Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы доставки соломистых материалов потребителям 10
1.1. Характеристика технологий подготовки соломистых материалов к транспортировке 10
1.2. Известные способы уплотнения сено-соломистых материалов 15
1.3. Вопросы упаковки уплотненного соломистого сырья 29
Выводы и научные задачи исследований 42
2. Теоретические исследования 45
2.1. Рабочая гипотеза исследований 45
2.2. Зависимость давления поршня подпрессовщика от плотности материала при упругой деформации 51
2.3. Протекание процесса механической релаксации 53
2.4. Зависимость давления поршня от плотности материала при неупругой деформации 58
2.5. Протекание процесса релаксации в зоне неупругих деформаций 63
2.6. Обоснование дискретного режима осуществления процесса подпрессовки 64
2.7. Обоснование рациональных методов формирования укладок и упаковки соломистого сырья 67
Научные результаты 77
CLASS 3. Методика экспериментальных исследований 7 CLASS 8
3.1. Экспериментальная установка для подпрессовки тюков
3.2. Измерительное оборудование и приборы, их монтаж и тарировка 82
3.3. Характеристика условий и техника проведения экспериментов . 87
4.Результаты экспериментальных исследований и их анализ 96
4.1. Результаты динамометрических испытаний процесса подпрессовки тюков соломы 96
4.2. Расчет эмпирических коэффициентов основных теоретических зависимостей 102
4.3. Проверка и сравнение полученных математических зависимостей 105
4.4. Снижение внутренних напряжений при разгрузке подпрессованного материала 109
4.5. Упаковка подпрессованного соломистого материала съемными жесткими формами 115
Научные результаты 120
5. Ожидаемая реализация результатів исследований 121
5.1. Предлагаемая технология подготовки соломистого сырья к транспортировке 121
5.2. Технико-экономическая оценка технологий подготов ки соломистого сырья к транспортировке 128
Общие выводы 136
Список литературы 139
Прилоіения 149
- Характеристика технологий подготовки соломистых материалов к транспортировке
- Известные способы уплотнения сено-соломистых материалов
- Зависимость давления поршня подпрессовщика от плотности материала при упругой деформации
- Измерительное оборудование и приборы, их монтаж и тарировка
Характеристика технологий подготовки соломистых материалов к транспортировке
Взаимосвязь решаемых при организации доставки соломистого сырья вопросов можно охарактеризовать следующим образом.
Дальность транспортировки и количество перевозимого материала определяются месторасположением и видом потребителей соломы. Эффективная работа, например, крупных животноводческих комплексов и кормоприготовдтельных заводов связана со снабжением их в больших объемах этим малосыпучим и низкоплотным сельскохозяйственным сырьем. При этом себестоимость доставки материала потребителям во многом зависит от применяемой технологии подготовки его к транспортировке.
Технологические схемы подготовки сено-соломистых материалов можно подразделить на две основные группы, отличающиеся по виду подготовленного материала: а) рассыпного и б) прессованного.
Первая группа включает операции погрузки рассыпного (длин-ностебельного и измельченного) материала порциями в кузов транспортного средства, перевозки, разгрузки и складирования. Материал остается низкоплотным, а уложенные в кузове порции сцепляются между собой в единый ворох, не меняющийся по объему и при складировании /31,106 и др./. Такая технология пригодна только для внутрихозяйственных работ и малоэффективна даже для перевозки материала на короткие расстояния вследствие большого объема перевозок, потерь материала при транспортировке, потребности в большеобъемных хранилищах, необходимости повторного разделения на части вороха материала при переработке и др.
Вторая группа технологий включает, кроме уже рассмотренных, операции прессования порций материала в тюки обычно с обвязкой их проволокой или шпагатом. Тюки формируются или из прямоугольных порций, или из пучков материала (поршневыми пресс-подборщиками) , или свертываются из материала в рулоны (рулонными прессами) /73,82,106/. Они транспортируются упорядоченной группой или навалом с фиксацией укладки тюков дополнительной обвязкой и складируются штабелем. Эта группа технологий подготовки сено--соломистых материалов обладает рядом преимуществ (компактная форма массы, лучшее использование грузоподъемности транспортных средств, меньший объем хранилищ и др.) и широко применяется как в нашей стране, так и за рубежом. Однако в аспекте подготовки соломистого сырья к транспортировке им присущи общие недостатки, резко снижающие эффективность процесса подготовки. Эти недостатки рассматриваются в подразделах 1.2 и 1.3.
Ко второй группе можно отнести и технологии, включающие операцию брикетирования, Они занимают двоякое положение. В одних случаях они могут рассматриваться как технологии предварительной подготовки соломистого сырья к транспортировке, в других - как окончательной переработки в готовый продукт (брикет). Для подготовки соломистого сырья к транспортировке технологии брикетирования имеют сравнительно узкое назначение, т.к. экономически оправданы только при перевозках соломы на сверхдальние расстояния или при хранении больших объемов материала /106/. Эффективность этих технологий снижается чрезмерно высокой энергоемкостью процесса брикетирования.
Наиболее приемлемым при организации перевозок соломистого сырья на средние (до 100) и дальние (свыше 100 км) расстояния следует считать группу технологий подготовки материала в прессованном виде. Форма и габаритные размеры получаемых тюков и укладок материала определяют технологию дальнейших погрузочно--разгрузочных и транспортных операций.
Для межрайонных перевозок соломистого сырья (на расстояния 50...300 км) в большинстве случаев используется автомобильный транспорт. Одним из важнейших качественных показателей его работы является коэффициент использования грузоподъемности.
Между себестоимостью перевозки груза и использованием грузоподъемности транспортных средств существует обратная зависимость /32,88/. Минимальная себестоимость транспортировки обеспечивается при полном использовании грузоподъемности транспортных средств. По существующим в США нормативам это достижимо при плотности укладки стебельчатых материалов в кузове около 360 кг/м при перевозках автомобильным и 400...690 кг/м при перевозках железнодорожным, речным и морским транспортом /88/.
В табл. 1.1 сведены данные о грузоподъемности, внутренних размерах и погрузочной высоте кузовов некоторых современных грузовых бортовых автомобилей и прицепов /61/. Допустимая высота укладки материала (столбец 6 табл. 1.1) определяется как разность между разрешаемым правилами дорожного движения возвышением груза над проезжей частью в 3,8 м /50/ и погрузочной высотой по полу кузова (столбец 5 табл. 1.1). Допустимый объем укладки материала и требуемая из условия полного использования грузоподъемности транспортных средств средняя плотность укладки (соответственно столбцы 7 и 8 табл. 1.1) рассчитываются путем перемножения внутренних размеров кузовов и допустимой высоты укладки с последующим делением на техническую грузоподъемность автомобилей и прицепов.
Известные способы уплотнения сено-соломистых материалов
Существуют различные способы уплотнения стебельчатых материалов,при которых затраты энергии главным образом зависят от плотности прессования и определяются физико-механическими свойствами материала. Основными путями совершенствования способов и устройств для уплотнения являются снижение энерго-,металлоемкости и повышение производительности процесса. В одних случаях это совершенствование технологических и конструктивных схем, снижение вредных потерь в механизмах и повышение коэффициента полезного действия. Этот путь, однако, быстро приходит к естественному пределу, определяемому преимущественно свойст і//ю/г?носо?ь соломистого лга/пе/уиаяа $хг на/ч3
Рис.І.І Графики зависимости себестоимости уплотнения (г) и транспортировки (ЗИЛ-І30Г) на расстояния 50 (а), 150 (б) и 250 км (в) и суммарной себестоимости (д) уплотнения (г) и транспортировки (в) от плотности прессования и укладки соломистых материалов. Получены расчетным путем на основании данных литературных источников /32, 36, 61 и др./ вами, уплотняемого материала. В других случаях - механические, химические, тепловые и др.способы изменения самих свойств стебельчатых материалов с целью облегчения процесса уплотнения. Большинство из них связаны или со значительными предварительными энергозатратами, или сопровождаются нарушением полезных свойств прессуемого сырья.
На практике при заготовке прессованных стебельчатых материалов пресс-подборщиками, рулонными прессами, брикетировщиками и уплотнителями широко применяется способ статического уплотнения, который, наряду с простотой технологического процесса, требует значительных энергозатрат.
Одними из первых работ по изучению статического процесса уплотнения явились исследования И.И.Вольфа и А.А.Чапкевича /19/, R.Franке /85/, //. Skaiweit /96/, М.А.Пустыгина /53, 54/. Исследования получили дальнейшее развитие в работах А.А.Тулино-ва /70/, С.А.Алферова /6/, Е.И.Храпач /74/, В.И.Виноградова и Г.Н.Дмитриева /17, 24/, Ю.А.Васильева /14/, Ж.Т.Шаукентаева /7b/tE.MeweS /91, 92, 93/, И.А.Долгова /25/.
Основополагающая работа по теоретическому и экспериментальному исследованию специфических свойств сено-соломистых материалов и закономерностей протекания процессов уплотнения выполнена д.т.н. В.И.Особовым /47/. В частности, процесс статического уплотнения стебельчатых материалов в камере изучен им в диапазо-не плотности до 1200 кг/м .
Исследователями установлено, что при статическом уплотнении в камере усилия на поршне возрастают непропорционально плотности материала. Значительная доля работы расходуется на преодоление сил трения материала о стенки прессовальной камеры. Высокие давления при сжатии материала требуют повышенной металлоемкости конструкции. Кроме того, часть энергии при уплотнении нерационально расходуется на сжатие газообразной фазы (воздуха) соломистой среды и фильтрацию ее через пористый материал из прессовальной камеры. Так, при сжатии до плотности 200 кг/м сопротивление фильтрации воздуха из прессовальной камеры составляет 10...40$ общего сопротивления сжатию материала /26/.
Таким образом, при уплотнении соломы в камере статическим способом до больших (свыше 140 кг/м ) значений плотности происходит непропорциональное повышение энергетических затрат, что требует создания металлоемких и сложных технических средств. Этим и объясняется тот факт, что плотность прессованной соломы даже при использовании сравнительно совершенных в техническом отношении поршневых пресс-подборщиков находится в пределах 140 кг/м /83, 106/. Нужен иной, радикальный путь решения этой задачи.
Анализ сведений из литературных источников /43, 47, 48 и др./ позволяет сравнить характер зависимостей размера уплотняющего усилия от плотности стебельчатого материала при различных способах приложения нагрузки и приемах уплотнения.
Для описания зависимости давления поршня от плотности материала при статическом уплотнении исследователями предлагалось использовать степенные /6, 74, 91 и др./ и показательные функции /25, 47, 53 и др./. Характер кривой зависимости схематично показан на рис.1.2а. Площадь заштрихованного участка на графике пропорциональна удельной работе прессования, т.е. энергоемкости процесса. При других сравниваемых способах уплотнения соломистого материала до некоторой предельной (конечной) плотности максимальное давление при статическом приложении нагрузки ( Р ) принято за критерий энергоемкости.
Зависимость давления поршня подпрессовщика от плотности материала при упругой деформации
Элементарная работа О А0 , совершаемая при подпрессовке, равна скалярному произведению векторов усилия на поршне о di/dz и приращения пути ds , пройденного поршнем: fAsdgdydz-dsCosA; (2 4) где о( - угол между векторами Q, и uS, При о(-0 C0Sc(si. АО
Элементарная работа внешней силы обусловливает увеличение элементарной внутренней энергии тюка. При упругой деформации материала и изотермическом протекании процесса подпрессовки (при пренебрежительно малом выделении тепла) работа оА0 должна вызвать появление неуравновешенных моментов касательных усилии t2X (xdydz и Cyxdxdzdy , суммарный размер которых равен работе внешних сил:
SA dKodyd2ds = ( %х + %х) dxdzdy (2.5)
Суммарный размер неуравновешенных моментов касательных усилий характеризует в этом случае приращение внутренней энергии тюка.
Соответственно при разгрузке упруго деформирующегося материала под действием накопленной внутренней энергии тюк способен практически полностью восстановить первоначальные размеры, совершая работу в обратном направлении.
Аналитически выразить зависимость между давлением поршня подпрессовщика и плотностью материала при упругой его деформации возможно на основе принципа суперпозиции Больцмана, который является наиболее общей формулировкой требования линейности. Согласно этому принципу, если к материалу в различное время последовательно приложить ряд напряжений, то каждое из них будет вносить не зависящий от действия остальных напряжений вклад в деформацию (приращение плотности).
Таким образом, если какому то значению плотности материала, обозначим его как р. , при подпрессовке соответствует определенное значение внутренней энергии и размер нормальных усилий 6 Ludiz t стремящихся расширить материал вдоль оси подпрессовки, а другому значению плотности О - соответствующий размер нормальных усилийodydz, то для плотности (Д-+ р.) размер нормаль-ных усилий должен соответствовать {6t. 6t)dyd.7.. Зависимость давления поршня от плотности материала при этом может быть выражена следующим образом: fcaCfi-A 4o, (2.6) где Оу, - числовое значение давления на поршне подпрессовщика, соответствующего текущей плотности материала тюка при упругой деформации, выраженное в кПа; (X - безразмерный эмпирический коэффициент; ? - числовое значение текущей плотности материала при подпрессовке, выраженное в кг/м ; ро - числовое значение начальной плотности материала тюка, выраженное в кг/м; Л - числовое значение давления на поршне подпрессовщика, соответствующего предельному для начальной плотности материала тюка, выраженное в кПа. Размер эмпирического коэффициента CL характеризует скорость возрастания давления на поршне при уплотнении материала. С точки зрения физической сущности процесса его размер должен быть пропорционален скорости возрастания суммарной площади элементарных площадок взаимодействия поверхности частиц.
Зависимость (2,6) верна в случае упругой деформации материала, когда под действием нагрузки поршня векторы максимальных касательных напряжений коллинеарны вектору нормальных напряжений в плоскости нагружения. Сдвиг поверхностей частиц относительно друг друга должен происходить преимущественно вдоль оси подпрессовки и не сопровождаться разрушением и дроблением самих частиц.
Таким образом, зависимость (2,6) верна лишь для некоторого интервала плотностей (Р .. Pima)C) » которую можно назвать зоной упругих деформаций, или иначе, по аналогии с курсом сопротивления материалов, зоной пропорциональности. Уплотнение материала в этой зоне можно представить происходящим, в основном, за счет заполнения внутренних пустот стеблями и частицами и вытеснения межстебельной газовой фазы (воздуха) из объема тюка.
2.3. Протекание процесса механической релаксации
Предположим, что при достижении определенной плотности материала в зоне его упругих деформаций была произведена остановка поршня подпрессовщика и тюк остался зажатым между ним и неподвижным упором.
В начальный момент релаксационной выдержки, при времени выдержки Г равном нулю, в соответствии с вышеописанным, в элементарных площадках dxdy и dxdz (см.рис.2.їв) векторы максимальных касательных напряжений fl и 1 коллинеарны и противоположно направлены относительно вектора нормальных напряжений О . Равнодействующая векторов С , ЧҐ и ох равна нулю. Под действием неуравновешенных моментов касательных усилий dxdydz и Xy dhadzdy частицы материала стремятся вернуться в первоначальное взаиморасположение.
Измерительное оборудование и приборы, их монтаж и тарировка
К станине прикреплен силовой гидроцилиндр ПБЖ-02000А, на штоке которого закреплен прессующий поршень с опорными роликами.
На рабочей поверхности поршня установлены деревянные накладки, позволяющие уменьшить расстояние между ней и стойкой (неподвижным упором) для увеличения плотности подпрессовки материала (см.рис.3.3).
Металлическая плита с продольно уложенными на ней деревянными брусками, прикрепленная к раме пресса, создает опорную поверхность для тюков и опорных роликов поршня (см.рис.3.2-3.3).
Гидравлическая система пресса работает от насосной станции - гидронасоса НШ-46УЛ высокого давления (до 10 мПа) и элект родвигателя A02-5I-4 мощностью 7,5 квт. Усилие прессования - до 120 кН. Управление силовым гидроцилиндром производится при помощи рычага распределителя Р-75-В2А.
Процесс подпрессовки тюков соломы осуществляется следующим образом.
При нахождении прессующего поршня в наибольшем удалении от стойки (исходное положение) на опорную поверхность помещается тюк соломы. Тюк оказывается между поршнем и стойкой (неподвижным упором) экспериментальной установки и ориентируется своей продольной осью (осью первоначального уплотнения) вдоль продольной оси экспериментальной установки (см.рис.3.2), Подпрес-совка тюков происходит при движении (рабочем ходе) поршня. При подпрессовке тюк сжимается по длине между поршнем и стойкой (см.рис.3.3). Управление движением поршня при уплотнении, его остановкой в заданном положении и отведение поршня в исходное положение осуществляется посредством управления рычага распределителя. Скорость движения поршня при его рабочем ходе составляет 0,1 м/с, при отведении в исходное положение - 0,125 м/с.
В экспериментах использовался тензометрический метод измерений усилий с непрерывной записью результатов. В соответствии с этим данные динамометрирования имели вид кривой усилий, записанной на осциллографической ленте. Этот метод обеспечивает регистрацию мгновенных функциональных зависимостей и относительно малую погрешность измерений и получил в настоящее время распространение при проведении исследовательских работ.
Усилия воспринимались специальной опорной плитой, измерительными элементами которой служили проволочные константановые тензодатчики ПБ-20-200, наклеенные на ее тыльную сторону. Расположение тензодатчиков и схема их включения в плечи полумоста показаны на рис.4.4, общий вид тыльной стороны опорной плиты -- на рис.4.5. Подобное включение тензодатчиков позволило исключить зависимость размера выходного сигнала от места приложения усилий в плоскости опорной плиты /76/.
Опорная плита была установлена перед стойкой (неподвижным упором) экспериментальной установки. Нижняя грань ее лежала на двух роликах (рис.3.6). Общий вид опорной плиты в один из моментов проведения испытаний показан на рис.3.2-3.3. При приложении нагрузки плита опиралась на два валика, один из которых был закреплен неподвижно, а второй, подвешенный за проволоку к верхней стяжке пресса, имел возможность перемещения (стрелкой показан на рис.3.6).
Запись результатов измерений производилась магнитоэлектрическим осциллографом Н-700 (рис.3.7). Ддя усиления сигнала был использован усилитель 8/?/?М-5Т(см.рис.3.7). Их основная приведенная погрешность составляла не более 2%,
Проверка и тарировка измерительной аппаратуры проводилась сотрудниками лаборатории энергооценки КубНШТиМ перед и после проведения экспериментов. Тарировка аппаратуры осуществлялась путем сравнения ее показаний с показаниями эталонного динамометра ДОСМ-5 при одновременном воздействии на него и опорную плиту нагрузкой заданного размера. Нагрузка обеспечивалась посредством автомобильного гидравлического домкрата (рис.3.8). Повторность тарировки была трехкратной как при ступенчатой нагрузке, так и при ступенчатой разгрузке приборов.
По результатам тарировки с учетом систематической ошибки производился подсчет масштаба осциллографическои записи и строились тарировочные графики. Расстояние между рабочими поверхностями опорной плиты и поршня экспериментальной установки устанавливалось с помощью специального приспособления, состоящего из закрепленной на верхней стяжке пресса планки с мерительными де.-лениями и укрепленного на поршне указателя (рис.3.9). При движении поршня указатель двигался вместе с ним вдоль планки с мерительными делениями, что позволяло останавливать поршень в нужном положении.
Для взвешивания тюков употреблялись товарные весы РП--І00ЖЗ, а для определения их геометрических размеров - рулетка РС-2. Время релаксационной выдержки тюков замерялось секундомером C-I-2A.
Похожие диссертации на Разработка процесса подпрессовки тюков и обоснование технологии подготовки соломистого сырья к транспортировке
