Обоснование параметров шнекового исполнительного органа установки для селективной добычи торфяного сырья
На правах рукописи
СТЕПУК Евгений Юрьевич
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ
ШНЕКОВОГО ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА УСТАНОВКИ ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОЙ ДОБЫЧИ ТОРФЯНОГО СЫРЬЯ
Специальность 05.05.06 – Горные машины
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2011
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном университете
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Иванов Сергей Леонидович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, доцент
Фомин Константин Владимирович
кандидат технических наук, доцент
Кремчеев Эльдар Абдоллович
Ведущее предприятие – ОАО “ВНИИТП”
Защита диссертации состоится 26 декабря 2011 г. в 14 час 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном университете по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, 21 линия, дом. 2, ауд. № 7212.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного университета.
Автореферат разослан 25 ноября 2011 г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
диссертационного совета
д.т.н., профессор В.В. ГАБОВ
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. По данным Международного торфяного общества торфяные ресурсы в России составляют одну четверть всех мировых запасов. При образовании торфа происходит преобразование органического вещества с образованием многих химических веществ, среди которых наиболее ценными для бальнеологического и биохимического использования являются гуминовые и фульво кислоты.
Из литературных источников известно, что для биохимичес-
кой переработки пригодно торфяное сырье, имеющее 35…45% степень разложения, содержащее в своем составе более 20% гуматов при зольности менее 12% и содержании серы менее 0.3%. Такое сырье так же не должно содержать соединений тяжелых металлов. Рыночная стоимость продукта из такого сырья после биохимической переработки значительно превышает себестоимость добычи и его последующей переработки.
Мощность торфяного слоя, годного для биохимического использования, составляет обычно 0.7…1.3 м и располагается в средних слоях торфяной залежи на глубине от 0.7м. В настоящее время добыча этого ценного сырья ведется, как правило, вручную в короткий летне-осенний период. При механизированной добыче такого торфяного сырья целесообразно использовать селективный способ извлечения при минимальном техногенном воздействии на окружающую среду.
Таким образом, создание добычного комплекса для устойчивой круглогодичной селективной добычи торфяного сырья в условиях умеренного климата при минимальном техногенном воздействии на окружающую среду является в настоящее время весьма актуальной задачей.
Исследованием свойств торфяных залежей и процессов ее добычи занимались ученые: Л.С. Амарян, В.И. Косов, В.А. Миронов и ряд других ученых; разработкой торфяных машин - Ф.А. Опейко, А.В. Михайлов, Н.В. Кузнецов, Б.Ф. Зюзин, В.К. Фомин, М.В. Мурашов, Л.Н. Самсонов; резанием торфа и грунтов в обычном и мерзлом состоянии - В.П. Горячкин, Н.И. Васильев, А.Н. Зеленин,
К.А. Зворыкин и другие исследователи.
Учитывая тот факт, что вопрос механизированной добычи торфяного сырья для биохимического использования в осенне-зимний период при селективной выемке вертикальным шнековым исполнительным органом недостаточно изучен, а весь технологический процесс желательно осуществлять единым шнековым устройством, необходимо проведение дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.
Цель работы: установление закономерностей перемещения по винтовой поверхности шнекового става торфяного сырья из залежи на поверхность для обоснованного выбора основных параметров исполнительного органа малогабаритной установки селективной добычи ценного торфяного сырья для биохимического использования.
Основная идея работы: повышение эффективности добычи торфяного сырья достигается путем увеличения сил сопротивления тангенциальному движению отделенного от залежи торфа о стенки кожуха шнекового исполнительного органа устройства.
Для достижения поставленной цели решены следующие
основные задачи:
- Проведен анализ способов и техники селективной добычи торфяного сырья, определены физико-механические свойства торфа в залежи и добываемого торфяного сырья для биохимического использования.
- Изучены конструкции шнековых исполнительных органов и требования, предъявляемые к шнековому бурению. Проведен анализ влияния физико-механических свойств торфа на процессы резания торфа в обычном и мерзлом состоянии, транспортирования торфяного сырья из залежи устройствами шнекового типа.
- Проведена экспериментальная оценка предельного угла трения скольжения торфяного сырья по поверхности трения при отрицательных и положительных температурах; дана оценка эффективности вертикального перемещения торфяного сырья без учета и с учетом оребрения внутренней поверхности кожуха шнекового исполнительного органа.
- Выявлены рациональные геометрические параметры шнекового исполнительного органа установки для селективной добычи торфяного сырья.
- Предложена конструкция установки со шнековым исполнительным органом для осуществления технологии круглогодичной селективной добычи торфяного сырья для бальнеологического использования.
- Проведены полевые испытания модели прототипа исполнительного органа по оценке работоспособности установки для
селективной добычи торфяного сырья.
Методы исследования. Основные теоретические результаты получены с использованием методов теоретической механики, трибологии и триботехники. В исследованиях использовался комплексный подход, включающий системный анализ. Экспериментальные исследования проведены на оригинальных стендах. Для обработки экспериментальных данных применены методы математической статистики.
Научная новизна:
1. Установлено, что функциональная зависимость предельного угла трения скольжения торфяного сырья о поверхность шнека для материалов оцинкованная сталь и АБС-пластик при температуре окружающей среды от -20°С до +20°С в функции влажности этого сырья имеет экстремум в диапазоне относительной влажности сырья 86…91%.
2. Доказано, что оребрение кожуха шнекового исполнительного органа для шнеков диаметром до 104 мм установки селективной добычи торфяного сырья способствует повышению ее производительности на 15-25% в зависимости от температуры и физико-механических свойств этого сырья.
Защищаемые научные положения:
1. Экспериментально установлено, что предельный угол трения скольжения, являющийся эквивалентом коэффициента трения скольжения торфяной массы о поверхность шнека исполнительного органа, зависит от влажности торфяного сырья и для стальной оцинкованной поверхности имеет экстремум в диапазоне влажности 86…91% для температур -20С…+20С.
2. Экспериментально установлено, что материал шнека оказывает влияние на предельный угол трения скольжения, при этом шнек со стальной оцинкованной поверхностью способствует снижению величины предельного угла трения до 7% по сравнению с углом трения о поверхностью шнека, армированной гладким пластиком такой же величины шероховатости поверхности, а армирование шнека шероховатым пластиком с высотой неровностей до 0.2 мм - увеличивает на 25…60% этот предельный угол трения в зависимости от состояния торфяного сырья и температуры окружающей среды.
3. Экспериментально установлено, что применение негладкого (оребренного) кожуха шнека обеспечивает прирост производительности от 15% до 25% при работе исполнительного органа установки для селективной добычи торфяного сырья в зависимости от физико-механических свойств этого сырья, при этом для шнеков диаметром до 104 мм наибольший прирост производительности соответствует углам подъема шнековой спирали в диапазоне 20…21°.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается их согласованностью с общепризнанными представлениями и физическими закономерностями внешнего трения, корректностью построения расчетных моделей, а также удов-летворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы:
1. Определены рациональные геометрические параметры шнекового исполнительного органа устройства по патенту РФ
№ 2412353 для селективной добычи торфяного сырья.
2. Разработана конструкция шнекового устройства для селективной добычи торфяного сырья на базе погрузчика Bobcat S150, принятая для изготовления в ОАО “ЦНИТА”.
Апробация работы. Основные положения работы, результаты проведенных автором исследований докладывались на: научных конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2009 - 2010 г.г.), XIV Международной конференции в институте Природопользования (Вроцлав, Польша, 2009), Международной конференции в Краковской горно-металлургической академии в 2008г., ежегодной Международной конференции молодых ученых «Challenges and Solutions in Mineral Industry» во Фрайбергской горной академии (Германия, Фрайберг, 2010).
Личный вклад автора. Сформулированы задачи исследований, разработана методология их решения, созданы лабораторные стенды и проведены экспериментальные исследования по оценке эффективности транспортирования торфяного сырья с влажностью 75…93% как в нормальном, так и замороженном состоянии; установлены рациональные углы подъема шнековой спирали для транспортирования замороженного торфяного сырья. Предложен вариант усовершенствованной конструкции шнекового исполнительного органа для круглогодичной добычи торфяного сырья.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность: профессору П.Г. Талалаю, коллективу кафедры Конструирования горных машин и технологии машиностроения и особенно доц. А.В. Большунову и аспиранту Д.О. Нагорнову, а так же генеральному директору ЗАО ”Эс-сервис” А.В. Варнакову и начальнику СКБЭ И.И. Семенкову за консультации, организационную помощь и возможность использования приборной базы в подготовке и проведении экспериментальных исследований.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 3 статьи в рецензируемом журнале перечня ВАК РФ, получен 1 патент.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы из 95 наименований. Общий объем содержательной части составляет 144 страниц машинописного текста, содержит 4 таблицы, 79 рисунков и 2 приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе диссертации представлен анализ шнековых исполнительных органов комбайнов и установок отечественного и зарубежного производства: 2К-52, SL300/400, McLaughlin 54/60, РМ-9.4, РМ-9.0, PRF-251, OJ-0.7K - OJ-13K, RT-2.7TT – RT-6.0TT, ТКМ-120 и др. Дан анализ способов селективной добычи торфяного сырья, физико-механических свойств торфа в залежи и описаны свойства торфяного сырья, пригодного для биохимического использования. Описаны шнековые исполнительные органы машин. Показано, что для шнеков экскавирующих пластическую несыпучую массу торфа, удельный расход энергии определяется не коэффициентом трения массы о шнек, а предельным сопротивлением сдвигу и вязкостью массы в соответствии с законом Б.В. Дерягина. При этом для оценки коэффициента сопротивления резанию торфа ненарушенной структуры возможно использование данных Г.Н. Скрябина, а при резании мерзлого торфа следует руководствоваться рекомендациями А.Н. Зеленина и Н.И. Васильева. Приведен анализ машин и оборудования, оснащенных шнеками для вертикального транспортирования, определены основные цели и задачи исследования.
Вторая глава диссертации посвящена решению теоретической задачи вертикального перемещения отделенного от массива торфяного сырья шнековым исполнительным органом с учетом сопротивления движению массы об оребренный кожух. Показана зависимость изменения эквивалента коэффициента трения - предельного угла подъема спирали шнека, и скорости вращения шнека с учетом физических свойств перемещаемого материала, оценена необходимая мощность для перемещения торфяного сырья шнековым исполнительным органом. Показано, что при изменении физико-механических показателей торфяного сырья в зимний период необходимо проведение экспериментальных исследований по оценке изменения коэффициента сопротивления движению мерзлого торфяного сырья, льда и обычного торфа о материал деталей шнекового исполнительного органа при отрицательных температурах.
В третьей главе представлен анализ физико-механических параметров торфа в залежи и соответствующего торфяного сырья, используемого в экспериментах. Описаны разработанные конструкции стендов, приведены результаты экспериментальных исследований: влияния оребренности кожуха на эффективность вертикального перемещения торфяного сырья шнековым исполнительным органом; определены значения предельного угла трения скольжения, как эквивалента коэффициента сопротивления сдвижению влагонасыщенного сырья по поверхности шнека при отрицательных и положительных температурах. Обоснованы рациональные геометрические параметры шнекового исполнительного органа установки, обеспечивающие добычу торфяного сырья с использованием оребрен-ности внутренней поверхности кожуха.
В четвертой главе предлагается добычной комплекс и технология селективной добычи торфяного сырья для биохимического использования. Представлены результаты полевых испытаний модели прототипа установки селективной добычи торфяного сырья для условий месторождения «Саккала» Приозерского района Ленинградской области.
В заключении приводятся общие выводы и рекомендации, приведены результаты по выбору геометрических параметров установки для селективной добычи торфяного сырья.
Основные результаты работы отражены в следующих защищаемых положениях:
1. Экспериментально установлено, что предельный угол трения скольжения, являющийся эквивалентом коэффициента трения скольжения торфяной массы о поверхность шнека исполнительного органа, зависит от влажности торфяного сырья и для стальной оцинкованной поверхности имеет экстремум в диапазоне влажности 86…91% для температур -20С…+20С.
Известно, что силы сопротивления движению материала по спирали шнека растут с увеличением угла подъема спирали.
Большое значение для перемещения торфяного сырья вдоль оси шнека имеет прочность торфа, что определяется пределом прочности на сдвиг 
, вязкостью и липкостью 
торфа. Увеличение влажности торфа способствует возрастанию 
и увеличению силы сопротивлению его движения с учетом сил прилипания.
Из схемы сил, действующих на частицу торфяного сырья, находящейся на спирали шнека, следует, что силой, способствующей перемещению этой частицы вверх, является тангенциальная сила сопротивления движению сырья о кожух 
, а препятствует перемещению сырья - сила сопротивления движению этого сырья о поверхность спирали шнека 
и составляющая силы веса частицы.
При этом для несыпучих масс сила 
определяется предельным сопротивлением сдвигу и вязкостью массы. В свою очередь осевое перемещение сырья обусловлено его проскальзыванием по винтовой поверхности шнека под действием касательно направленных (тангенциальных) к боковой поверхности коноида сил сопротивления сырья о кожух или стенки скважины. Следовательно, аналитическое выражение усилия, способствующего перемещению торфяного сырья вверх вдоль оси шнека FДВ, может быть представлено разностью двух составляющих: движущей тангенциальной силы и суммой сил потерь, обусловленных сопротивлением при проскальзывании сырья по винтовой поверхности шнека, и горизонтальной составляющей от силы веса торфяного сырья на лопасть шнека.
.
Здесь 
- угловая скорость и наружный радиус шнека; m - масса частицы; g – ускорение свободного падения; - угол подъема спирали шнека; Кш - коэффициент сопротивления сдвижению торфяного сырья по поверхности шнека, равный тангенсу предельного угла трения скольжения торфяного сырья по поверхности трения, определяемый экспериментально; KT – коэффициент сопротивления сдвижения торфяного сырья о кожух.
При переходе от положительных температур к отрицательным происходят значительные изменения физико-механических свойств торфа: поверхностный слой залежи замерзает, липкость такого торфяного сырья стремится к нулю. Такая разрушенная мерзлая масса торфяного сырья по своим свойствам приближается к сыпучим материалам, поэтому необходимо проводить экспериментальную оценку коэффициентов KT и Кш или их эквивалентов.
Это позволяет использовать единый подход как для торфяного сырья при положительных температурах (несыпучая масса), так и мерзлого торфяного сырья при отрицательных температурах (сыпучая масса).
Экспериментальные исследования по оценке эквивалента Кш – предельного угла трения скольжения торфяного сырья о поверхность шнека проводились на лабораторном стенде с наклонной плоскостью. Угол наклона поверхности трения фиксировался прибором BOSCH GAM 220 MF с ценой деления 0.1°. В качестве материала поверхности трения использовалась стальная оцинкованная поверхность с шероховатостью Ra=1.25.
Для образцов использовалось торфяное сырье месторождения «Саккала» со следующими исходными физико-механическими параметрами: тип – верховой; вид – шейхцериво-сфагновый; степень разложения R – 22…25%; исходная влажность W – 95%;
зольность – 6.55%; содержание серы – 0.26%; предел прочности на сдвиг – 16,4 кПа; липкость – 15.8 кПа.
Образцы имели форму параллелепипеда размером 40х18х20 мм.
Относительная влажность исходного торфяного сырья определялась прибором МГ-44 (влагомер грунта, почвы с ценой деления 1%). Для изменения влажности во всем исследуемом диапазоне торфяное сырье подсушивалось.
Эксперименты проводились с образцами торфяного сырья, имеющими положительную температуру и специально замороженными. Замороженные образцы высокой влажности обладали выраженной льдистостью.
Методика проведения экспериментов была следующая: на наклонную плоскость выкладывались по три образца торфяного сырья. При увеличении угла наклона плоскости трения до предельного значения образцы начинали двигаться вниз по плоскости. Момент движения всех трех образцов характеризовался как предельный.
Проведенные равноточные измерения позволили экспериментально определить значения предельного угла трения скольжения с точностью 
0.1°, при доверительной вероятности 0.95.
Результаты экспериментальных исследований для замороженных образцов торфяного сырья представлены на вклейке
(рис. 2). На рисунке – предельный угол трения скольжения в градусах, W - влажность торфяного сырья в %, t - температура окружающей среды в градусах Цельсия.
Как показывает анализ экспериментально полученных данных, предельный угол трения скольжения увеличивается с повышением влажности торфяного сырья до 90%. При дальнейшем повышении влажности происходит интенсивное снижение предельного угла трения. Экстремум при больших значениях относительной влажности можно объяснить возрастанием значения сил трения вследствие появления сил адгезии в результате действия поверх-ностного натяжения влаги, образующей мениски вокруг отдельных контактов, что согласуется с теорией Б.В. Дерягина. При этом следует констатировать, что характер полученных кривых идентичен, как для сырья при положительных температурах, так и для торфяного сырья в замороженном состоянии.
Все кривые имеют характерный экстремум в диапазоне влажности 86…91% и практически эквидистантны друг другу. Экспериментально установлено, что предельный угол трения скольжения для торфяного сырья при положительных температурах окружающей среды примерно в полтора - два раза больше по сравнению с соответствующим углом для замороженного сырья.
2. Экспериментально установлено, что материал шнека оказывает влияние на предельный угол трения скольжения, при этом шнек со стальной оцинкованной поверхностью способствует снижению величины предельного угла трения до 7% по сравнению с углом трения о поверхностью шнека, армированной гладким пластиком такой же величины шероховатости поверхности, а армирование шнека шероховатым пластиком с высотой неровностей до 0.2 мм - увеличивает на 25…60% этот предельный угол трения в зависимости от состояния торфяного сырья и температуры окружающей среды.
Для оценки влияния материала шнека на предельный угол трения скольжения проводились лабораторные исследования на стенде.
Образцы имели температуру окружающей среды. Замеры предельного угла трения образцов торфяного сырья по поверх-ностям трения проводились при 2х значениях температуры окружающей среды и соответственно поверхности трения +10°С и -10°С.
В качестве поверхностей трения были выбраны:
- оцинкованная сталь с шероховатостью поверхности до Ra1.25;
- гладкий АБС-пластик ТУ 2246-046-00203387-98 с шероховатостью поверхности Rа1.25;
- шероховатый АБС-пластик ТУ 2246-046-00203387-98 с высотой неровностей до 0.2 мм.
Графическое представление изменения предельного угла трения скольжения по выбранным поверхностям трения в функции относительной влажности замороженных образцов торфяного сырья при положительных температурах представлено на рис.3.
При проведении экспериментальных исследований были использованы образцы торфяного сырья с заведомо более низкой влажностью (до 75%), чем в реальной залежи для оценки и выявления возможной тенденции изменения предельного угла трения.
Рис.3 Изменение предельного угла трения скольжения замороженных образцов торфяного сырья от влажности при температуре окружающей среды +10°С
При отрицательной температуре -10°С наблюдается снижение предельного угла трения скольжения замороженных образцов по поверхности трения (рис.4), а для образцов торфяного сырья в естественном состоянии при положительной температуре имеет
место увеличение предельного значения этого угла (рис. 5) по сравнению с первой серией экспериментов.
Рис.4 Изменение предельного угла трения скольжения замороженных
образцов торфяного сырья от влажности при температуре окружающей среды -10°С
Рис.5 Изменение предельного угла трения скольжения образцов в естественном состоянии торфяного сырья от влажности при температуре окружающей среды +10°С
Предельный угол трения торфяного сырья по поверхности трения с покрытием из шероховатого АБС-пластика на 25…60% больше по сравнению с гладким пластиком и оцинкованной стальной поверхностью, при этом разница между последним менее значительная и не превышает 7%.
Таким образом, независимо от материала поверхности и
состояния образцов торфяного сырья сохраняется тенденция появления экстремума в диапазоне 86…91% влажности и близкое к
эквидистантности расположение кривых друг другу.
3. Экспериментально установлено, что применение негладкого (оребренного) кожуха шнека обеспечивает прирост производительности от 15% до 25% при работе исполнительного органа установки для селективной добычи торфяного сырья, в зависимости от физико-механических свойств этого сырья, при этом для шнеков диаметром до 104 мм наибольший прирост производительности соответствует углам подъема шнековой спирали в диапазоне 20…21°.
Величина рационального значения угла подъема спирали шнека, при котором обеспечивается наибольший эффект вертикального перемещения торфяного сырья, зависит от угловой скорости шнека, его диаметра, коэффициента сопротивления сдвижению торфяного сырья о поверхность шнека и коэффициента сопротивления этого сырья о кожух.
С учетом результатов исследования был выбран диапазон углов подъема шнека: от 18° до 23°, при которых обеспечивается эффективное вертикальное перемещение торфяного сырья с учетом влажности в конкретных условиях работы устройства.
Наличие на внутренней поверхность кожуха шнека продольных ребер увеличивает силы сопротивления тангенциальному движения торфяной массы обеспечивая ее проскальзывание по поверхности шнека при его вращении, что повышает эффективность процесса перемещения добываемого материала вверх вдоль оси шнека.
Для экспериментальной оценки эффективности применения оребреного кожуха на производительность шнекового исполнительного органа установки для селективной добычи торфяного сырья была изготовлена модель в масштабе (1:5) такого исполнительного органа (рис.6).
Для проведения эксперимента были изготовлены две группы шнековых спиралей (из оцинкованной стали и шероховатого
АБС-пластика) с шагами навивки: 63, 67.5 и 72 мм, что соответствовало средним углам подъема шнековой линии 19°, 20.5°, 22°.
Рис. 6 Схема стенда для оценки эффективности вертикального перемещения торфяного сырья
1 – шнек, 2 – кожух, 3 – патрубок выгрузки, 4 – ребро
Экспериментальная модель шнекового исполнительного органа установки имеет следующие основные геометрические параметры:
шнек: наружный диаметр – 104 мм;
диаметр сердечника – 26 мм;
длина - 630, 675, 720 мм;
шаг навивки h – 63, 67.5, 72 мм;
внутренний диаметр кожуха D – 110 мм;
ширина ребер b – 4 мм;
высота ребер А – 2 мм;
расстояние между ребрами B – 4мм.
Рис. 7 Сечение наружного кожуха с внутренними ребрами
Радиальный зазор между гладким наружным кожухом и шнеком составлял 2.5 мм. При установке ребер зазор между кожухом и шнеком не изменялся, а зазор между внутренней поверхностью ребер и шнеком был 0.5 мм.
В качестве перемещаемого материала в эксперименте использовалась ледяная крошка и торфяное сырье 85% влажности. Угловая скорость вращения шнека составляла =15 рад/с.
На вклейке рис. 8 видно, что максимум достигается при шаге навивки спирали h
67.5 мм, что соответствует углу наклона спирали шнека 20.5°. С дальнейшим увеличением шага навивки винтовой линии шнека производительность снижается. Использование в качестве поверхности шнека пластика ведет к снижению производительности в сравнении с поверхностью из оцинкованной стали.
Аналогичные зависимости наблюдаются при транспортировании ледяной крошки шнековым исполнительным устройством.
На основании полученных данных можно сделать вывод, что наибольший прирост производительности при работе шнековым исполнительным органом имеет место при шаге навивки спирали 67.5 мм, как для торфяного сырья, так и для ледяной крошки.
При проведении эксперимента с оребренным кожухом была выявлена тенденция к увеличению производительности (рис.9 вклейки). При этом прирост производительности для различных поверхностей не одинаков. Однако в обоих случаях максимум отмечается при шаге h=67.5 мм. Влияние оребренного кожуха на производительность при уменьшении угла подъема спирали от его рационального значения оказалось более весомым, чем при его увеличении (рис.10).
гладкий кожух прирост с использование оребренного кожуха
Рис. 10 Прирост производительности модели шнекового исполнительного органа при использовании оребренного кожуха
Обобщая полученные данные по подбору рационального шага винтовой линии шнека с оребренным кожухом, установлено, что при вертикальном перемещении торфяного сырья шнеком диаметром 104 мм увеличенную производительность можно получить при шаге навивки в диапазоне 66…69 мм, что соответствует 20…21°
угла подъема спирали, и частоте вращения шнека =15 рад/с (с оребренным кожухом). При этом производительность возрастает на 15…25% по сравнению с неоребренным кожухом.
Для проверки результатов лабораторных исследований была изготовлена модель прототипа шнекового исполнительного органа. Полевые испытания на месторождении «Саккала» Приозерского района Ленинградской области на верховых торфах подтвердили работоспособность установки для селективной добычи торфяного сырья и правильность проведенных ранее лабораторных исследований.
Разработанная конструкция шнекового исполнительного органа установки для селективной добычи торфяного сырья принята ОАО “ЦНИТА” к изготовлению для использования в качестве навесного оборудования тракторов. Шнековая установка, разработанная на базе погрузчика Bobcat S150 и предназначенная для использования в предложенной технологии селективной добычи ценного торфяного сырья, обеспечивает минимальное техногенное воздействие на окружающую среду.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации, представляющей собой самостоятельную законченную научно-квалификационную работу, в которой на основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований, изложено научное обоснованное техническое решение по оптимизации параметров шнекового исполнительного органа установки для механизированной селективной добычи ценного торфяного сырья, имеющее существенное значение для развития торфодобывающей промышленности страны.
Основные научные и практические выводы и рекомендации:
- Экспериментально установлено, что применение оребренного кожуха шнекового исполнительного органа диаметром до 104 мм установки для селективной добычи торфяного сырья обеспечивает прирост ее производительности от 15 до 25%.
- Экспериментально установлено, что независимо от сос-тояния торфяного сырья, его влажности и температуры экстремум предельного угла трения скольжения торфяного сырья, являющейся эквивалентом коэффициента сопротивления сдвижению материала по поверхности шнека Кш, находится в диапазоне 86…91%.
- В результате выполнения теоретических и экспериментальных исследований установлено, что максимальная производительность шнека с частотой вращения =15 рад/с при вертикальном перемещении торфяного сырья на дневную поверхность обеспечивается при угле подъема спирали шнека 20…21.
- Установлено, что материал шнека оказывает влияние на коэффициент сопротивления сдвижения перемещаемой массы по поверхности шнека, при этом армирование шнека пластиком нецелесообразно, так как это ведет к увеличению потерь на трение в 1.6…1.9 раза в зависимости от физико-механических свойств добываемого торфяного сырья.
- Предложена технология добычи торфа для биохимического использования и конструкция установки в составе добычного комплекса, которая защищена патентом РФ №2412353.
Основные результаты диссертации представлены в следующих печатных работах:
1. Степук Е.Ю. Шнековая установка для круглодичной добычи торфа / П.Г. Талалай, Е.Ю. Степук // Записки Горного института. РИЦ СПГГИ (ТУ). СПб, 2010. Том 187. С. 143-146.
2. Степук Е.Ю. Выбор оптимальных параметров для транспортирования мерзлого торфа шнековым транспортером // Записки Горного института. РИЦ СПГГИ (ТУ). СПб, 2011. Том 189. С.111-112.
3. Степук Е.Ю. Стенд для оценки эффективности транспортирования торфа/ Е.Ю. Степук, С.Л. Иванов // Записки Горного института. РИЦ СПГГИ (ТУ). СПб, 2011. Том 189. С.113-116.
4. Степук Е.Ю. Закономерности шнекового транспортирования // 7-я международная научно-практическая конференция «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». – Воркута, 2009. С.125-129.
5. Степук Е.Ю. Инновационная технология разработки торфяных залежей // 8-я международная научно-практическая конференция «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения». – Воркута, 2010. С.149-152.
6. Stepuk E. Executive Screw For Drivining In Boreholes Of Great Size // Scientific Reports on Resource Issues 2010. Volume 3. Innovations in Mineral Industry – Geology, Mining, Metallurgy and Management. - Technische Universitt Bergakademie Freiberg, 2010. – Р.292-294
7. Stepuk E. Hoisting Efficiency Of Loose Materials By Means Of Screw // XIV Meidzynarodowa konferencja studentckich kol naukowych. – Uniwersytet Przyrodniczy We Wroclawiu, 2009. – Р.187
8.Шнековая установка для добычи торфа. Патент РФ №2412353 / С.Л. Иванов, А.В. Михайлов, П.Г. Талалай, Е.Ю. Степук // МКП Е21С49/00 2006. // (Бюл. № 6, 20.02.2011).
| Рис. 2 Изменение предельного угла трения скольжения замороженных образцов по оцинкованной поверхности в функции относительной влажности торфяного сырья при различных температурах | Рис. 8 Изменение производительности шнекового исполнительного органа для разных шагов навивки, при гладких стенках кожуха Рис. 9 Изменения производительности шнекового исполнительного органа для разных шагов навивки, при оребренных стенках кожуха |
