сметающего элемента щетки с торфяным основанием
Так согласно работам Кислова Н.В. [41, 42, 43] сила сопротивления воздуха действующая на частицу фрезерного торфа брошенную щеткой где ел - коэффициент лобового сопротивления, зависит от характера обтекания частицы на всем ее протяжении, формы и состояния поверхности; рв— плотность воздуха, кг/м3; F - площадь миделева сечения, т.е. сечения частицы плоскостью, перпендикулярной направлению движения, взятое в том месте частицы, где площадь сечения наибольшая, м; v — скорость частицы, м/с. У частиц торфа миделевы сечения, соответствующие различным осям симметрии, неодинаковы. Поэтому сила сопротивления воздуха Рс будет зависеть от того, какая ось симметрии совпадает с направлением движения частицы. Однако установить закономерность изменения площади миделевого сечения, а следовательно и силы сопротивления воздуха при перемещении частицы брошенной щеткой, невозможно так как частица вращается из за неравенства скоростей воздушного потока по противоположным сторонам частицы. Определение коэффициента лобового сопротивления Сл для частиц произвольной формы также представляет очень сложную задачу. Авторы большинства работ, посвященных изучению аэродинамических свойств сыпучих материалов, исходят из равенства коэффициентов лобового сопротивления неподвижных гладких шаров и частиц неправильной формы, движущихся в воздухе, что приводит к значительным ошибкам при вычислении скоростей витания. В работе [96] экспериментально установлено, что сила трения воздуха о боковую поверхность частицы торфа при обтекании ее воздушным потоком составляет всего лишь 4,1% от силы давления струи, что характерно для плохо обтекаемых тел. В работе [62] получено уравнение движения частицы торфа брошенной щеткой (1.2.16) в котором сила сопротивления воздуха определяется как P=kpmi)2= grm)2/us2, где DS - скорость витания частицы торфа произвольной формы определенная из работы [41]. где кф - коэффициент формы частицы кф=сл/с; Сл - коэффициент лобового сопротивления частицы произвольной формы; с - коэффициент лобового сопротивления эквивалентного шара; р - плотность частицы, кг/м3; рв -плотность воздуха, кг/м3; Ъ - диаметр эквивалентного шара, м. Сопоставление значений скорости витания \ s рассчитанных по формуле (2.2.2) и экспериментальных значений для различных фракций измельченного торфа показывает удовлетворительную их сходимость [41]. Однако, экспериментальные исследования проводились с фрезерной крошкой уборочной влажности х =30-50%, в процессе ворошения значение влажности фрезерного торфа находиться в более широком диапазоне ш=20-82%. Также уравнение движения частицы торфа брошенной щеткой (1.2.16) содержит существенные допущения, 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. Учитывая вышеизложенное для установления полной картины физических явлений в процессе отбрасывания и нахождения функциональных связей между параметрами щеточного рабочего органа, размерно-массовыми характеристиками фрезерного торфа и технологическими параметрами операции необходимо использовать методы теории размерности и подобия. Теория размерности и подобия дает возможность теоретического анализа и выбора системы определяющих безразмерных параметров процесса отбрасывания фрезерного торфа в расстиле. Из работ Бриджмана П. В. [111], Джонса Дж.Х. [112], следует, что полное уравнение процесса отбрасывания, записанное в определенной системе единиц, может быть представлено функциональной зависимостью между критериями подобия, т.е. зависимостью, связывающей безразмерные параметры, определенным образом полученные из участвующих в процессе физических величин. Различные физические величины процесса отбрасывания связаны между собой определенными соотношениями. Поэтому если некоторые из этих величин принять за основные и установить для них определенные единицы измерения, то единицы измерения всех остальных величин будут выражаться через единицы измерения основных величин. Принятые для основных величин единицы измерения называются основными или первичными, а все остальные — производными или вторичными, тогда размерностью будет выражение производных единиц измерения через основные Седов Л.И. [88] Размерность записывается символически в виде формулы, в которой символ единицы длины обозначается L, символ единицы массы М, символ единицы времени Т.
Траектория отбрасывания фрезерного торфа зависит от размерно-массовых характеристик фрезерной крошки и параметров щеточного рабочего органа. Таким образом, физические закономерности процесса отбрасывания фрезерного торфа, устанавливаемые теоретически или непосредственно из опыта, представляют собой функциональные зависимости между параметрами щеточного рабочего органа, размерно-массовыми характеристиками фрезерного торфа и технологическими параметрами операции.
Исследование влияния размерно-массовых характеристик фрезерного торфа на процесс отбрасывания в расстиле
На основании геометрических моделей средствами программного комплекса «ANSYS» разработаны конечноэлементные модели щеточного рабочего органа рис. 17 и сметающего элемента щетки рис. 18. Для построения конечноэлементных моделей использовались тетраэдрические элементы первого порядка: тетраэдрические четырехузловые «SOLID72» со степенями поворота. тетраэдрические десятиузловые «SOLID92» с дополнительными узлами на ребрах тетраэдра.
Преимущество тетраэдрических элементов перед элементами с другой топологией заключается в том, что при их использовании обеспечивается возможность автоматического разбиения геометрической модели на конечные элементы [101, ПО]. Существующие в настоящее время алгоритмы разбиения на гексаэдрические элементы не обеспечивают возможности такой автоматизации разбиения для объемов сложной формы.
Конечноэлементная модель сметающего элемента щетки В дальнейшем рассматриваем только один сметающий элемент щетки так как, при определении вертикальной реакции на щетку, обусловленную упругими характеристиками щеточного рабочего органа, интерес представляет максимальное значение Pzo. Согласно принятому экспериментально обоснованному допущению [62], максимальное значение вертикальной реакции PzO соответствует положению ворса когда касательная к прутку в начале координат точки О, совпадающей с точкой крепления ворса в сметающем элементе щетки, направлена вертикально вдоль оси и начальный угол в месте крепления а 1=0. Очевидно, что такое положение ворс может занимать только в одном сметающем элементе щетки, находящимся в плоскости сметания. Другое преимущество рассмотрения только одного сметающего элемента щетки заключается в уменьшении элементов конечноэлементной модели, так конечноэлементная модель щеточного рабочего органа содержит 159080 тетраэдрических элементов первого порядка и 318520 узлов, а конечноэлементная модель сметающего элемента щетки содержит 19796 тетраэдрических элементов первого порядка и 39594 узла, что значительно экономит ресурсы вычислительной системы. Следующим этапом моделирования является выбор материала ворса, и средствами программного комплекса «ANSYS», ввод физико-механических параметров ворса в расчетный алгоритм. Для расчета вертикальной реакции на щетку необходимо знать модуль упругости ворса Е и коэффициент Пуассона ц.. Из работ Долганина Б.М. [31, 32], следует, что в процессе эксплуатации ворс щеток из полиамидных волокон теряет жесткость. Основным фактором, изменяющим жесткость ворса, является влагосодержание волокна, которое уже в начальной стадии эксплуатации щеток увеличивается в среднем на 2%, что снижает жесткость ворса на 40%. Однако, водные обработки почти не влияют на жесткость ворса щеток из полипропилена. Поэтому в настоящее время широкое распространение получили щеточные устройства с полипропиленовым ворсом. В модели сметающего элемента щетки рассматривается именно полипропиленовый ворс с модулем упругости Е=3-106кПа, и коэффициентом Пуассона р.—0,35. Деформацию (удлинение) сметающего элемента щетки из изотропного материала в продольном направлении определяет модуль Юнга (ЕХ в обозначениях «ANSYS»), а деформацию в поперечном направлении коэффициент поперечной деформации Пуассона (PRXY в «ANSYS») [101]. После выбора материала ворса определяем поверхности модели, на которые будет наложен запрет перемещений по осям и поверхности, перемещение которых будет ограниченно в указанном диапазоне. На рис. 19 представлена схема моделирования взаимодействия сметающего элемента щетки с торфяным основанием. Цель моделирования определение вертикальной реакции Pzo на сметающий элемент щетки, обусловленную упругими характеристиками щеточного устройства при взаимодействии с торфяным основанием. Имитируем торфяное основание поверхностью. Прикладываем к поверхности торфяного основания силу Pzo в соответствии с рис. 19 и запрещаем перемещение по всем осям, кроме оси Z, где перемещение допускается на величину пв, что соответствует радиальной деформации щетки по ворсу. Модуль деформации торфяного основания принимаем Е=Ы03кПа, коэффициент Пуассона д=0,4, что соответствует верхнему деятельному слою торфяной залежи. Принимаем сцепление торфа с1=0,02МПа, угол внутреннего трения ф=22. Свойства торфяного основания задаем моделью Мора-Кулона. Также в соответствии с работами Амаряна Л.С., Миронова В.А. [1,3] можно принять 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. Также запрещаем перемещение концов ворса по всем осям, кроме оси X, где перемещение для каждого ряда ворса рис. 20 ограничиваем в определенном диапазоне. Перемещение концов ворса, относительно начального положения, для каждого ряда Ш и радиальная деформация щетки по ворсу для сметающего элемента пв являются варьируемыми параметрами. Геометрические параметры сметающего элемента представлены в таблице 3, из которых варьируемым параметром является диаметр ворса.
