Обґрунтування процесу і параметрів механізму для добування сапропелів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

АВТОРЕФЕРАТ

ОБҐРУНТУВАННЯ ПРОЦЕСУ І ПАРАМЕТРІВ МЕХАНІЗМУ ДЛЯ ДОБУВАННЯ САПРОПЕЛІВ

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Луцькому державному технічному університеті, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Дідух Володимир Федорович, Луцький державний технічний університет (м. Луцьк), завідувач кафедри сільськогосподарського машинобудування.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Ловейкін В'ячеслав Сергійович, Київський національний університет будівництва і архітектури (м. Київ), професор кафедри основ професійного навчання;

кандидат технічних наук, доцент Ткачук Валентин Федорович,

Національний університет водного господарства і природокористування (м. Рівне), в. о. професора кафедри будівельних, дорожніх, меліоративних машин і обладнання.

Провідна установа: Львівський державний аграрний університет,

Мінагрополітики України, м. Дубляни.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська 56.

Автореферат розісланий “17” жовтня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Попович П.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність дослідження. Зниження родючості ґрунтів через зменшення внесення органічних добрив викликає занепокоєння у спеціалістів сільськогосподарського виробництва. Одним із перспективних шляхів поповнення органіки на полях є внесення у різному вигляді сапропелів прісноводних озер, найбільше число яких знаходиться у Північно-західному регіоні.

Широка гама озер з різними природними параметрами вимагає індивідуального підходу до їх очищення від накопичених тисячоліттями покладів. Тому, проблема використання сапропелів прісноводних озер є комплексною: вона відноситься як до сільськогосподарського виробництва, так і має широкі екологічні наслідки.

На сьогоднішній день знайшли застосування ряд способів добування сапропелів: гідромеханізований, грейферний, шнековий і землерийний. Кожний із способів використовується для певного типу озер і забезпечує високі техніко-економічні показники роботи відповідних механізмів. Проте, вони широко використовуються лише на великих і середніх за площею водоймах, у яких присутній шар води. Використовування вказаних способів на малих озерах без води є нерентабельним, або взагалі неможливим. Крім цього, добування сапропелю відомими засобами призводить до втрати його якості внаслідок перемішування складників органічного і мінерального типів.

Для розробки таких водоймищ можна використовувати канатно-скреперні установки (КСУ). Однак, існуючі КСУ призначені для роботи з сипкими матеріалами. Оскільки добування сапропелів має свої особливості, то ці установки мають ряд недоліків, які обумовлюють зниження їх продуктивності: непристосованість конструкції ковша для роботи з рідким матеріалом, що викликає втрати (витікання) сировини при транспортуванні; через налипання сапропелю до стінок ковша спостерігається неповне його розвантаження. Тому розробка КСУ для добування сапропелю на малих водоймах із усуненням недоліків існуючих конструкцій є цілком актуальною і своєчасною.

Зв'язок із науковими програмами. Дослідження, що складають основу дисертаційної роботи, виконані у Луцькому державному технічному університеті в 1999…2005 р.р. у відповідності до державних науково-технічних програм ДНКТП з пріоритетних напрямків розвитку науки та техніки. Основні положення дисертаційної роботи ввійшли до звіту за темою: “Дослідження взаємодії механізмів сільськогосподарських машин з матеріалами”. Номер держреєстрації 01 00 U 000 258.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи - збереження властивостей добутої сировини за рахунок розробки та впровадження процесів і механізмів, що враховують умови добування сапропелів на малих водоймах.

Досягнення поставленої мети вимагало вирішення наступних задач:

теоретичного обґрунтування способу добування сапропелю та конструкції робочих органів КСУ;

встановлення закономірностей наповнення ковша сапропелем в процесі черпання;

встановлення залежності коефіцієнта наповнення ковша від геометричних параметрів КСУ та фізико-механічних властивостей сапропелів природної вологості;

теоретичного і експериментального обґрунтування переміщення скребка відносно криволінійної поверхні ковша при його очищенні;

дослідження процесу черпання сапропелів шляхом моделювання КСУ;

встановлення економічної ефективності використання запропонованої КСУ для добування сапропелю з малих водойм.

Об'єкт досліджень - робочий процес екскавації сапропелів, донні поклади озер та робочі органи КСУ.

Предмет досліджень - залежність показників коефіцієнта наповнення ковша від конструктивно-технологічних параметрів КСУ та фізико-механічних властивостей матеріалів.

Методи дослідження - теоретичні дослідження проведені із застосуванням методів механіко-математичного моделювання, класичної механіки, механіки суцільного середовища, механіки ґрунтів, опору матеріалів. Експериментальні дослідження проводились за галузевими та розробленими методиками на стандартизованому і виготовленому обладнанні та приладах. При проведенні експериментальних досліджень застосовувався математичний метод планування експерименту.

Наукова новизна одержаних результатів. Встановлені теоретичні залежності для визначення оптимальних параметрів ковша з опуклою поверхнею днища для добування сапропелів, механізму очищення робочого органу та врівноваження ковша КСУ. Вперше для сапропелів органічного типу визначено ряд фізико-механічних характеристик, які впливають на процес їх черпання.

Практичне значення одержаних результатів. На базі теоретичних і експериментальних досліджень розроблено КСУ із ковшем, днище якого виконане у формі частини поверхні тора, із встановленим на нього скребком і визначені раціональні його параметри. Розроблено методику і відповідне обладнання для визначення опору зсуву та зчеплення сапропелів природної вологості. За результатами багатофакторного експерименту виведена регресійна залежність, яка дає змогу оцінити вплив параметрів робочого органу КСУ та властивостей сапропелів на коефіцієнт наповнення ковша. Результати теоретичних і експериментальних досліджень взяті для використання Госпрозрахунковим центром науково-технічних послуг м. Луцька, ВАТ “Луцьке ремонтно-транспортне підприємство”.

Особистий внесок здобувача. Основні результати роботи отримано автором самостійно. В наукових працях, опублікованих у співавторстві, автором безпосередньо розроблено конструкцію КСУ [8] і проведено теоретичне і експериментальне обґрунтування її конструктивних параметрів [3, 7]; запропонований спосіб добування сапропелю з малих водойм [9]. Крім цього, здобувачем досліджено і систематизовано фізико-механічні властивості сапропелю органічного типу, розроблено методики експериментальних досліджень, конструкції експериментального спорядження [7], а також безпосередньо проведені експериментальні дослідження. Постановка задач, аналіз і трактування результатів виконано спільно з науковим керівником та, частково, із співавторами публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення наукових досліджень, що містяться в дисертації, доповідались й обговорювались на ІІ Міжнародній конференції “Сучасні проблеми землеробської механіки” (ЛДТУ, м. Луцьк, 2001 р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Агромех-2004” (ЛДАУ, м. Дубляни, 2004 р.), ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми технічного сервісу сільськогосподарської техніки” (Харківський державний технічний університет сільського господарства, м. Харьків, 2004 р.), І Міжнародній науково-технічній конференції “Динаміка, міцність, надійність сільськогосподарських машин” (Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, м. Тернопіль, 2004 р.). Дисертаційна робота була заслухана на щорічних конференціях ЛДТУ у 2000-2004 рр. та фаховому науковому семінарі Тернопільського державного технічного університету ім. Івана Пулюя у 2005 р.

Публікації. За результатами досліджень опубліковано 9 наукових праць, з них 1 - у фаховому журналі, 5 - у фахових збірниках наукових праць, 2 патенти України на винахід. Загальний обсяг публікації становить 1,33 друк. арк., з яких 0,97 є особистим доробком автора.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 128 назв та 4 додатків. Основна частина викладена на 134 сторінках, містить 68 рисунків і 8 таблиць.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, об'єкт, предмет, методи і задачі, які розв'язуються в роботі, окреслено наукову новизну й практичне значення отриманих результатів. Наведено інформацію про апробацію, структуру та обсяг роботи.

У першому розділі “Літературний огляд, мета і задачі досліджень” розглянуто причини евтрофії озер, їх класифікацію за складом та походженням, основні напрямки і можливості практичного використання у сільськогосподарському виробництві сапропелевих покладів. Проведено патентний огляд існуючих способів і засобів добування сапропелів. Подано аналіз досліджень фізико-механічних властивостей сапропелів природної вологості.

Експериментальними і теоретичними дослідженнями добування сапропелів займались: Лопотко М.З., Шевчук М.Й., Басалига Є.А., Романовський Г.А., Вєдров А.І., Євдокимова Г.А., Фомин А.Н., Мазуренко М.Н., Федотов А.І., Бодак В.І., Ліштван І.І. і ін.

Теоретичним дослідженням машин з тяговими канатами та визначенню оптимальних параметрів ковшів присвячені роботи Мартинціва М.П., Білої Н.М., Качурина В.К., Сергєєва С.Т., Комарова М.С., Дукельського А.І., Глушка М.Ф, Прохоренка А.Г., Ловейкіна В.С., Савіна Г.Н., Слепка І.І., Вєтрова Ю.А., Федорова Д.И., Домбровського Н.Г., Ткачука В.Ф., Панкратова С.А і ін.

В результаті проведеного аналізу існуючих літературних джерел та патентної інформації встановлено ряд питань, які потребують вивчення.

У другому розділі “Теоретичні передумови обґрунтування параметрів засобу добування сапропелів з малих озер” проведено ряд теоретичних досліджень з визначення оптимальних параметрів запропонованої КСУ, яка обладнана ковшем із днищем опуклої форми і встановленим на ньому скребком.

Роботу ковша можна розділити на три фази: встановлення під кутом до поверхні сапропелю, заповнення і вихід з сапропелевої маси. Заповнення ковша відбувається повертанням його навколо точки О.

Ефективність ковша залежить від його геометричних параметрів, до яких слід віднести об'єм V. Цей об'єм залежить від радіусів R і r, які визначають розміри тора, і центрального кута б_к. Тому необхідно дослідити їх вплив на коефіцієнт наповнення робочого органу.

При дослідженнях закономірностей процесу черпання сапропелю зроблено наступні припущення:

- органічний сапропель природної вологості є ідеально зв'язний матеріал;

- у фазі завершення процесу черпання сапропель зрізається з поверхні, яка є продовженням поверхні днища ковша;

- дотичні напруження, що виникають в процесі черпання між сапропелем і поверхнею ковша рівні і мають постійну для даного типу сапропелю величину.

Поверхня запропонованого ковша є частиною тороподібної поверхні, утвореної обертанням паралельних відрізків AB, CD довжиною R і півкола AC радіусом r, що сполучає ці відрізки, навколо вісі X. Місткість робочого органу будемо визначати як об'єм, що знаходиться між днищем ковша і площинами, які проходять через відрізки BC, CD, DE перпендикулярно до площини листа. Оскільки задня стінка ковша відхилена на додатковий кут б_дод, що має конструктивне значення, то площу поверхні S_к і об'єм V_к ковша наближено можна визначити за формулами:

S_к?б_к(рRr+2r²+R²); (1)

. (2)

Для визначення моменту M_к сил зчеплення c, що діють на поверхні ковша при його наповненні, було покладемо умову, що сили зчеплення діють по всій тороподібній поверхні. Остаточно вираз для визначення M_к отримано у вигляді:

. (3)

Побудовано контурний графік поверхонь S_к(R, r), V_к(R, r) і M_к(R, r) у вигляді ліній однакового рівня. Числові значення рівнів для різних кривих представлені рядом цифр. Згідно даного графіка, необхідний об'єм V_к можна отримати при різних значеннях R і r, однак менші значення площі S_к і моменту M_к будуть при R>0, тобто коли тороподібна поверхня буде наближатись до сфери.

Згідно експериментальних досліджень наповнення ковша під шаром води буде відбуватись до приходу ріжучої кромки в т. M, без шару води - т. N. При подальшому повороті робочого органу поклади будуть зрізатись перед його ріжучою частиною по поверхні, що подібна до поверхні днища ковша. Тоді, об'єм сапропелю, яким заповнюється ківш визначимо за формулою:

(4)

де l - відстань від центра обертання ковша до поверхні сапропелю, м; - додатковий кут повороту ковша, в межах якого відбувається його наповнення (визначається експериментально).

Коефіцієнт наповнення ковша к_н визначається за формулою:

к_н=V/V_к. (5)

Залежність (5), яка визначає коефіцієнт наповнення ковша у фазі завершення процесу черпання, не враховує можливі втрати матеріалу при виході ковша з сапропелю. Розрахункову залежність коефіцієнта наповнення к_н після виходу ковша з сапропелю із врахуванням вологості матеріалу і кута виходу ковша б_вих отримано на основі експериментальних досліджень.

При визначенні основних параметрів і співвідношень опуклого ковша необхідно враховувати конструктивні особливості його підвіски та процесу роботи установки. Згідно з проведеним аналізом цих даних значення кута б_к=85…95⁰, а співвідношення R/r=1,4…1,6.

Дослідження з визначення оптимальних параметрів ковша КСУ показали, що із врахуванням фізико-механічних властивостей сапропелів форма ковша повинна наближатись до частини сфери.

Важливим елементом при розрахунку канатно-скреперної установки є забезпечення стійкості ковша в процесі його переміщення. За рахунок правильного його врівноважування можна зменшити втрати сапропелю при транспортуванні до місця розвантаження.

Умова врівноваження ковша КСУ визначена у вигляді нерівності:

, (7)

де G₁, G₂ - сили ваги наповненого ковша і каретки, Н; F_О.К. - сила опору кочення, Н; г - кут підйому каретки; д, в і ц - кути відхилення канатів 2, 3 від горизонтального і 2 від вертикального положень; Ф₁, Ф₂ - сили інерції наповненого ковша і каретки, Н; T₂ і T₃ - відповідно сили натягу канатів 2 і 3, Н; h_T2, h_T3, h_G, h_Ф1 - відповідно плечі моментів сил T₂, T₃, G₁, Ф₁, м.

Силу F_О.К. визначаємо за формулою:



, (8)

де м - коефіцієнт тертя в підшипниках коліс каретки; м₀ - коефіцієнт тертя кочення коліс каретки по канату; R_к і r_к - відповідно радіус колеса і радіус вісі колеса, м.

Для забезпечення стійкості ковша при транспортуванні чи утримуванні матеріалу на несучому канаті, параметри ковша, елементи його підвіски, а також кут підйому г повинні вибиратися таким чином, щоб виконувалась умова (7).

В запропонованому ковшеві зменшення впливу липкості сапропелів на процес їх екскавації досягається за рахунок використання скребка для його надійного розвантаження.

Вираз для визначення моменту початкового натягу пружин для притискання ножа скребка до задньої стінки ковша отримано у вигляді:

М_пр=((G₁+G₂)sinг+F_О.К-ДТ_б)(R_ш-мr_ш), (9)

де T_р - сила натягу розвантажувального каната, Н; R_ш - радіус шківа, м; м - коефіцієнт тертя на вісі; ДТ_б - втрати натягу каната 6 на блоках 2, 3 і 4, Н; r_ш - радіус вісі шківа, м.

Для привода скребка 10 на шківові 1 необхідно прикласти момент

T_m=2((М^'_пр+М_з)/(R_ш-мr_ш)+ДТ_б)/(1-о_б5-2мd_б5/D_б5), (10)

де М^'_пр - момент, що створюється пружинами при їх додатковому закручуванні на кут б_з, Н·м; М_з - момент, який необхідно прикласти до скребка для зачистки ковша від налиплого матеріалу, Н·м; о₂ - коефіцієнти жорсткості каната на блокові 2; d_б2 - діаметр вісі блока 2, м; D_б2 - діаметр блока 2, м.

Виведені залежності дають можливість розрахувати параметри скребка та елементів його привода, величину тягового зусилля, що необхідно розвинути в процесі розвантаження ковша.

На основі проведених досліджень отримано вираз для визначення кутів згину несучого каната на блоках каретки:

, (11)

де Q - сила ваги наповненого ковша і каретки, Н; г - кут підйому каретки; T_BX - горизонтальна складова сили натягу каната в опорі В, Н; q - погонна вага каната, Н/м; l - відстань між баштами, м; д - кут огинання несучим канатом каретки.

Для аналізу величини впливу окремих факторів на значення згину несучого каната на основі формули (11) побудовані графічні залежності при змінних параметрах котловини озера та КСУ.

Аналіз отриманих графічних залежностей вказує на те, що значний вплив на зміну згину каната на блоках каретки має висота підйому ковша, яка залежить від висоти великої башти та глибини котловини озера. Збільшення висоти великої башти з однієї сторони сприяє швидшому переміщенню ковша до набору сапропелю і покращенню його балансування, оскільки при цьому збільшується кут підйому каретки г, а з іншої - зменшенню натягу несучого каната і збільшення кута перегину, що, як зазначалося вище, призводить до погіршення умов його роботи.

У третьому розділі “Програма і методика експериментальних досліджень” викладена програма експериментальних досліджень, описане обладнання, прилади, дослідна установка і методики проведення досліджень.

Програмою досліджень передбачено визначення наступних фізико-механічних властивостей сапропелів природної вологості: відносної вологості, об'ємної маси, зольності, липкості, опору зсуву та зчеплення. Досліджено закономірності відриву криволінійної поверхні робочого органу з сапропелевої маси, а також залежність величини зміни коефіцієнта наповнення ковша к_н від вологості сапропелю W, відстані від центра обертання днища ковша до поверхні сапропелю l та кута виходу ковша з сапропелевої маси б.

Для проведення експериментів використовувалось стандартизоване обладнання і розроблене самостійно, яке найбільш близько відповідало умовам досліджуваного процесу. Для відбору зразків сапропелю з відкладів використовували торфорозвідувальний бур ТБГ-66 і власноруч виготовлений пробовідбірник сапропелю високої вологості (пелогену). Вологість і зольність донних відкладів визначали за допомогою шафи сушильної СНОЛ-3.5.3.5.3.5/3 ИЗ; муфельної печі, а також аналітичних ваг 3 кл. Об'ємну масу визначали за допомогою ріжучого кільця з кришками та мірного стакана об'ємом м³. Дослідження закономірності відриву криволінійної поверхні робочого органу з сапропелевої проводили на розробленій установці з використанням циліндричних та сферичних штампів. Визначення опору зсуву сапропелів проводили методом зрізу зразка ґрунту по циліндричній поверхні на розробленій установці. Величину сил зчеплення сапропелю визначали методом шарового штампа. Для експериментальної перевірки отриманих аналітичних залежностей було розроблено фізичну модель КСУ, яка дозволяє дослідити роботу запропонованого ковша в режимах черпання, транспортування та вивантаження сапропелю.

У четвертому розділі “Результати експериментальних досліджень” представлені результати експериментальних досліджень фізико-механічних властивостей сапропелів органічного типу природної вологості, закономірностей відриву криволінійної поверхні робочого органу з сапропелевої маси, а також залежність коефіцієнта наповнення ковша к_н від геометричних параметрів КСУ і фізико-механічних властивостей сапропелів.

Одним із важливих показників, що впливають на процес добування сапропелів, є їх вологість. За даними, отриманими в процесі дослідження, природна вологість змінюється в межах 98…93 %.

Аналіз отриманих даних показує, що здатність сапропелів утримувати воду залежить від двох факторів. Перший, він є основний - зольність А^с. І другий - це глибина залягання h. Так, при зольності органічного сапропелю 16,5 % природна вологість його складає 96,3 %, при збільшенні зольності до 21,0 % природна вологість зменшується до 92,8 %. Вологість органічного сапропелю незначною мірою залежить від глибини залягання.

Як показали досліди з встановлення липкості сапропелів, вона залежить від вологості донних відкладів та часу дії навантаження. Отримані результати липкості органічного сапропелю свідчать про широкі її межі в залежності від початкової вологості зразка. Із зміною часу прикладання навантаження липкість сапропелю зростає і з досягненням 40 с. стабілізується. Тому при тривалому контакті сапропелю низької природної вологості із робочими органами машин може спостерігатися його посилене налипання, що вимагає застосування захисних мір.

Згідно проведених досліджень можна зробити висновок, що органічний сапропель природною вологістю більше 93 % має постійні значення граничних напружень зрізу на глибині від 0 до 30 м.

Припущення, що напруження зсуву сапропелю ф_с в природному стані не залежить від навантаження і рівне зчепленню с_с, підтверджується випробуванням сапропелю по методу шарового штампа. Середнє значення зчеплення сапропелю с_с вологістю 93 % рівне 451 Па. Таким чином, підтверджується раніше зроблене припущення, що органічний сапропель вологістю більше 93 % є ідеально зв'язний матеріал.

Значення граничного напруження зсуву сапропелю ф_с певної вологості мало залежить від глибини залягання покладів і знаходиться в межах довірчого інтервалу. Тому за розрахункове напруження зсуву сапропелю необхідно приймати значення з інтервалу 446…462 Па (табл. 1).

Таблиця 1 Результати досліджень по визначенню граничних напружень зсуву сапропелю

Тиск в циліндрі Ph, МПа	Глибина залягання покладів h, м	Граничне значення напруження зсуву фс, Па
		при вологості сапропелю W, %
		93	95	97
0,05	5,10	448,4	247,2	66,2
0,10	10,2	450,6	249,4	65,2
0,15	15,3	452,8	258,0	64,7
0,20	20,4	455,7	250,6	67,6
0,25	25,5	456,2	255,8	63,7
0,30	30,6	457,9	257,0	66,9

Проведені дослідження закономірностей відриву тороподібної поверхні з сапропелевої маси підтверджують доцільність наближення поверхні днища ковша до сферичної, як найбільш оптимальної для добування органічного сапропелю вологістю 93…98 %.

Показником, що визначає ефективність роботи КСУ є коефіцієнт наповнення ковша к_н. Для дослідження даного показника були проведені експерименти з використанням фізичної моделі КСУ, на якій був встановлений ківш із значенням центрального кута б_к=87⁰ і відношенням радіусів R/r=1,6. В якості досліджуваного матеріалу використовували сапропель з вологістю з діапазону W=93…97 %.

Аналіз отриманих результатів показав, що на зміну коефіцієнта наповнення ковша к_н мають значний вплив вологість сапропелю W, відстань від центра обертання поверхні днища ковша до поверхні сапропелю l, а також в меншій мірі впливає кут виходу ковша з сапропелевої маси б_вих. При значеннях величини l менше 200 мм коефіцієнт к_н сягає максимального значення і залишається сталим, при цьому спостерігається занурення арки ковша і елементів привода скребка в сапропелеву масу, що є небажаним явищем. Розбіжність між експериментальними значеннями і значеннями, розрахованими за формулою (5), в якій втрати матеріалу при підйомі ковша не враховані, при l=200…350 мм і вологості сапропелю 93…95 % становила до 20 %, а для сапропелю вологістю 95…97 % - до 40 %.

Встановлення та дотримання необхідного кута виходу ковша б_вих з сапропелевої маси залежить від геометричних параметрів підвіски, які в процесі виконання екскавації залишаються постійними, а також кута підйому каретки г, який постійно змінюється. Згідно проведених випробувань дослідного зразка, запропонована конструкція забезпечує значення кута б_вих в межах 30…40⁰ при величині кута більше 3⁰.

У п'ятому розділі “Результати перевірки коефіцієнта наповнення ковша та розрахунок економічної ефективності” проведено перевірку коефіцієнта наповнення ковша КСУ та розраховано економічну ефективність від її застосування для добування сапропелю органічного типу на малих водоймах.

При лабораторних випробуваннях дослідного зразка КСУ було застосовано математичний метод планування експерименту для забезпечення оцінки впливу визначених факторів на роботу даного пристрою. Дослідження проводили згідно симетричного некомпозиційного плану реалізації експерименту Бокса-Бенкіна другого порядку. Змінними факторами були: вологість сапропелю W, відстань від центра обертання днища ковша до поверхні сапропелю l та кут виходу ковша з сапропелевої маси б. Після обробки результатів досліду розробленою програмою у середовищі Mathcad отримано рівняння регресії:

к_н=-112,494+2,5215W-0,3587l+0,0854б+4,7•10-⁴Wl-0,01425W²-2,08•10-⁵l²-1,08•10-³б². (11)

Аналіз отриманих результатів показує, що всі досліджувані фактори мають суттєвий вплив на коефіцієнт наповнення ковша. Отримана залежність також підтверджує результати попередніх досліджень, згідно з якими оптимальне значення параметрів дослідного зразка знаходиться в області вибраних параметрів експерименту.

Запропоновано спосіб розробки малих озер без води та шляхи використання отриманого сапропелю у сільськогосподарському виробництві.

Розрахунок економічної ефективності свідчить про доцільність використання КСУ для добування сапропелю органічно типу з малих водойм. Річний економічний ефект складає 106582 грн.

Висновки

1. У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-прикладної задачі, яка є складовою агроекологічної проблеми з підвищення родючості ґрунтів та покращення екологічного стану регіону, що виявляється у ефективній розробці озер, заповнених сапропелем органічного типу, з використанням КСУ на підставі розкриття сукупного впливу фізико-механічних властивостей матеріалу та конструктивних параметрів КСУ на коефіцієнт наповнення ковша.

Аналіз стану малих водойм і засобів проведення земляних робіт показав, що для розробки сапропелевих покладів необхідно застосовувати КСУ, але конструкції скреперних ковшів не дозволяють добувати сапропель. Налипання сапропелю на стінки ковша при наборі перешкоджає переміщенню призми волочіння, і тим самим спричиняє погане його наповнення, а неповне розвантаження зменшує його корисний об'єм.

2. Проведений аналіз конструкцій відомих ковшів та процесу черпання сапропелю вологістю W=98…93 % привів до створення ковша із опуклим днищем, що виконане у формі частини поверхні тора. Проведено ряд теоретичних досліджень з визначення оптимальних параметрів тороподібної поверхні, врівноваження ковша, проведений силовий аналіз скребка, що є основою для обґрунтування конструкцій ковшів з днищем опуклої форми.

3. Дослідження з визначення кута згину несучого каната на блоках каретки показали, що для підвищення його довговічності набір сапропелю необхідно здійснювати на певній ділянці дороги, ближче до середини котловини озера, де згин каната буде найменшим, при цьому верхні шари сапропелю будуть стікати в утворене в місці набору заглиблення. Зокрема, для КСУ з відстанню між баштами l=300 м, висотою великої та малої башти відповідно h_в=20 м і h_м=5 м набір сапропелю слід проводити на відстані 120…200 м від великої башти. Зменшення висоти великої башти також сприяє підвищенню довговічності несучого каната.

4. Вологість, зольність та об'ємна маса органічного сапропелю мало змінюються із зміною глибини залягання покладів і знаходяться в наступних межах: вологість W=98…93 %, зольність А^с=16,5…15,0 % і об'ємна маса m=1,01…1,16 т/м³. Такий сапропель є придатним для приготування органо-мінеральних добрив.

5. Отримані результати липкості органічного сапропелю свідчать про широкі її межі в залежності від початкової вологості зразка. Із зміною часу прикладання навантаження липкість сапропелю зростає, а після 40 с. стабілізується. Тому при тривалому контакті сапропелю низької вологості із робочими поверхнями може відбуватися його посилене налипання, що вимагає застосування захисних мір. сапропел сировина ковш

6. За результатами дослідження граничного напруження зсуву ф_с сапропелю встановлено, що його значення не залежить від вологості та глибини залягання покладів і знаходиться в межах довірчого інтервалу. Зокрема, при вологості сапропелю в межах W=98…93 % напруження зсуву необхідно приймати з інтервалу ф_с=443…461 Па. Середнє значення сил зчеплення сапропелю при цьому становить c_c=410 Па. Тому органічний сапропель вологістю більше 93 % є ідеально зв'язний матеріал.

7. Проведені дослідження закономірностей відриву тороподібної поверхні з сапропелевої маси підтверджують доцільність наближення поверхні днища ковша до сферичної, як найбільш оптимальної для добування органічного сапропелю природної вологості 93…98 %.

8. Експериментальні дослідження коефіцієнта наповнення ковша к_н підтвердили достовірність теоретичних залежностей. Згідно з дослідженнями, зміна величини коефіцієнта наповнення ковша коливається в межах к_н=0,8…1,2 при зміні вологості сапропелю в межах W=97…93 %, відстані від центра обертання днища ковша до поверхні сапропелю - l=200…350 мм та кута виходу ковша з сапропелевої маси - б_вих=30…40⁰.

9. Запропоновано спосіб пошарової розробки покладів сапропелю, що є важливо при отриманні матеріалу з природними властивостями для подальшого використання у сільськогосподарському виробництві у вигляді органічної речовини.

Розрахунковий річний економічний ефект від використання запропонованої КСУ для розробки родовищ сапропелю органічного типу становить 106582 грн.

Список опублікованих праць

1. Булік Ю.В. Аналіз способів і засобів добування сапропелів // Сборник научных трудов Керченского морского технологического института “Механизация производственных процессов рыбного хозяйства, промышленных и аграрных предприятий”. Выпуск 2. - Керчь: КМТИ, 2001. - С. 116…118.

2. Булік Ю.В., Дідух В.Ф. Визначення кутів обхвату блоків каретки канатно-скреперної установки несучим канатом // Науковий вісник НАУ. Вип. 49. - К.: НАУ, 2002. - С. 33…38.

3. Булік Ю.В., Дідух В.Ф. Дослідження та вибір раціональної форми ковша для розробки сапропелевих родовищ // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства “Технічний сервіс АПК, техніка та технології у сільськогосподарському машинобудуванні”. Випуск 24. - Харків: ХДТУСГ, 2004. - С. 84…89.

4. Булік Ю.В. Врівноважування ковша канатно-скреперної установки // Сільськогосподарські машини: Зб. наук. ст. Вип. 10. - Луцьк: Ред.-вид. відділ ЛДТУ, 2001. - С. 50…53.

5. Булік Ю.В. Силовий аналіз скребка ковша канатно-скреперної установки // Сільськогосподарські машини: Зб. наук. ст. Вип. 11. - Луцьк: Ред.-вид. відділ ЛДТУ, 2001. - С. 3…7.

6. Булік Ю.В. Особливості застосування канатно-скреперної установки для добування сапропелю // Агромех-2004: Матеріали Міжнародної науково-практичної конференції (22…24 вересня 2004 р.). - Львів: Львівський державний аграрний університет, 2004. - С. 133…137.

7. Дідух В.Ф., Булік Ю.В. Моделювання канатно-скреперної установки // Вісник ТДТУ імені Івана Пулюя. - 2005. - №1. - С. 100…104.

8. Пат. 51375 А України, МКИ E02F3/54. Канатно-скреперна установка / Булік Ю.В., Дідух В.Ф. - №51375 А; Заявл. 06.03. 2002; Опубл. 15.11.2002. Бюл. № 11. - 3 с.

9. Пат. 71750 А України, МКИ E21С49/00. Спосіб добування сапропелю з малих водойм / Булік Ю.В., Дідух В.Ф., Грабовець В.В. - №71750 А; Заявл. 04.12. 2003; Опубл. 15.12.2004 р. Бюл. № 12. - 2 с.

Анотація

Булік Ю.В. Обґрунтування процесу і параметрів механізму для добування сапропелю. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11 - машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва - Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2005.

Дисертаційну роботу присвячено розробці та теоретичним і експериментальним дослідженням КСУ для добування сапропелю з метою збереження властивостей добутої сировини та забезпечення ефективності способу розробки. Для вирішення поставлених завдань проведено аналіз існуючих конструкцій КСУ та виявлено їх недоліки; запропоновано КСУ, яка обладнана ковшем із днищем опуклої форми і встановленим на ньому скребком; проведено дослідження по визначенню оптимальних параметрів опуклого ковша; визначена умова врівноваження ковша КСУ у вигляді нерівності, на основі якої підбираються параметри ковша та елементів його підвіски; проведено аналіз роботи скребка та отримано залежності для визначення моменту початкового натягу пружин для притискання ножа скребка до задньої стінки ковша під час транспортування набраного матеріалу та необхідного тягового зусилля для привода скребка при розвантаженні ковша; отримано вираз для визначення кута згину несучого каната на блоках каретки; досліджено фізико-механічні властивості сапропелів природної вологості, які впливають на процес екскавації. Основні результати роботи реалізовано в дослідному зразку КСУ. При перевірці якості його роботи отримано рівняння регресії, що дозволяє оцінювати вплив окремих факторів на коефіцієнт наповнення ковша.

Аннотация

Булик Ю.В. Обоснование процесса и параметров механизма для добычи сапропеля. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11 - машины и средства механизации сельскохозяйственного производства - Тернопольский государственный технический университет им. Ивана Пулюя, Тернополь, 2005.

Диссертационная работа посвящена разработке и теоретическим и экспериментальным исследованиям КСУ для добычи сапропеля с целью сбережения свойств добытого сырья и обеспечения эффективности способа разработки. Для решения поставленных задач проведен анализ существующих конструкций КСУ и скреперных ковшей, с целью выявления их недостатков. Предложена КСУ, оборудованная ковшом с днищем выпуклой формы и установленным на нем скребком, в которой устранены выявленные недостатки. Проведены исследования по определению оптимальных параметров выпуклого ковша, которые показали, что с учетом физико-механических и реологических свойств сапропелей форма ковша должна приближаться к части сферы. Определено условие уравновешивания ковша КСУ в виде неравенства, на основании которого подбираются параметры ковша и элементы его подвески. Проведен анализ работы скребка и получены зависимости для определения момента начального натяжения пружин для прижимания ножа скребка к задней стенке ковша во время транспортировки набранного материала и необходимого тягового усилия для привода скребка при разгрузке ковша. Получено выражение для определения угла изгиба несущего каната на блоках каретки и построено соответствующие графические зависимости, на основании которых предложены мероприятия по повышению долговечности несущего каната.

Исследованы физико-механические свойства сапропелей естественной влажности, которые влияют на процесс экскавации. Основные результаты работы реализованы в опытном образце КСУ. При проверке качества его работы получено уравнение регрессии, которое позволяет оценивать влияние отдельных факторов на коэффициент наполнения ковша.

Изложено программу и методику проведения экспериментальных исследований, описание оборудования, приборов, экспериментальной установки. Для проведения экспериментов использовалось стандартизированное оборудование или разработанное и изготовленное самостоятельно, которое наиболее близко соответствовало условиям исследуемого процесса.

Исследованы и систематизированы физико-механические свойства сапропелей природной влажности, влияющие на процесс экскавации. В частности, были определены значения объемной массы сапропелей, влажности, зольности, а также начальное сопротивление сдвигу и сцепление сапропелей. Данные исследования подтвердили предположение, что органический сапропель природной влажности есть идеально связным материалом.

Разработана и изготовлена экспериментальная установка для исследования процесса экскавации сапропелей, позволяющая исследовать работу КСУ в режиме черпания, транспортирования и выгрузки материала. С использованием этой установки проведены экспериментальные исследования закономерности изменения коэффициента наполнения ковша, что позволило произвести сравнение теоретических и экспериментальных зависимостей. Проведены лабораторно-производственные испытания устройства с использованием математического метода планирования эксперимента. В результате проведения экспериментов получено уравнение регрессии, позволяющее оценить влияние исследуемых факторов на коэффициент наполнения ковша.

Расчет экономической эффективности использования разработанной КСУ указывает на целесообразность ее использования для добычи органического сапропеля с малых водоемов.

Summary

Bulik Y. The substantiation of process and parameters of mechanism for sapropel production. - Manuscript.

Dissertation paper for a scientific candidate degree of technical sciences on speciality 05.05.11 - machine and means of mechanization of agricultural production. Ternopil State Ivan Pul'uj Technical University, Ternopil, 2005.

Dissertation paper is devoted to the development and theoretical and experimental researches of installation with traction cable (ITC) for the extraction of sapropel with the purpose conservation of the properties of the extracted raw material and providing the efficiency of the development method. For the decision of the given tasks the analysis of the ITC construction and scoops is done and their defects are found; ITC is offered which is equipped by scoop with the bottom of protuberant form and scraper set on it; the research on determination of protuberant scoop optimum parameters is done; certain condition of balancing, on the ITC scoop as inequality is determined, on the basis of which the parameters of scoop and elements of its suspension bracket are chosen; the analysis of scraper work is done; dependences for the determination of initial springs tension moment for knife clamping of scraper to the back wall of scoop during the transportation of the colleted material and the necessary hauling efforts for a scraper drive at unloading of scoop are achieved; the expression for determination of bend corner of bearing rope on the blocks of carriage is received and proper graphic dependences are built; physics mechanical properties natural humidity sapropel which influence on the process of excavation are investigated. Main results of research are realized in the pre-production model ITC. The equation of regression at the quality control of its work is achieved, that allows to estimate the influence of separate on the coefficient of scoop filling.

Размещено на Allbest.ru