misnikov_o_s_tehnologiya_i_kompleksnaya_mehanizaciya_otkryty (1)

11

Рис. 2. Схема винтовой фрезы (а) и сечение щели (б): 1 – спиральные ленточные

Для увеличения качества переработки древесных включений и повышения надежности машины фреза всегда устанавливается с небольшим наклоном в продольной плоскости. Для лучшего закрытия щели она, как правило, ставится наклонно и в плоскости, перпендикулярной направлению движения машины. Углы наклона обычно не превышают 15°. Утолщение в нижней части фрезы обеспечивает увеличение объема торфа, который экскавируется из нижних, имеющих большую степень разложения слоев торфяной залежи. При этом повышается средняя степень разложения экскавируемой массы, что позволяет эффективно эксплуатировать залежь со значительным верхним слоем слаборазложившегося торфа.

Техническая производительность винтовой фрезы определяется по формуле

где V в – максимальный объем торфа, экскавируемый одним витком фрезы при обороте на один радиан, м 3 ; К п – коэффициент производительности фрезы; – угловая скорость вращения фрезы, рад/с; z – число заходов винтовой линии; К р – коэффициент разрыхления торфяного грунта.

12

Максимальный объем, экскавируемый одним витком фрезы, нахо-

где b = t – – расстояние между соседними витками вдоль оси фрезы, м; R – радиус фрезы по концам ножей, м; r – радиус корпуса фрезы, м; t – шаг винтовой линии, м; – толщина ножа, м. Производительность винтовой фрезы по ходу фрезформовочной машины определяется так же, как и для дисковой фрезы.

Кроме рассматриваемых выше устройств, экскавация торфа из залежи может производиться цепным баром. Его производительность рассчитывается по методике расчета ковшовой рамы, которая приводится ниже. Основное преимущество цепного бара заключается в том, что он позволяет производить экскавацию на глубину до 1,5 м и обеспечивает хорошее качество перемешивания торфа перед механической переработкой. Однако его применение ограничивается на площадях с повышенной пнистостью, так как экскавирующие лопатки не имеют заточки и не способны дробить древесину пней.

При экскаваторном способе производства кускового торфа экскавация торфа из залежи производится одноковшовыми и многоковшовыми экскаваторами.

Теоретическая производительность одноковшового экскаватора (Q теор ) – это количество торфяной массы, которое может быть извлечено в единицу времени (обычно в м 3/ч) при непрерывной работе экскаватора. При этом коэффициент наполнения ковша К н и разрыхления торфа К р принимаются равными единице, а угол поворота ковша на выгрузку – 90°.

где V к – вместимость ковша экскаватора, м 3 ; Т ц. п – паспортная продолжительность рабочего цикла, сек.

Техническая производительность экскаватора (Q техн ) – это максимальная часовая производительность при непрерывной работе экскаватора

вконкретных технологических условиях. Техническая производительность зависит от конструктивных параметров экскаватора, экскавируемости залежи, коэффициента наполнения ковша, коэффициента разрыхления торфа

вковше, параметров забоя и условий разгрузки (разгрузка в навал, транспортное средство или стилочную машину). Параметры забоя оказывают влияние на продолжительность вспомогательных операций.

Часовая техническая производительность в плотной массе для одноковшовых экскаваторов определяется по формуле

13

где Т ц.р – расчетная продолжительность рабочего цикла экскаватора в данном забое, зависящая от типа карьера и угла поворота экскаватора к раз-

тельных операций (t р – продолжительность непрерывной работы экскаватора с одного положения, сек; t п – продолжительность одной передвижки, сек). Коэффициент забоя также учитывает влияние типа забоя, его параметров и способа отработки забоя, условий разгрузки породы. К э учитывает также перемещение экскаватора в процессе заходки.

Расчетная производительность рабочего цикла одноковшовых экскаваторов при совмещении вспомогательных (опускание ковша для черпания и разгрузки, подтягивание и выдвижение рукояти и др.) и основных операций определяется по формуле

где t ч – продолжительность черпания, с; t п1 , t п2 – продолжительность поворота экскаватора соответственно к месту разгрузки и забою, с; t раз – продолжительность разгрузки ковша, с; t пр – суммарная продолжительность погрузочно-разгрузочных операций, с.

Фактическая продолжительность черпания при Кр 1,3 определяется по формуле

где П э.ф и П э.п – соответственно фактический и паспортный показатели трудности экскавации пород; t ч.п – паспортная продолжительность черпания породы; К р – средневзвешенный коэффициент разрыхления торфа (обычно принимается от 1,1 до 1,3).

Кроме одноковшовых экскаваторов, экскавация торфа может выполняться ковшовыми рамами многоковшовых экскаваторов. Ковшовая рама – (рис. 3) устройство непрерывного действия, снабженное рядом ковшей, последовательно расположенных на замкнутых пластинчатых цепях, перемещающихся по направляющим. В верхней части ковшовой рамы монтируется ведущий вал со звездочками, в нижней – направляющие колеса с натяжным устройством. Ковши представляют собой жесткую сварную конструкцию с отверстиями в днище и на боковых стенках для сброса лишней воды.

14

Впроцессе работы ковшовая рама поворачивается на некоторый угол

ивозвращается назад, совершая веерообразные движения, а также опускается и поднимается, что позволяет ей экскавировать торф, разрабатывая залежь различной глубины (рис. 3 б). Для устранения потерь торфяной массы при выходе заполненных ковшей из залежи нижняя ветвь ковшовой цепи над залежью движется в приемном желобе, длина которого подбирается в зависимости от глубины экскавации. Экскавация выполняется при оста-

новках экскаватора после передвижения на 0,5…0,7 м. С одной остановки экскавируется до 12 м 3 торфа. После этого экскаватор делает очередную

передвижку. Толщина стружки, срезаемой ковшом, колеблется от 5 до 35 см.

Рис. 3. Ковшовая рама экскаватора (а – боковой и б – фронтальный вид): 1 – ковш;

При работе ковшовой рамы образуется карьер, ширина и глубина которого зависит от мощности торфяного пласта и типа экскаватора. Основными элементами карьера (рис. 4) являются забой, откос, верхний и нижний контур, дно и поверхность залежи.

К элементам карьера следует отнести также дамбы и перемычки, оставляемые на переувлажненной залежи для изоляции забоя от воды, скапливающейся в карьере. Расстояние между дамбами соответствует ширине карьера, а перемычки оставляют через каждые 40…50 м. После выработки торфа в дамбах и перемычках прокапываются проходы, обеспечивающие возможность сброса воды.

15

Рис. 4. Общий вид (а) и разрез (б) карьера: 1 – дамба; 2 – нижний контур; 3 – откос; 4 – верхний контур; 5 – поверхность торфяного месторождения; 6 – забой; 7 – дно; 8 – перемычка; 9 – дно торфяного месторождения; 10 – защитный придонный слой; h к – глубина карьера; b к – ширина карьера

Для того чтобы снизить опасность обвалов и оползней торфа с откоса карьера на глубоких торфяных месторождениях, его делают наклонным. Это обеспечивается установкой некоторого начального угла поворота ковшовой рамы в пределах 14…19°. Верхние и нижние контуры карьера – линии пересечения поверхности торфяного месторождения и дна карьера с его откосом.

Производительность ковшовой рамы (Q кр ) зависит от вместимости ковшей, их шага, скорости ковшовой цепи, а также от глубины экскавации, которая влияет на наполнение ковшей:

V к – вместимость ковша, м 3 ; n – число ковшей, наполняемых в единицу времени; К н – коэффициент наполнения ковша; К р – коэффициент разрыхления торфа.

где ц – скорость ковшовой цепи, м/с; t – шаг ковшей, м.

Коэффициент наполнения ковшей зависит от глубины экскавации и принимает следующие значения: 1 м – 0,85; 2 м – 0,95; 3 м – 1,0;

4,5 м – 1,2.

16

1.3. Механическая переработка торфомассы

При механической переработке происходит диспергирование и перемешивание торфа с превращением его в готовую для формования пластичную массу с определенными свойствами.

Диспергирование торфа – это измельчение твердой фазы в жидкой среде. Процесс диспергирования осуществляется при взаимодействии перерабатывающего механизма и торфа. Результаты процесса зависят от интенсивности воздействия механизма на торф и прочности торфа. В процессе принимают участие все механизмы машин, имеющие непосредственный контакт с торфом. Но влияние их на изменение свойств торфа неравнозначно. Эффективность перерабатывающего воздействия того или иного механизма зависит от его конструкции и режима работы. Перерабатывающей способности экскавирующих устройств, как правило, бывает недостаточно для придания торфу необходимых вязкопластических и структурномеханических свойств, обеспечивающих хорошие условия формования и высокие физико-механические свойства готовой продукции. Поэтому практически на всех торфодобывающих машинах устанавливаются специальные перерабатывающие устройства. Обычно их называют прессами.

Рабочий орган пресса вызывает в диспергируемом материале деформации сжатия, растяжения и сдвига. Поскольку торф во время диспергирования находится в пластичном или близком к нему состоянии, то деформации растяжения и сжатия малоэффективны в отношении разрушения частиц торфа. Эффект в основном зависит от того, насколько полно в процессе диспергирования представлены деформации сдвига и каковы показатели вязкопластического потока торфяной массы.

При диспергировании изменяется микроструктура торфа, разрушаются растительные остатки. Уменьшается количество механически удерживаемой влаги. Создаются условия для наилучшей упаковки твердых частиц. Увеличивается содержание высокодисперсной фракции, которая равномерно распределяется во всем объеме материала.

Дисперсность торфа может быть выражена при помощи различных показателей. В торфяном производстве для этого используется введенный С.Г. Солоповым показатель условной удельной поверхности раздела фаз, приходящейся на единицу массы сухого вещества торфа. Значение этого показателя определяется по формуле

где S 0 – условная удельная поверхность торфа, м 2 на 1 кг сухого вещества; Р 4 – содержание в торфе фракций размером менее 4 мкм, в долях единицы; К = 0,1…0,2 – коэффициент, учитывающий долю участия в образовании поверхности других фракций.

17

Условная поверхность на 1…2 порядка ниже физической поверхности раздела, однако это не мешает использовать ее при сравнительных характеристиках торфа и перерабатывающей способности машин.

Содержание фракций размером менее 4 мкм может быть определено экспериментально, принято по номограммам или вычислено по содержанию в торфе фракций размером менее 250 мкм.

Для определения S 0 есть эмпирическая формула с прямым использованием подситовой фракции размером менее 250 мкм (Р 250 ) для торфа:

непереработанного

переработанного

Величина Р 250 относительно просто определяется при помощи мокрого ситового анализа с применением сита с ячейками 0,25 мм.

Приближенно величину Р 250 можно вычислить по формуле, устанавливающей связь степени разложения торфа с его дисперсностью:

R т 0,178 4Р2505 , (1.21)

где R т – степень разложения торфа, %.

Большое значение при диспергировании имеют конструкция механизма, режим его работы и количество степеней переработки. Перерабатывающая способность оценивается показателем 0 , представляющим обобщенную деформацию торфа по главным осям координат. Этот показатель рассчитывается при конструировании машин по методу, предложенному

Ф.А. Опейко:

λ0 Ф112 Ф222 Ф332 2 Ф122 2 Ф132 2 Ф232 , (1.22)

где 0 – обобщенный показатель деформации торфа; Ф 11 , Ф 22 , Ф 33 – относительные удлинения по направлениям главных осей координат; Ф 12 , Ф 13 , Ф 23 – половины углов сдвига по этим осям.

Обобщенный показатель деформации торфа в механизме зависит лишь от особенностей механизма и определяется без рассмотрения физикомеханических и других свойств торфа. Основываясь на этом методе, Ф.А. Опейко получил выражения для оценки перерабатывающей способности ряда производственных и лабораторных механизмов, представленных в табл. 5. Использование этих зависимостей существенно расширяет возможности анализа работы конкретных механизмов при диспергировании

18

торфа с известными физико-механическими характеристиками, дает возможность определять значение условной удельной поверхности после диспергирования торфа в механизме с известной перерабатывающей способностью. Эти зависимости позволяют также, основываясь на технологических требованиях, проектировать механизмы с необходимой перерабатывающей способностью, что соответствует решению важной технологической задачи – получению готовой продукции с заранее обусловленными свойствами.

Связь между условной удельной поверхностью раздела фаз в торфе и перерабатывающей способностью механизмов исследовалась В.К. Фоминым. Им предложена следующая зависимость:

где S н – условная удельная поверхность раздела фаз в торфе до переработки (начальная); а – коэффициент, зависящий от свойств торфа.

Примечание. n – частота вращения, с – 1; Q – производительность перерабатывающего устройства, м 3 /с; – толщина стружки, м; 0 – максимальная толщина стружки, м;0 – угол захвата, рад.

19

В случае необходимости определения перерабатывающей способности механизма опытным путем по данным S и S н можно воспользоваться формулой (1.23).

Диспергирование существенно улучшает физико-механические свойства кускового торфа. Наилучшее качество кусков получено при S 0 = 600 м 2 /кг. Однако достигать таких значений в полевых условиях достаточно трудно из-за большой энергоемкости процесса диспергиро-

вания. Достаточным и экономически оправданным считается доведение S 0 до 450 м 2 /кг.

Зная перерабатывающую способность механизма и начальные параметры торфа, можно определить его условную удельную поверхность после переработки S .

При переработке удаляется большая часть газовой фазы торфа, вызывая повышение плотности торфяной массы, характеризующееся коэффициентом уплотнения

где з и п – плотность торфа в залежи и переработанного, кг/м 3 . Учитывая, что при переработке и формовании кусков удаляется

примерно 80…90 % содержащегося в торфе газа, коэффициент уплотнения с достаточной для технологических расчетов точностью можно рассчитать по формуле, учитывающей содержание газовой фазы в единице объема

, , – плотности: торфа в залежи, жидкости и твердой фазы, кг/м 3 ; W – влагосодержание торфа, кг/кг; – коэффициент, учитывающий, что газовая фаза из торфа удалена неполностью.

Коэффициент зависит от типа торфа, его степени разложения и влажности. Его значения приведены в справочных материалах

( = 1000 кг/м 3 , = 1500 кг/м 3 ).

При диспергировании происходит уменьшение содержания в торфе грубодисперсно-волокнистых и грубодисперсных фракций и увеличивается количество тонкодисперсных. Изменения в содержании коллоидных фракций при механическом диспергировании практически не происходят. Разрушение растительных остатков и клеток высвобождает большее количество слабосвязанной воды, превращая ее в свободную. Это увеличивает пластичность торфяной массы и улучшает ее деформационные свойства. На этом явлении основана возможность формования торфа пониженной влажности. Измельчение и перемешивание торфа способствуют более плотной

20

упаковке частиц при формовании и увеличению плотности переработанного и сформованного торфа в сравнении с торфяной залежью.

Улучшение структурных, водных, деформационных и других свойств торфа вызывает изменения в ходе процесса превращения торфа-сырца в готовую продукцию. В первую очередь оно влияет на ход сушки кусков. Сушка непереработанного торфа, имеющего много крупных пор, связана с постепенным уходом зоны испарения внутрь куска и переносом влаги на его поверхность в виде пара. Смещение зоны испарения снижает интенсивность процесса, так как верхний, подсохший слой начинает экранировать внутренние. В куске, сформованном из хорошо диспергированного торфа, имеется сеть мелких капилляров, по которым влага перемещается на поверхность в виде жидкости и там свободно испаряется. Это позволяет увеличить продолжительность периода постоянной интенсивности сушки, сокращая таким образом общую продолжительность процесса. Уменьшение размеров частиц в торфе, вызывая развитие капиллярных сил, приводит к интенсивному развитию усадочных напряжений, к большей усадке в процессе сушки, а следовательно, к большей плотности готовой продукции. Интенсивно развивающиеся усадочные явления способствуют более тесному сближению мелких, особенно коллоидных, частиц и возникновению сил молекулярного взаимодействия между ними. Это позволяет получить куски повышенной прочности.

Способность торфа поглощать влагу связана с содержанием в нем грубодисперсных волокнистых и грубодисперсных частиц. Эти частицы имеют крупные полости, способные поглощать и удерживать большие объемы воды. Диспергирование уменьшает объем таких полостей и, следовательно, способность торфа к поглощению влаги. Связь физикомеханических свойств кускового торфа с показателями его дисперсности изучалась В.Д. Копенкиным. Им предложен ряд эмпирических форм для определения физико-механических свойств высушенного до влажности 33…35 % кускового торфа. Некоторые из этих формул приведены в табл. 6.

Таблица 6. Эмпирические зависимости для определения основных физико-механических характеристик кускового торфа