Содержание к диссертации
Введение
1. Системный анализ технологических процессов производства фрезерного торфа 17
1.1. Системный подход к исследованию технологических процессов торфяного производства 17
1.2. Особенности исследования механико-технологических систем производства фрезерного торфа 24
1 ;3. Постановка и анализ проблемы повышения эффективности и интенсификации рабочих процессов торфяных машин 33
1.4. Теоретические и экспериментальные предпосылки процесса ; взаимодействия щеточных рабочих органов с торфяной залежью и торфом 38
1 ;5. Постановка задач и выбор методов исследования 44
2. Конструктивные особенности и принцип действия щеточных рабочих органов торфяных машин 56
2.1. Обоснование типов и характеристик торфяных щеток 56
2.2. Физико-механические свойства щеточного ворса 65
2.3. Эксплуатационные характеристики щеточного ворса 77
Выводы 79
3. Анализ процесса взаимодействия щетки с торфом 80
3.1. Основные параметры сметания торфа и кинематика активной щетки 80
3.2. Закономерности движения торфяной массы при сметании с поверхности торфяного поля 88
3.3. Энергоемкость процесса сметания фрезерного торфа 98
3.4. Взаимодействие пассивной щетки с торфом 1Й
Выводы LK/
4. Основы теории и технологического расчета щеточных ворошилок 118
4.1. Интенсификация процессов сушки фрезерного торфа 118
4.2. Теплофизическое обоснование интенсификации процесса
сушки торфа при ворошении активной щеткой 127
4.3. Массообменное и технологическое обоснование интенсификации процесса сушки торфа при ворошении активной щеткой 139
4.4. Экспериментальные исследования ворошения торфа активной щеткой 145
Выводы 148
5. Основы теории и технологического расчета щеточных валкователей 149
5.1. Анализ условий функционирования активного щеточного валкователя 149
5.2. Динамика активного щеточного валкователя в горизонтальной плоскости 150
5.3. Динамика активного щеточного валкователя в вертикальной плоскости 154
5.4. Технологическое обоснование процесса валкования фрезерного торфа активным щеточным валкователем 169
5.4.1. Условия сметания торфа из расстила 169
5.4.2. Анализ модели смешивания фрезерного торфа при валкований 181
5.4.3. Энергоемкость валкования фрезерного торфа 186
5.4.4. Эффективность валкования фрезерного торфа 193
Выводы
- Особенности исследования механико-технологических систем производства фрезерного торфа
- Физико-механические свойства щеточного ворса
- Закономерности движения торфяной массы при сметании с поверхности торфяного поля
- Массообменное и технологическое обоснование интенсификации процесса сушки торфа при ворошении активной щеткой
Введение к работе
Актуальность работы. В Российской Федерации сосредоточено более 50% мировых запасов торфа. Сейчас, когда возрос спрос на энергоносители, добыча торфа как местного вида топлива и сырья для ряда отраслей промышленности и сельского хозяйства становится актуальной при условии дальнейшего развития и совершенствования технологии и оборудования торфяного производства.
Увеличение добычи торфа, повышение эффективности действующих торфопредприятий и освоение новых месторождений неразрывно связано с совершенствованием и созданием новых технологий и оборудования. Существующий парк торфяных машин для операций ворошения, валкования и уборки фрезерного торфа в основном оснащен пассивными жесткими рабочими органами с предельными параметрами, которые не обеспечивают надежности выполнения технологических операций.
Интенсификация торфяного производства в первую очередь ставит задачи перевооружения и модернизации оборудования с учетом современных требований научно-технического прогресса, опыта торфодобываюпщх стран, применения новых комплектующих материалов, агрегатирования с колесными тракторами. Одним из направлений развития торфяных машин является использование щеточных рабочих органов. Задача повышения надежности оборудования выдвигает необходимость разработки новых методов проектирования, с учетом конструктивных особенностей, адаптации к условиям эксплуатации, многофункциональности рабочих органов.
Успешное решение практических задач по взаимодействию рабочих органов с торфяной залежью и фрезерным торфом связано с исследованием свойств торфа и технологиями торфодобычи, которые изложены в трудах Б.М. Александрова, Л.С. Амаряна, ВЛ. Антонова, А.Е.Афанасьева, Е.Т. Базина, Б.А. Богатова, Н.И.Гамаюнова, Н.В. Гревцева, В.Д. Копенкина, С.С. Корчунова, В.И. Косова, И.Ф. Ларгина, И.И. Лиштвана, Л.М. Малкова, В.А. Миронова, В.Г. Селеннова, В.И. Суворова и их учеников. Вопросы перемещения фрезерного торфа рабочими органами и основы проектирования торфяных машин освещены в работах С.Г. Солопова, М.В. Мурашова, В.М. Наумовича, Л.Н. Самсонова, В.Ф. Синицына, Ф.А. Опейко, А.В. Журавлева, Б.Ф. Зюзина, В.К. Фомина, Н.В. Кислова, А.Н. Лукьянчикова, К.В. Фомина и др.
Операции, выполняемые существующими комплексами машин, далеко не совершенны: не всегда выполнимы требования к проведению операций; имеет место значительный недобор сухой крошки и ее увлажнение; часты поломки рабочих органов при встрече с инородными включениями (пень, камень).
В связи с вышеизложенным, внедрение научно обоснованных технических решений, заключающихся в повышении эффективности эксплуатации машин для добычи фрезерного торфа на основе комплексного использования многофункциональных пооперационно адаптированных щеточных рабочих органов, вносит значительный вклад в развитие экономики страны.
Связь работы с крупными научными программами и темами
Работа является обобщением научных исследований выполненных автором и при его участии в период с 1979 г. в отделе добычи торфа и отделе физико-механических свойств торфяных залежей и торфа в рамках научно-технической программы 0.71.03 ГКНТ при Совмине СССР «Создание и освоение технологического процесса и комплекса машин для добычи фрезерного торфа с раздельной уборкой его из укрупненных валков» (1981-87), № ГР 81023901/02860047562 и «Создание болотоходной (торфяной) модификации трактора ДТ-175С, обеспечивающей повышение проходимости и увеличение производительности труда на операциях по добыче фрезерного торфа» (1981-87), № ГР 81023903/02860046972; плана НИОКР Минтоппрома РСФСР «Усовершенствование технологии и создание оборудования по добыче фрезерного торфа для энергетики и сельского хозяйства» (1976-80), № ГР 76035891; «Усовершенствовать и освоить в производстве оборудование по добыче торфа для сельского хозяйства, топлива и брикетирования» (1987-90), № ГР 01880000524; «Создание и освоение в производстве шлейфа машин к тракторам ДТ-175Т и Т-150К для добычи торфа» (1988-90), № ГР 01870048154 и «Усовершенствование оборудования для добычи фрезерного торфа комплектом машин типа УМПФ» (1982-85), № ГР 01821018438; государственной научно-технической программы «Недра России» ГКНТ России «Обоснование основных показателей прогноза развития торфяной промышленности России на период до 2010 года» № ГР 01920012071 (1994-97); российско-финского научно-технического сотрудничества: контракт 1ПР-1140/1346-10002 «Разработка машины МУЩ» между «ВНИИТП» и «VAPO OY» (1992-93); контракт 1/95 «Исследование рабочего органа щеточной ворошилки и разработка компьютерной программы по расчету щеточных рабочих органов торфяных машин»» между «ВНИИТП» и «VTT Energy» (1995).
Цель работы. Установление закономерностей формирования сборов и сопротивления сметанию фрезерного торфа при взаимодействии с торфяным основанием для повышения эффективности эксплуатации машин по добыче фрезерного торфа на основе комплексного использования многофункциональных пооперационно адаптированных щеточных рабочих органов, обеспечивающих снижение влияния погодных условий, повышение сезонных сборов и повышение качества фрезерного торфа.
Идея работы. Многофункциональные пооперационно адаптированные щеточные рабочие органы машин для добычи фрезерного торфа рассматриваются как механические системы, технико-экономические показатели которых функционально связаны между собой через степень воздействия на поверхность торфяного поля и коэффициент сбора фрезерного торфа.
Основные задачи исследований. Исходя из поставленной цели, сформулированы следующие основные задачи исследований:
• разработать основные положения теории взаимодействия щеточного рабочего органа с торфяным основанием и массой фрезерного торфа;
• установить закономерности формирования сопротивления сметанию фрезерного торфа щеточным рабочим органом в зависимости от его геометрических, кинематических и упругих параметров, размерно-массовых характеристик торфа и эксплуатационных свойств торфяных полей;
• провести энергетическую оценку и исследовать влияние основных факторов рабочего процесса на технологические показатели операций ворошения, валкования и уборки торфа;
• провести испытания щеточных машин в производственных условиях с целью установления адекватности разработанных теоретико-экспериментальных моделей и реализации планов экспериментов по определению рациональных режимов работы и достижения максимальных сборов торфа;
• реализовать новые технические решения в конструкциях машин, обеспечивающих повышение эффективности технологических операций и внедрить результаты исследований в производство с оценкой эффективности нового оборудования.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Установленные закономерности формирования сборов и сопротивления сметанию фрезерного торфа щеточным рабочим органом характеризуются линейной зависимостью коэффициента сбора торфа от кратности механического воздействия щетки на поверхность поля, а сама величина минимальной кратности определяется геометрическими и кинематическими параметрами, жесткостью щетки, поверхностной прочностью и загрузкой поля и характеризует режим эффективного сметания и отбрасывания торфа без увлажнения с учетом величины удельных энергозатрат и проговодительности.
2. Физическая и математическая модели изменения теплофизических, массообменных и технологических характеристик расстила торфа. при его ворошении щеточным рабочим органом описаны системой уравнений тепломассопереноса с учетом разделения частиц в процессе ворошения при максимальном переворачивании и наименьшем перемешивании слоев, снижении неравномерности толщины расстила и увеличении коэффициента аэрации торфа.
3. Динамические процессы устойчивости движения щеточного валкователя с учетом связей между входными возмущающими воздействиями при минимальных значениях угла установки тяг навески и критической скоростью машины описываются системой нелинейных дифференциальных уравнений, решение которых позволяет определить рациональные параметры валкователя с учетом величины удельных энергозатрат, вариантов агрегатирования с тракторами и размерно-массовых характеристик торфа.
4. Физическая и математическая модели самонастраивающейся уборочной щеточной системы с желобом, в которой толщина слоя торфа устанавливается автоматически в зависимости от подачи, причем количество движения убираемого торфа не должно превышать суммарный импульс действующих на него сил, описаны дифференциальными уравнениями, решение которых позволяет определить рациональные параметры щеточной системы для обеспечения сбора и метания фрезерного торфа при пневмомеханическом перемешивании.
Методы исследований. Исследования вьшолнялись на основе системного подхода к изучаемым объектам. В основе теоретических исследований лежат методы теоретической механики, теории вероятности и статистической динамики машинных агрегатов. Экспериментальные исследования выполнены на стендовых моделях и на опытных образцах в полевых условиях. Математическое моделирование, обработка экспериментальных данных, анализ результатов, планирование экспериментов и расчеты вьшолнялись с помощью компьютерной техники.
Научная новизна работы заключается в развитии основ расчета параметров многофункциональных пооперационно адаптированных щеточных рабочих органов, в теоретическом и экспериментальном обосновании технологических режимов новых машин для добычи фрезерного торфа и выбора их параметров.
Получены следующие основные научные результаты:
• на основе критического анализа существующего оборудования предложена механико-технологическая система добычи фрезерного торфа и разработаны принципы создания щеточных многофункциональных пооперационно адаптированных машин для разных технологических схем добычи;
• сформулированы основные требования к щеточным рабочим органам; разработаны основные положения теории взаимодействия щетки с торфяным основанием и массой фрезерного торфа; получены выражения для определения вероятностных характеристик и плотностей распределения нагрузок, которые учитывают случайный характер их формирования, конструкцию рабочего органа, параметры и режимы работы; проведена энергетическая оценка рабочего процесса взаимодействия активной и пассивной щетки с торфом;
• впервые предложено осуществлять ворошение фрезерного торфа щеткой с описанием изменения теплофизических, массообменных и технологических характеристик расстила торфа после ворошения системой уравнений тепломассопереноса с учетом распределения скоростей витания частиц для максимального переворачивания и наименьшего перемешивании слоев, снижения степени неравномерности толщины и роста коэффициента аэрации расстила и типа торфа;
• при валкований фрезерного торфа щеточным рабочим органом впервые установлены связи между входными возмущающими воздействиями при минимальных значениях угла установки тяг навески и критической скоростью машины, представленные системой нелинейных дифференциальных уравнений динамических процессов, решение которых позволяет определить рациональные параметры валкователя с учетом величины удельных энергозатрат процесса валкования, вариантов агрегатирования с тракторами и размерно-массовых характеристик торфа;
• определены рациональные параметры щеточного рабочего органа для сбора и метания фрезерного торфа при пневмомеханическом перемешивании с --разработкой математической модели самонастраивающейся усреднительно исполнительной щеточной системы с желобом, в которой толщина слоя торфа устанавливается автоматически в зависимости от подачи, причем количество движения торфа не должно превышать суммарный импульс действующих на него сил;
• установлены многофакторные связи параметров щеточного рабочего органа и влияние основных факторов процесса на технологические показатели операций ворошения, валкования и уборки фрезерного торфа с учетом функционирования машин в допускаемых областях;
• разработаны новые способы, технологические и технические решения, направленные на интенсификацию и повышение эффективности операций добычи фрезерного торфа.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована и подтверждена: теоретическими исследованиями и выводами аналитических зависимостей с использованием теории подобия, теории вероятности и статистической динамики машин, результатами лабораторных, стендовых опытно-промышленных экспериментов; сопоставлением результатов теоретических и экспериментальных исследований методами математической статистики и корреляционного анализа.
Практическая значимость работы
Результаты исследований явились основой для разработки многофункциональных пооперационно адаптированных торфяных машин для технологических схем добычи с раздельной уборкой из наращиваемых валков, с механическими бункерными и шнекороторными машинами. Материалы исследований включены в стандарт предприятия и программное обеспечение «Harvia-2000» Исследовательского Центра Финляндии "VTT Energy".
Разработана конструкторская документация на щеточные ворошилки ВЩ-1 и ВЩС-1, принятая к внедрению ООО Цеметра» Сахалинской области и ЗАО «Балтторф» Калининградской области.
Новизна технических решений подтверждена 8 изобретениями. Разработка рыхлителя торфа РТП-1 отмечена бронзовой медалью ВДНХ СССР.
Реализация результатов исследований
Щеточные валкователи ВПР-4 и ВЩР-1 внедрены в производство на торфокомбинате «Ору» Эстония; предприятиях «Ириновское» ПО «Ленторф» и «Тесово-2», ПО «Новгородторф». Прошли опытную проверку в полевых условиях на предприятиях «Назия» ПО «Ленторф» и «Тесово-1» ПО «Новгородторф» модернизированные уборочные машины на гусеничном и колесном ходу. Уборочно-транспортная щеточная машина МУЩ-2 поставлена на экспорт в Финляндию по контракту с фирмой "VAPO OY".
Технологическая схема с применением машин УШР внедрена в в Кировской, Ленинградской, Московской, Пермской, Псковской и Ярославской обл.
Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке специалистов Тверского государственного технического университета в курсе «Торфяные машины и оборудование».
Личный вклад соискателя состоит в обосновании необходимости создания щеточных торфяных машин для операций ворошения, валкования и уборки фрезерного торфа; в выборе и обосновании основных направлений исследований; в организации и планировании теоретических, лабораторных и опытно-производственных исследований и непосредственном участии в них; в обобщении результатов экспериментов, в разработке методов расчета основных параметров и технических заданий на проектирование машин; в формировании основных выводов по полученным данным; в разработке практических рекомендаций для пгюдприятий.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы доложены и обсуждены на заседаниях Ученого совета ВНИИТП (1980-94 гг.); VI -DC научно-технических конференциях ВНИИТП, Ленинград, 1980-86гг.; V - VII научно-технических конференциях по физико-химии торфа, Калинин, 1981-94 гг.; научно-практической конференции «Торф в народном хозяйстве», Томск, 1991г.;
Международном Симпозиуме «30 лет Международному торфяному обществу», Ювяскюля (Финляндия), 1998 г.; научно-практической конференции «Торфяная отрасль России на рубеже XXI века: проблемы и перспективы», Тверь, 1999 г.; 11-м Международном торфяном конгрессе "Sustaining Our Peatlands", Квебек (Канада), 2000 г.; Международном симпозиуме «Добыча и переработка торфа», С-Петербург, 2001 г.; Международной конференции «Рациональное использование торфа: состояние и перспективы», С-Петербург, 2002 г.; научно- практической конференции «Рациональное использование . торфа и других ресурсов торфяных болот», Кострома, 2003 г.; на 3-м Международном Форуме «Топливно-энергетический комплекс России: региональные аспекты», С- Петербург, 2003 г.; 12-м Международном торфяном конгрессе "Wise Use of Peatlands", Тампере (Финляндия), 2004 г.; научно-практической конференции «Современное состояние и перспективы развития механизации и электрификации горного и нефтегазового производства», С-Петербург, 2004 г.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в монографии, 45 статьях и тезисах докладов, новизна подтверждена 8 изобретениями.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов и заключения; изложена на 358 страницах; содержит 96 рисунков, 40 таблиц, список литературы из 290 наименований и 6 приложений.
Автор выражает благодарность д. т. н. Селеннову В.Г, профессорам А.Е. Афанасьеву, Габову В.В., Тимофееву И.П., к. т. н. Кузнецову Н.В., Давыдову Л.Р., инж. Правдину В.И. за консультации.
Особенности исследования механико-технологических систем производства фрезерного торфа
При решении задач исследования механико-технологических систем производства фрезерного торфа возникает ряд специфических особенностей, не имеющих аналогов или имеющих ограничение аналога среди задач исследования технологических процессов торфяной промышленности.
Торфяная отрасль по характеру производственных процессов не имеет аналогов в других отраслях промышленности и сельском хозяйстве (Лазарев А.В., Грачев Е.В., Шамов А.Е., 1981). Специфику торфодобывающих машинно-тракторных агрегатов и условий их эксплуатации определяют следующие факторы {Афанасьев А.Е., 1978): характер выполняемых, технологических операций; высокая деформируемость и низкая несущая способность торфяной залежи; наличие в залежи древесных включений, по прочности в десятки раз превышающих торфяную залежь, что приводит к резкопеременным эксплуатационным нагрузкам рабочих органов {Самсонов Л.Н., Зюзин Б.Ф. и др., 1988); относительно низкие показатели тягово-сцепных свойств и повышенное буксование тракторов на фоне торфяной залежи; принципиальные характеристики и конструктивные особенности ра бочих органов, агрегатируемых с тракторами торфяных машин (Лукъянчиков АЛ., 1999).
Одной из наиболее важных особенностей технологических процессов добычи фрезерного торфа является распределенность размерно-массовых характеристик торфа на поверхности поля. Такие характеристики расстила или валка торфа, как удельная загрузка, влажность, фракционный состав, засоренность, случайным образом зависят от координат точки, выделенной в материале.
Неоднократно отмечалась {Мешков Л. М., Чураева А. М., 1963; Тимофеев А. В., 1969; Назаров Е. Г., 1973; Смирнов В. К, Шамбер Г. М.,1978) необходимость учета неравномерности загрузки расстила по площади. В работах проф. Н. В. Кислова (Кислое Н.В., 1981,1985) количество торфа на площадке заданных размеров (удельная загрузка) представляет собой случайное поле двух измерений q=f(x,y), которое при оценке q по абсолютно сухому веществу описывается математическим ожиданием 1у толщины слоя и корреляционной функцией R = (с). Эта функция характеризует одновременно разброс значений hw относительно среднего и связь между количеством торфа на различных элементарных площадках. Корреляционные функции двухмерных реализаций толщины hw торфа в расстиле и рельефа поверхности карт фрезерных полей Н. В. Кислов аппроксимирует выражением экспоненциально-косинусного типа R(a,b) = Df ехр(- а\а\ - а2б)- cos Да cos J32b. (1.2.1)
Известные значения параметров D af, at и Д- свидетельствуют, что по мере увеличения числа циклов фрезерования, дисперсии оценок возрастают, а корреляционные функции имеют резко выраженный колебательный характер, свидетельствующий о появлении в рельефе карты гармонических составляющих, уровень которых доминирует над общим случайным фоном. В зависимости от конструктивных особенностей фрезерующих устройств и условий подготовки, содержания и эксплуатации торфяных коэффициент вариации неравномерности расстила полей VirGf ІК =0,10...0,55 (Кислое Н. В., 1985). Неравномерность расстила по толщине и неровности поля проявляются в изменении характеристик в продольном и поперечном направлении, что усложняет задачи их описания и изменения в технологическом процессе. Направление обработки и ограниченная ширина карт исключают возможность применения однотипных характеристик по длине и ширине. Технологические операции по добыче фрезерного торфа осуществляются на оборудовании, созданном для традиционной технологии. Важной задачей является получение двухмерного расстила торфа с заданной неравномерностью, что может быть обеспечено за счет изменения конструкций технологического оборудования. С другой стороны использование многофункциональных рабочих органов со способностью адаптации к изменяющимся внешним условиям и параметрам расстила или валка торфа на залежи позволяет расширить диапазон их применения и повысить в целом надежность выполнения технологических операций.
Пространственная распределенность определяет специфичность задачи экспериментального исследования характеристик, состояния расстила и поверхности поля. Применительно к изучению неравномерности и неровности необходимо отметить резкое возрастание объема экспериментальных данных, необходимых для получения удовлетворительных статистических оценок вероятных характеристик объекта и, как следствие, возрастание объема вычислительной работы при расчете этих оценок.
Экспериментальные исследования технологических процессов с целью идентификации двухмерных математических моделей требуют использования новых подходов и методик исследования.
Описание случайных полей (СП) неровности карты или неравномерности толщины расстила на основе моментных характеристик при решении практических задач часто оказывается неэффективным. При движении регистратора измерение характеристик проводится, как правило, вдоль карты. В результате измерений регистрируются случайные функции, образованные в продольных сечениях случайного поля. Корреляционные и спектральные характеристики совокупности случайных процессов, полученной в результате измерений в рамках корреляционного описания, полностью характеризуют С/7, например, СП с двухмерной экпоненциально-косинусной корреляционной функцией (1.2.1).
Физико-механические свойства щеточного ворса
Виды щеточного ворса. К материалу ворса щеток торфяных машин могут быть предъявлены следующие требования: достаточная жесткость, требуемая для сметания и отбрасывания частиц торфа; минимальный диаметр, при котором обеспечивается копирование неровностей торфяной залежи и отсутствует подфрезеровывание сырых частиц. Противоречивость указанных требований объективно свидетельствует о трудности при выборе материала ворса (ОСТ6-06-08-76).
В результате анализа сведений по использованию различных материалов в качестве ворса щеток в торфяной промышленности и других отраслях (Михайлов А. В., 1986; Вальщиков Ю.Н., Тополиади К.Г., 1988;) установлено, что ворс должен удовлетворять следующим общим требованиям: обладать необходимой жесткостью для обеспечения заданной эффективности процесса; -66 иметь достаточные пределы износоустойчивости и изломоустойчивости; обладать стабильностью физико-механических свойств в процессе эксплуатации; иметь экономическую целесообразность применения.
Первые торфяные щеточные машины были оснащены щетками с резиновыми язычками размером 0,08х 0,7 и 0,08 х0,15 м, а затем металлическим ворсом. В качестве ворса применялась стальная проволока сечением 0,31 мм, высокоуглеродистая с пределом прочности не менее 1700 МПа. При эксплуатации такой щетки необходимо бороться с коррозией металла. Следует иметь в виду, что проволока обычно выпускается в мотках и после оснащения щетки металлический ворс зачастую не занимает должного ему радиального положения и перепутывается с соседними ворсинками. Во избежание этого применяют гофрировку проволоки, но при этом уменьшается ее прочность. Иногда применяют высококачественную карданную проволоку.
В настоящее время широкое применение находит синтетический ворс. В связи с достижениями отечественной и зарубежной химической промышленности появляются различные виды полимерных материалов.
Объектами исследований были выбраны щетки с капроновым ворсом производства Клинского объединения "Химволокно" и полипропиленовым производства фирмы "ТрансТех".
Капроновый ворс обладает высокой прочностью, эластичен, изломо- и износоустойчив. Капроновое волокно выпускается в мотках и разрезанных пучках, удлинение волокна не более 60%, отклонение от фактического диаметра не более ±0,1 мм, кондиционная влажность 5% (Катаев В.И., Попов В. А. , 1975). Полиамид РА (капрон) устойчив к большинству растворителей. Однако он восприимчив к окислителям, неорганическим и органическим кислотам и ароматическим спиртам. Устойчив к углеводородам (типа бензина, керосина и дизельного топлива), маслам, моющим растворам и щелочам. Способен абсорбировать малые количества водных, низкомолекулярных -спиртов (например, метила, этила или изопропиловых спиртов) и хлорорастворителей, и быть пластифицирован ими. Полипропилен РР устойчив к большинству водорастворимых химических соединений, включая довольно сильные кислоты, или щелочи и простые углеводороды. Может разрушаться окислителями типа перекиси водорода, хлорорастворители типа 1,1-трихлорэтана, и ароматические растворители типа ксилола, особенно при высоких температурах, (www. specialtyfilaments.com!). Таблица 2.2 Характеристики синтетического ворса Тип ворса СПS ніо15о Температураплавления(С) Модульупругости,кПахЮ6 Относительное удлинение,(%) Водопогло-щение, % max Изломоустой-чивость, циклы Полиамид 1,14 210 1,4-3,0 36 9,0 14000 Полипропилен 0,90 160 2,2-5,0 17 0,1 20000
Производство дисковых щеток основано на полипропилене. В отличие от повсеместно распространенного капронового волокна, полипропиленовое обладает рядом явных преимуществ. Для сравнения Московская академия коммунального хозяйства и фирма по производству специальной коммунальной техники "Доркомтехника" организовали испытания. Объектами были выбраны щетки с капроновым ворсом производства Клинского объединения "Химволокно" и полипропиленовым производства фирмы "ТрансТех".
На основании результатов ресурсных испытаний, проведенных в реальных условиях эксплуатации подметальных машин в Москве, определена интенсивность износа, капронового и полипропиленового ворса. По результатам испытаний срок службы капроновых щеток составил, в среднем в 1,5 раза выше ресурса капроновых щеток. Анализ полученных результатов свидетельствует об очевидном преимуществе полипропиленового волокна над капроновым по продолжительности работы.
Финские фирмы "Sajakorpi OY" и "Suomen Tekniset Harjat OY" производят пшрокий спектр щеток для подметально-уборочных машин. Щетки выпускаются длиной от 0,7 м до 2,510 м и диаметром от 0,32 м до 0,9 м. В качестве ворса используется полипропилен диаметром 1,5 мм; 2,2 мм; 2,5 мм; 3,2 мм; 4,0 мм. Эти щетки находят применение в торфяных машинах финской фирмы "VAPO OY".
Виды щеточного ворса многообразны и для обоснованного выбора того или иного вида ворса в зависимости от назначения необходимо знать его физико-механические свойства: форму и размеры поперечных сечений, а также свободную длину ворса; модуль упругости Е, кПа, характеризующий жесткость ворса; предел выносливости на изгиб, изломоустойчивость, характеризующие способность ворса противостоять многократному изгибу по знакопеременному циклу; коэффициенты трения ворса об очищаемую поверхность.
Кроме физико-механических необходимо знать также экономические показатели: стоимость ворса, степень употребляемости, что позволит, не только наиболее рационально с экономической точки зрения обосновывать и конструировать щеточные узлы, но и проектировать машины, имеющие в своем составе такие узлы.
Форма и размеры поперечных сечений. Для вычисления моментов инерции сечений относительно различных осей, что важно в конструкторских расчетах, необходимо знать формы и средние размеры поперечных сечений наиболее употребляемых видов ворса.
Закономерности движения торфяной массы при сметании с поверхности торфяного поля
При выходе сметающего элемента щетки из зоны контакта с залежью масса торфа сходит с передней поверхности элемента. В этот момент форма сметающего элемента близка к форме жесткой лопатки, отогнутой назад на некоторый угол у, и периферийная часть элемента прямолинейна.
В момент схода элементарная частица торфа движется по прямолинейной поверхности ворса, отклоненного под некоторым углом у. В процессе движения частицы по поверхности элемента на нее действуют центробежная сила, сила тяжести и сила Кориолиса.
Проведенный элементарный анализ {Михайлов А. В., 1981, 1983) показывает, что движение массы торфа в момент отбрасывания ее щеткой может быть в первом приближении оценено на основании закономерностей, характеризующих движение одной частицы.
Если частица, движущаяся по поверхности элемента, в данный момент находится в точке С на расстоянии S0+S от точки А, то в соответствии со схемой (рис. 3.5) и принятыми обозначениями дифференциальное уравнение движения частицы будет иметь следующий вид md2S 2 Ґ \ j— = таз г cos у + mg cos[ pH + р)— dt , (3.2.1) - mg sm\pH + p) - ma) r sin у + tgp где tg p - коэффициент трения скольжения торфа по поверхности сметающего элемента; г - радиус инерции частицы.
Сделав подстановки (г sin у =го; cos у = So + S; d p — codtt dtp = afdt2), разделив обе части уравнения (3.2.1) на та)2 и перенеся члены, содержащие S, в левую часть, получим
По формуле (3.2.6) можно, зная положение частицы в момент начала движения (при (р = 0), определить ее положение после поворота щетки на некоторый угол р. Вычислив скорость относительного движения частицы в момент схода с поверхности элемента по формуле (3.2.7), можно определить по величине и направлению абсолютную скорость частицы (Синицын В.Ф. ,1974). Анализ формул показывает, что путь частицы в значительной степени зависит от угла наклона элемента р (Кононов Б.В., Курочкин И.М., 1974).
Анализ этих выражений в общем виде возможен только при условии существенных допущений, например, что кривизна элемента не меняется за время схода торфа с его поверхности, при у = 0, т.е. при he—0 выражения (3.2.6) и (3.2.7) упрощаются и становятся аналогичными известным формулам, выведенным проф. П. С. Козьминым применительно к движению материальной частицы в ковше ковшового элеватора (Козьмин П. С, 1948).
Путь движения частиц торфа по поверхности элемента определяет его рабочую длину. Анализ позволяет установить, что при определении рабочей длины элемента, характеризуемой отношением r/R, можно не учитывать силу тяжести частицы при относительном ускорении Rco2/g (Иванов А. И., Мишин В. А., 1981). В период схода частицы с поверхности сметающего элемента, ее абсолютная скорость складывается из относительной и переносной скоростей. Соотношение этих скоростей определяет момент разгрузки элемента. Условие отрыва частицы от поверхности элемента Rco2/g Rsuix/4(l + tgr)/(rtgr)m (3.2.8)
Рассмотрение рабочего процесса движения частиц торфа по поверхности сметающего элемента показывает, что конечная скорость их относительного перемещения начинает увеличиваться от нуля, когда частицы лежат на поверхности залежи, до максимальной, когда частицы перемещаются по передней поверхности элемента и сходят с него при соблюдении условия отрыва.
Свободное движение торфяной массы начинается после схода ее с передней поверхности сметающего элемента. Для достижения заданной дальности и высоты отбрасывания необходимо сформировать компактную струю торфа. На характер формирования струи, определяющий ее насыщенность, наиболее существенно влияют параметры щетки и жесткость сметающих элементов. Насыщенность струи непосредственно связана с производительностью щеточного рабочего органа. Для струи торфа желательным условием является неразрывность и постоянство сечения. Фрезерный торф как рабочее тело обладает достаточно высокой текучестью и, следовательно, способностью быстро изменять свою форму при переменном по величине и направлении внешнем воздействии. С некоторым приближением можно считать струю торфа ансамблем отдельно взятых частиц.
Наряду с производительностью щетки дальность отбрасывания торфа является важным функциональным показателем. Рассмотрим полет материальной точки (частицы торфа) массой т, брошенной щеткой под углом к горизонту аот с начальной скоростью vom. (Патрин В.А., 1971). Полет происходит в воздушной среде, при этом принимается квадратичный закон сопротивления воздуха полету (Аппель П., I960). На схеме (рис. 3.6) аот - угол, образованный вектором скорости vr с осью ОХ; рх - радиус кривизны траектории; Sx - дуга траектории.
Массообменное и технологическое обоснование интенсификации процесса сушки торфа при ворошении активной щеткой
Окружная скорость щеток торфяных машин сравнительно невелика, что позволяет при определении реакций залежи пренебречь действием аэродинамических сил в момент контакта ворса с залежью.
Таким образом, можно считать, что при деформации ворса во время работы щетки возникают силы упругости и центробежные силы, которые могут быть приведены к вертикальной силе Рг и силе сопротивления Рх, возникающей при скольжении ворса по залежи. La Рассматривая деформацию элемента при максимальной величине прогиба, проф. Г. Л. Карабан получил значение ЗаЕ13 & . (3.3.6)
Полученное выражение аналогично известному выражению Эйлера и определяет максимальную величину силы деформации и упругости ворса при данной величине прогиба а. Суммарный прогиб отбудет равен az — a +ai, где а — прогиб от сил упругости; а\— прогиб от центробежных сил.
Исходя из исследований О. И. Буковца, можно сделать допущение, что величина суммарного прогиба az близка величине прогиба а (Буковец О. И., 1976; Буковец О. К, Орлов Ю. К, 1977).
В связи с этим приближенно можно считать, что Рг=Рг0+0,5Рц или с учетом значений для P2o lg (3.3.7) где FJJ - площадь поперечного сечения сметающего элемента, м2; -pk - плотность материала ворса, кг/м ; R] - расстояние от оси вращения щетки до деформированной части элемента, м. В свою очередь Rj приближенно равно R1=R-hB 0.5 L l-smaH Q3.S)
При определении момента инерции /, сметающего элемента он не может рассматриваться как составное сложное сечение. При контакте с залежью концы ворса расходятся, и толщина элемента увеличивается почти в 2 раза. Крайние ворсинки деформируются, больше и активнее участвуют в колебательном процессе, чем ворсинки, расположенные в центре элемента. Очевидно, что суммарный момент инерции элемента /, не будет просто суммой моментов инерции всех ворсинок. Здесь следует ввести коэффициенты, определяющие неравномерность упругих деформаций по сечению сметающего элемента. В связи с этим при определении I, можно использовать выражение {КарабанГ.Л., 1980) /э = 0,05«фэ э, (3.3.9) где /э - число ворсинок в одном элементе, шт.; кэ - поправочный коэффициент. По данным Ю. И. Валыцикова (Вальщиков Ю. Н., 1974): к3 =0,92...0,98 .
Количество ворсинок, которое размещается на щеточном диске со сплошным распределением ворса iB = BD 2nRDkP l(dB(pX), где BD - ширина щеточного диска, м; кР — коэффициент равномерности размещения ворса по окружности диска, кР= 0,8...0,9; RQ — радиус установочного кольца диска, м; р — угол, определяющий часть ворса, находящегося в контакте с поверхностью поля, рад; Я — кинематический коэффициент. Горизонтальная составляющая сила реакции залежи Рх (сила сопротивления движению щетки) определяется сопротивлением перемещения щетки по поверхности торфяного поля Px=fPg. Кроме того, возможно увеличение силы сопротивления движению Рх за счет частичного срезания (подфрезеровывания) ворсом поверхностного слоя залежи.
Верхний слой залежи испытывает механическое воздействие со стороны ворса щетки. Величина подфрезеровывания и сила резания зависят от физико-механических свойств залежи и от параметров щеточного рабочего органа, обусловливающих величину силового воздействия ворса на залежь Р2 и кратность этого воздействия К.
В области силового воздействия концов ворса щетки в торфе возникает сложное напряженное состояние связанное с концентрацией пластических деформаций в зоне максимальных напряжений (Самсонов Л. Н., 1985). В этих условиях происходит сложный процесс трения ворса по торфу, смятия торфа и срез торфа концами ворса щетки, энергетическая характеристика которого определяется достаточно сложно. Одной из основных физико-механических характеристик торфяной залежи является прочность на сдвиг Хф поверхностного слоя залежи. Определение предела прочности на сдвиг производится с использованием работ проф. Л. С. Амаряна (Амарян Л. С. 1969) по формуле тф=0вЛФ)тв, (3.3.10) где хв - прочность торфа, соответствующая состоянию торфяной залежи, при полной ее влагоемкости We, кПа; \Уф - текущее влагосодержание фрезеруемого слоя залежи, кг/кг.
