Обоснование параметров щеточного рабочего органа машины для ворошения фрезерного торфа в расстиле

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 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 топливаболее экологически чистой.

В качестве топлива торф применяется в трех видах:

1. Фрезерный торф в виде россыпи для сжигания во взвешенном состоянии;

2. Кусковой торф, малой степени прессования, производимый непосредственно на торфяной залежи;

3. 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 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 O.A., Варенцов B.C., Гамаюнов Н. И., Копенкин В. Д., Костюк Н. С., Лазарев A.B., 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 A.B., 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.

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:

1. Траектория отбрасывания фрезерной крошки зависит от параметров щеточного рабочего органа и размерно-массовых характеристик торфа.

2. 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.

3. Угол скоса рабочей части ворса щетки определяет фактическую площадь контакта с торфяным основанием и величину контактных напряжений в верхнем слое торфяной залежи.

4. Рабочая часть ворса должна подрезаться под углом (3o=25°.30° в плоскости сметания с целью минимизации подфрезеровывания верхнего слоя залежи.

5. Принцип переворачивания расстила на 180° заключается в разделении сырых и сухих частиц фрезерного торфа при отбрасывании щеточным рабочим органом ворошилки и реализуется в диапазоне окружных скоростей щетки по концам ворса do=5,5.6,5m/c.

Научная новизна исследований:

1. 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.

2. 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.

3. Обоснован принцип переворачивания расстила на 180° путем выбора оптимальных пределов варьирования основных параметров щеточной ворошилки.

4. 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 подтверяедаются:

— 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 «АИЗУБ», разработана методика 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 150 403 «Технологические машины и оборудование для разработки торфяных месторождений» ГОУ ВПО «Тверской государственный технический университет».

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 университетесеминарах 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.

Выводы.

1. На лабораторной модели щеточной ворошилки с помощью скоростной фотосъемки и мерного устройства исследована траектория отбрасывания фрезерного торфа щеткой.

С- ¦

— ——— -1 Г" —нг к.

2. Количественно доказан принцип разделения сырых и сухих частиц фрезерного торфа при отбрасывании щеткой.

3. Определены параметры щеточного рабочего органа машины для ворошения фрезерного торфа в расстиле, обеспечивающие наибольшее значение коэффициента переворачивания расстила ас и установлен диапазон оптимальных окружных скоростей щетки ио=5,5.6,5м/с, с наименьшим воздействием воздушного потока на траекторию движения частиц торфа.

4. Методы теории размерности и подобия в сочетании с экспериментальными исследованиями позволили выявить связи между энергетическими показателями операции ворошения и установить что большая часть мощности (около 85% от общей) расходуется на сметание торфа, деформацию и трение ворса о залежь.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проведённый в исследовании теоретический и экспериментальный анализ позволил решить важные для торфяной промышленности страны и актуальные современным условиям торфяного машиностроения задачи, заключающиеся в обосновании параметров щеточного рабочего органа машины для ворошения фрезерного торфа в расстиле.

В результате проведенных исследований сделаны следующие основные выводы и предложения.

1. Разработана методика численного моделирования процесса взаимодействия щеточного рабочего органа ворошилки с торфяным основанием, на основе применения метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе «АЫЗУБ». Решение подобного типа задач аналитическим способом крайне затруднительно и требует ряда допущений, способных исказить действительную картину сил и напряжений. Численный способ, разновидностью которого является метод конечных элементов, позволяет эффективно определять контактные напряжения в верхнем слое торфяной залежи и находить упругую составляющую вертикальной реакции РгО в процессе ворошения фрезерного торфа в расстиле.

2. Получены уравнения по определению траектории отбрасывания фрезерного торфа от воздействия сметающих элементов активной щетки при различных режимных параметрах щеточного рабочего органа и размерно-массовых характеристиках фрезерной крошки.

3. Определено что для обеспечения сметания фрезерного торфа в расстиле без пропусков зона контакта сметающего элемента с залежью должна быть больше подачи на один сметающий элемент 8]>с, а кратность воздействия ворса на залежь устанавливается в диапазоне К=2−4.

4. Установлено, что рабочая часть ворса должна подрезаться под углом Ро=25°.30° в плоскости сметания это увеличивает фактическую площадь контакта Бк ворса с торфяной залежью, уменьшает контактное давление и контактные напряжения в верхнем слое торфяной залежи, при этом параметры сметания фрезерной крошки не ухудшаются, а подфрезеровывание как нежелательный процесс минимизируется.

5. Выявлено, что наибольшее значение коэффициент переворачивания расстила ас достигает в диапазоне окружных скоростей щетки ио=5,5.6,5м/с, при наименьшем воздействии воздушного потока на траекторию движения частиц торфа.

6. На основании результатов экспериментальных исследований количественно доказан принцип разделения сырых и сухих частиц фрезерного торфа при отбрасывании щеткой.

7. Выявлены связи между энергетическими показателями операции ворошения и установлено что большая часть мощности (около 85% от общей) расходуется на сметание торфа, деформацию и трение ворса о залежь.

8. Основные научные результаты и выводы по диссертационному исследованию внедрены в учебный процесс, а также востребованы на торфопредприятии ОАО «Васильевский Мох».