WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Основы прогнозирования взаимодействия пневматического колесного хода с торфяной залежью

Автореферат докторской диссертации по техническим наукам

  СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА  
Страницы: | 1 | 2 | 3 |
 

ЯБЛОНЕВ АЛЕКСАНДР ЛЬВОВИЧ

ОСНОВЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО КОЛЕСНОГО ХОДА С ТОРФЯНОЙ ЗАЛЕЖЬЮ

Специальность 05.05.06 Горные машины

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени

доктора технических наук

Тверь 2011


Работа выполнена на кафедре  «Торфяные машины и оборудование» ФГБОУ ВПО «Тверской государственный технический университет».

Научный консультант:

Доктор технических наук

профессор                                                   Зюзин Борис Федорович

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор,

академик академии сельскохозяйственных

наук                                                      Ковалев Николай Георгиевич

Доктор технических наук, профессор              Иванов Сергей Леонидович

Доктор технических наук, профессор              Круглов Валерий Петрович

Ведущая организация - ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт торфяной промышленности» (ВНИИТП)

Защита диссертации состоится «28» декабря 2011 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.262.05 ФГБОУ ВПО «Тверской государственный технический университет» по адресу: г. Тверь, ул. Академическая, д. 12 (Лабораторный корпус, аудитория Л-214).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тверского государственного технического университета.

Автореферат разослан «___ »________ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета:

доктор технических наук профессор                  Васильев Алексей Николаевич


3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Торф - один из самых распространенных видов природных ресурсов. На территории 63 субъектов Российской Федерации зарегистрировано 21 186 торфяных месторождений. Предполагаемые запасы торфа в России составляют более 140 млрд тонн. Ежегодный прирост торфа как возобновляемого источника сырья и энергии оценивается в 250 млн тонн. В 2010 году добыто 1,41 млн тонн торфа условной 40%-ной влажности, тогда как в 1980-е годы в СССР добывалось около 50 млн тонн, что свидетельствует о кризисе состояния отечественной торфяной промышленности. Резкое снижение объемов добычи торфа привело к выбытию из эксплуатации около 300 тыс. га освоенных и подготовленных к добыче площадей, что создало предпосылки для возникновения чрезвычайных ситуаций (торфяных пожаров) на данных территориях, снижения уровня жизни населения торфяных поселков и росту безработицы в сельских районах.

Принимая во внимание проблемы, стоящие в настоящее время перед электроэнергетической отраслью и коммунальным хозяйством, и масштабные задачи, поставленные в области повышения энергетической эффективности и энергосбережения, локомотивом вывода торфяной отрасли из кризиса может стать использование торфа и продуктов его переработки с целью производства тепла и электрической энергии.

Расширение применения торфа и продуктов его переработки позволит повысить эффективность функционирования региональных энергетических систем; использование топливных ресурсов будет способствовать решению проблемы энергосбережения, так как снизятся потери электрической и тепловой энергии при транспортировке посредством приближения энергомощностей непосредственно к потребителям, что особенно актуально в связи с высокой степенью износа сетевой инфраструктуры. В сельском хозяйстве увеличение применения торфяных продуктов приведет к повышению урожайности. Известен положительный опыт широкого использования торфа в Ирландии, Канаде, Финляндии, Белоруссии и других странах мира.

Стратегия развития торфяной промышленности России предусматривает обеспечение к 2020 году уровня добычи торфа в 50 млн тонн в год. Столь амбициозная задача может быть решена лишь при значительной модернизации торфодобывающего оборудования и использовании инновационных технологических решений с целью увеличения производительности и повышения экономической эффективности торфяных предприятий.

Одним из направлений модернизации и обновления торфодобывающей техники является использование машин и тракторов на пневматическом колесном ходу, который по сравнению с гусеничным ходом менее энерго- и металлоемок, позволяет развивать большие скорости передвижения, адаптирован одновременно к условиям бездорожья и дорогам с твердым покрытием. Применение пневматического колесного хода позволит торфяным предприятиям самостоятельно заниматься доставкой торфа с производственных


4

участков к потребителям, задействовав для этого собственные тракторы и прицепы, эксплуатирующиеся на технологических операциях по добыче торфа, повысив эффективность собственной деятельности и значительно снизив стоимость транспортных работ.

Многие вопросы взаимодействия пневматического колесного хода с торфяной залежью в настоящее время остаются малоизученными. Такие процессы, как взаимное деформирование и изменение формы площади контактной поверхности пневматического колеса с торфяной залежью не учитываются в тяговых расчетах и расчетах на проходимость. Нет обоснований эффективного применения сдвоенных колес с позиции снижения силы сопротивления передвижению, не исследовано влияние на силу сопротивления передвижению качественных характеристик торфяной залежи и давления воздуха в шинах.

Таким образом, исследование взаимодействия пневмоколесного хода с торфяной залежью и основы прогнозирования этого взаимодействия являются актуальной научной проблемой.

Объектом исследования является пневматический колесный ход торфяных машин и тракторов и его взаимодействие с торфяной залежью.

Предметом исследования являются функциональные и корреляционные связи между силой сопротивления передвижению, давлением воздуха в шинах и качественными характеристиками торфяной залежи; зависимость формы и площади контактной поверхности деформированной шины от давления воздуха в шине и величины ее нормальной деформации; особенности применения машин и тракторов на пневмоколесном ходу в условиях торфяных предприятий.

Идея работы заключается в учете влияния величины нормальной деформации пневматической шины на площадь контактной поверхности шины и торфяной залежи, проведении экспериментальных исследований по оценке зависимости силы сопротивления передвижению от качественных характеристик залежи и параметров колесного хода.

Цель работы состоит в теоретическом и экспериментальном обосновании научных принципов создания и использования техники на пневмоколесном ходу в торфяной промышленности и прогнозировании ее потребительских свойств для применения в различных сферах хозяйственной деятельности торфопредприятий.

Научные положения, разработанные лично соискателем и выносимые на защиту:

  1. Форма площади контакта деформированного пневматического колеса с торфяной залежью представляет собой эллипсоид, осями которого служат большая и малая оси, образованные эквивалентным колесом, имеющим новые, большие значения радиусов в продольной и поперечной плоскостях.
  2. Деформация пневматического колеса оказывает существенное влияние на площадь его контакта с торфяной залежью при площади диаметрального сечения колеса, большей 0,71 м . Резервы увеличения комплексного показателя

5

проходимости заключаются в учете деформации не только торфяной залежи, но и шины.

3.   Нормальная деформация при допустимом буксовании способна

изменять динамический радиус колеса на 10... 15%.

4.      Полученная экспериментальным путем зависимость силы

сопротивления передвижению от нагрузки на колесо для всех исследуемых

случаев достаточно точно описывается линейными уравнениями.

  1. Минимальная сила сопротивления передвижению для различных характеристик торфа наблюдается при давлении воздуха в колесах 0,04...0,06 МПа.
  2. Эффективный переход на сдвоенный колесный ход по условию минимизации силы сопротивления передвижению наблюдается при удельной условной нагрузке на колесо от 3,11 до 10,51 кН/м (в зависимости от характеристик торфяной залежи).
  1. Максимальное смещение колеи передних колес относительно задних по условию оптимизации силы сопротивления передвижению определяется относительным смещением колеи на 23...35% от ширины колеса (в зависимости от качественных характеристик торфяной залежи).
  2. Частное от деления коэффициентов сопротивления передвижению для уплотненной и неуплотненной залежи есть величина относительно постоянная для всех рассмотренных значений влажности торфа и составляет для одинарного колесного хода 0,61...0,62, а для сдвоенного колесного хода -0,55...0,56.
  1. Для высокоэффективного использования машинно-тракторные агрегаты можно разделить на две группы: для ворошения и валкования требуется трактор-тягач с мощностью двигателя 50...60 кВт, а для послойно-поверхностного фрезерования, уборки, профилирования, операций по вывозке торфа необходим трактор с мощностью двигателя 100... 130 кВт. Для первой группы операций рекомендуются колесные тракторы ЛТЗ-60АБ, ЛТЗ-60АВ, МТЗ-82.1, МТЗ-900, а для второй группы операций - ЛТЗ-155.4У, РТ-М-160У, МТЗ-1221, МТЗ-1523, ХТЗ Т-17221.
  2. Максимальная дополнительная вертикальная нагрузка на колеса тягача торфяных машин от действия суммарных сил инерции наблюдается на операциях по вывозке торфа с помощью прицепов на пневмоходу.
  1. В общей схеме проведения транспортных операций по доставке торфа потребителям с производственных участков 54% операций может быть выполнено тракторами с прицепами на пневмоколесном ходу и железнодорожными составами узкой колеи, 31% - с применением грузового автотранспорта и железнодорожных составов широкой колеи и 23% - с применением грузового автотранспорта зимой с использованием технологии намораживания автодорог.
  2. Анализ инвестиционных оценок эффективности транспортных работ позволяет выделить показатели, в комплексе наиболее полно оценивающие состояние    и    перспективы    развития   торфяного    предприятия:    минимум

6

приведенных затрат, коэффициент сравнительной экономической эффективности, чистая текущая стоимость, внутренняя норма доходности, срок окупаемости инвестиций.

  1. Максимально возможная цена торфяного (резервного) топлива, полученная на основе сравнения с ценой основного топлива (мазут, газ, уголь), определяет потолочную цену транспортных работ и техники для каждого конкретного предприятия.
  2. Увеличение надежности и производительности бункерной уборочной машины на пневмоколесном ходу возможно с помощью устройства слежения за работой ковшевого элеватора.

Научная новизна исследований:

  1. Впервые разработана методика определения площади контактной поверхности пневматического колеса и торфяной залежи с учетом их деформаций.
  2. Решена крупная, вызванная хозяйственной деятельностью, задача -теоретически и экспериментально обоснована и разработана методика определения потребительских свойств и границ применимости техники на пневмоколесном ходу для торфяной промышленности.
  3. Определены ориентиры для формирования предложений на рынке средств труда, в том числе и за счет их производства по заказам торфяной отрасли.
  4. Обеспечено дальнейшее развитие экономической оценки деятельности торфяного предприятия.

5.   Обеспечено дальнейшее проведение исследований взаимодействия

пневматического колесного хода с торфяной залежью в лабораторных

условиях.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:

-использованием методов теории подобия, статистического и корреляционно-регрессивного анализов, применением современных компьютерных технологий и динамического программирования;

  1. корректностью сделанных допущений при построении математических и физических моделей;
  2. анализом существующих теоретических и экспериментальных данных, сравнением полученных результатов с результатами других авторов;

-  положительными результатами апробации исследования.

Научное значение работы заключается в следующем:

-разработана   методика   расчета   площади   контактной   поверхности

пневматического колеса и торфяной залежи с учетом их взаимного деформирования;

-в ходе экспериментальных и теоретических исследований получены данные, способствующие формированию и оценке потребительских свойств техники на пневмоколесном ходу для торфяной промышленности;


7

-в процессе исследования создана модель пневматического колесного хода, совершенствование и применение которой в условиях новых целей и задач будет способствовать дальнейшему прогрессу в отрасли науки, изучающей взаимодействие пневматического колесного хода с различными средами.

Практическое значение работы состоит в следующем: -на      основании      обобщения      научно-производственного      опыта сформулированы    требования    к    колесным    тракторам     для    торфяной промышленности;

  1. все торфодобывающие операции разбиты на две группы и для каждой из них рекомендован свой тип колесного трактора;
  2. определена методика формирования потолочной цены на торфяное топливо, а следовательно, на транспортные операции и стоимость техники;
  3. усовершенствован ковшевой элеватор торфоуборочной машины МТФ-43 с целью повышения надежности, производительности и эффективной работы на повышенной скорости, возможности которой обеспечивает пневматический колесный ход;

-предложена методика оценки эффективности инвестиций в транспортные операции торфопредприятий.

Реализация результатов работы. Результаты исследования используются в учебном процессе при подготовке студентов специальностей 150403 Технологические машины и оборудование для разработки торфяных месторождений и 190603 Сервис транспортных и технологических машин и оборудования ФГБОУ ВПО «Тверской государственный технический университет», внедрены в проектную практику ООО «ИЦ Энерго» (г. Тверь) и производственную деятельность ООО «ОЛТЕС» (г. Москва).

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы на различных этапах проведения исследования докладывались на научных симпозиумах: 2-й Научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ТвеПИ (г. Тверь, 1991 г), 7-й Международной конференции физикохимии торфа и сапропеля (г. Тверь, 1994 г.), 10-й Всероссийской конференции «Образование в XXI веке» (г. Тверь,

2010    г.), ежегодных симпозиумах «Неделя горняка» в Московском

государственном горном университете (г. Москва, 2010-2011 гг.), 9 и 10-й

Международных конференциях «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и

природоохранные технологии освоения недр» (г. Котону, 2010 г.; г. Махачкала,

2011 г.), 5-й Международной конференции «Горное, нефтяное, геологическое и

геоэкологическое образование в XXI веке» (г. Грозный, 2010 г.),

6-й Международной научно-практической конференции «Современные

проблемы гуманитарных и естественных наук» (г. Москва, 2011 г.),

Всероссийском торфяном форуме (г. Тверь, 2011 г.), Международной научной

конференции «Технические науки в России и за рубежом» (г. Москва, 2011 г.),

9-й Международной научно-технической конференции БНТУ (г. Минск, 2011 г.).


8

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 45 научных работ, из них 16 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Новизна научно-технических решений отражена в 4-х патентах РФ на полезную модель. Опубликована монография.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав основного текста, заключения и приложений. Изложена на 311 страницах машинописного текста, включает 89 рисунков, 37 таблицы и список использованных источников из 205 наименований.

Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук профессору кафедры «Торфяные машины и оборудование» Тверского государственного технического университета Самсонову Льву Николаевичу за систематическую помощь в процессе работы над диссертацией.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражены современное состояние и тенденции развития торфяной промышленности России, выделены новые и традиционные направления. На примере Тверской области показана роль торфяного топлива в топливно-энергетическом балансе энерговырабатывающих предприятий. Обоснована актуальность решаемой проблемы, сформулированы цель и задачи исследования.

В первой главе диссертационной работы рассмотрены теоретические основы взаимодействия жесткого и пневматического колесных ходов с торфяными залежами.

Одним из первых работы в области качения колеса на торфяной залежи выполнил профессор Ф.А. Опейко. В дальнейшем над этой проблемой работали И.Г. Блох, С.Г. Солопов, М.В. Мурашов, В.А. Бодиловский, A.M. Григорьев, Ю.А. Свирщевский, М.М. Танклевский, В.А. Ерышов, В.В. Скурко, Л.С. Амарян, В.Г. Мойсеенко, Ю.Г. Горбутович, А.А. Гребнев, В.И. Персиков, В.М. Шпынев, A.M. Панин, В.В. Гуськов, А.К. Кочедыков, В.К. Кириллов, В.Ф. Синицын, А.В. Гуськов и др. В области взаимодействия жестких сферических штампов с мерзлыми и слабыми грунтами необходимо выделить работы А.Ю. Ишлинского, В.А. Миронова, А.А. Ланкова, И.И. Берковича и др. Зарубежный опыт по данному вопросу представлен работами BekkerM.G., Pzhistanski Е., Shroeder D., Wilson N. и др.

Изложенные этими авторами теоретические основы и их краткий обзор позволяют сделать следующие выводы:

  1. Торфяной залежи, как всякой упруго-пластичной среде, свойственно восстановление после деформации. Вследствие этого явления наблюдается контакт колеса с залежью не только по передней, но и по задней дуге. При этом задняя дуга контакта короче передней в два раза.
  2. В качестве ориентировочных характеристик нагруженности колеса можно использовать условную нагрузку - отношение нормальной нагрузки на колесо к площади его диаметрального сечения.

9

  1. Сопротивление передвижению жесткого ведомого колеса обусловлено работой, которую необходимо совершить по деформированию залежи.
  2. Как к жесткому колесу, так и к пневматическому применим закон (теорема) Герстнера о пропорциональности нормальной нагрузки объему грунта, вытесняемого колесом.
  3. Все теоретические изыскания по теме пневматического колесного хода строятся на положениях, основанных на изучении жесткого колесного хода.
  4. Зависимость удельного давления от осадки колеса носит политропный характер при показателе политропы чаще равном единице.
  5. Глубина осадки пневматического колеса на залежи определяется не только свойствами залежи и нормальной нагрузкой на колесо, но и давлением воздуха в шине, так как вследствие деформации каркаса шины площадь контакта шины и залежи увеличивается, понижая удельное давление под колесом.
  1. В случае контакта пневматического колеса и торфяной залежи нарушенной структуры (с нарушенной волокнистой структурой вследствие глубокого фрезерования, корчевания, интенсивного перемешивания) определяющими факторами являются влажность и глубина переработки залежи. Такие качества, как степень разложения, зольность и ботанический состав залежи малозначимы. Прочность залежи сильно понижается после нарушения ее структуры. Данные условия можно считать крайними с точки зрения проходимости машин, поэтому все расчетные и экспериментальные методики по оценке эффективности применения пневматического колесного хода необходимо выстраивать в привязке к этим условиям.
  2. Ввиду относительно недавнего применения колесных тракторов в качестве тяговых машин в торфяной промышленности, теория приводных колес на торфяной залежи еще недостаточно развита.

10.   Основными механическими характеристиками торфяной залежи,

влияющими на взаимодействие колесного хода и залежи, являются

сопротивления сжатию и срезу (сдвигу).

11. В настоящее время не существует какой-либо целостной методики по

расчету деформации пневматического колеса в зависимости от нагрузки на

него, осадки колеса на залежи, его геометрических параметров, давления

воздуха в шине. Изменение формы площади контакта колеса с залежью при

деформации шины не учитывается.

12.   Отсутствуют исследования по оценке эффективного сдваивания

колес.

  1. Нет четко сформулированных требований, которым должен отвечать колесный трактор для использования его в торфяной промышленности.
  2. Не сформулированы принципы агрегатирования колесных тракторов с торфяными машинами и комплексами.
  3. Отсутствуют исследования по соотношению колеи передних и задних колес трактора или машины с позиции уменьшения необходимой силы тяги.

10

Для достижения цели данного исследования, на основе анализа литературных источников, выделяются задачи, отражающие логическую структуру диссертационной работы:

-установление закономерностей нормального деформирования пневматического колеса и влияния нормальной деформации на форму и площадь контактной поверхности колеса с торфяной залежью;

-установление степени влияния нормальной деформации пневматических колес на тягово-сцепные и резистивные свойства;

-  разработка лабораторной модели пневмоколесного хода для проведения

экспериментальных работ в лабораторных условиях;

-прогнозирование зависимости силы сопротивления передвижению от параметров пневмоколесного хода и качественных характеристик торфяной залежи;

    • определение максимального смещения колеи передних колес относительно задних и условий эффективного перехода на сдвоенный колесный ход по условиям минимизации силы сопротивления передвижению;
    • определение границ оптимального значения давления воздуха в шинах по условию минимизации силы сопротивления передвижению;
    • составление математической модели зависимости силы сопротивления передвижению от параметров пневмоколесного хода и качественных характеристик торфяной залежи;
    • формулирование требований к колесным тракторам для торфяной промышленности и научных основ агрегатирования тракторов с торфяными машинами;
    • обоснование и прогнозирование целесообразности транспортных операций в торфяной промышленности с использованием машин и тракторов на пневмоколесном ходу;
    • обоснование критериев инвестиционной оценки транспортных операций в торфяной промышленности.
      СКАЧАТЬ ОРИГИНАЛ ДОКУМЕНТА  
    Страницы: | 1 | 2 | 3 |
     





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.