Основний зміст роботи
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і основні завдання досліджень, визначено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.
У першому розділі «Стан питання у теорії та практиці» проведено аналіз відомих досліджень зі встановлення властивостей сапропелю, існуючих способів добування, а також теоретичних напрацювань та особливостей конструкцій РО машин для екскавації сапропелю з-під шару води.
Дослідженнями властивостей озерних сапропелів і визначеннями параметрів засобів для добування займались: Погорілий Л., Адамчук В., Лінник М., Дідух В., Сенчук М., Ріпецький Є., Городній М., Романовський О., Мельник І., Ермоленко В., Цизь І., Висовень В., Зайцев А., Анікеєв А. Барановський В., Ветров Ю., Соколовський В., Бодак В., Шимчук О. Цими ж питаннями займалась і низка вчених за кордоном – Бігустер У., Брик І., Мазур Г., Величко В., Коновроцкі Ю., Лєр Р., Боксор Дж., Рубцов Г., Штин С., Шкундін Б. та багато інших.
Проведений аналіз показав, що зусилля авторів були спрямованні переважно на обґрунтовування лише технологій добування сапропелю з підбором відомих технічних засобів. При цьому не враховувався негативний екологічний вплив РО на водойму. Як результат, недостатньо уваги приділено середньому шару, найякіснішому за властивостями та вмістом органічної речовини, яка має меншу вологість і є перспективною для приготування компостів, виготовлення ТОД на їх основі.
У другому розділі «Теоретичні дослідження процесу та параметрів РО засобу для добування середнього шару озерних сапропелів» запропоновано загальну методику досліджень і моделі процесу екскавації середнього шару сапропелю, обумовлено теоретичні передумови вдосконалення конструкції засобу для добування, проведено дослідження процесів відділення пласта сапропелю від загальної маси криволінійними полицями та відтиску вільної води гвинтовим пресом, а також проведено кінематичний аналіз забірного пристрою фрезерного типу.
У запропонованого засобу для добування середнього шару сапропелю (рис. 1) основні вузли та енергетична установка змонтовані на понтоні 13. Забірний пристрій фрезерного типу 1 взаємодіє лише із середнім шаром, який знаходиться на певній глибині під водою та пелогеном. Його конструкція включає нерухомий корпус 2, центральний шнек 3, трубчатий рукав 5. Функцію транспортування та часткового відтиску вільної води виконують гвинтовий прес 4 з подвійним корпусом. При цьому внутрішній корпус – перфорований. Вільна вода через патрубки 14 скидається в озеро. До вивантажувального вузла відносяться завантажувальні бункери 9, вивантажувальний шнек 10, який подає добутий сапропель у баржу 11.
|
Рис. 1. Конструктивна схема засобу для добування сапропелів: 1 – забірний пристрій; 2 – нерухомий корпус; 3 – шнек; 4 – гвинтовий прес; 5 – трубчастий рукав; 6 – гідродвигуни; 7 – редуктори; 8 – гідроциліндри; 9 – бункери; 10 – вивантажувальний шнек; 11 – баржа; 12 – трактор; 13 – понтон; 14 – патрубки; 15 – поворотне кермо; 16 – лопатеве колесо.
|
Усі робочі органи приводяться в дію гідросистемою трактора 12 через гідрогенератор з приводом від ВВП трактора та гідродвигуни, які безпосередньо, або через редуктори 7 приводять в рух необхідні РО. Допоміжним обладнанням є гідроциліндри 8, поворотне кермо 15, лопатеві колеса 16.
Відокремлення пласта сапропелю від загального масиву забезпечується за рахунок врізання чотирьох широкозахватних криволінійних полиць у вигляді частин спіралі Архімеда. Поєднання процесу врізання та відділення пласта створює, за рахунок високої щільності сапропелю, додаткову силу, яка сприяє переміщенню засобу в напрямку розробки. У цьому випадку процес врізання криволінійних полиць у пласт матеріалу забезпечується загостреними краями (рис. 2). Розглянуто умову взаємодії гострого леза з матеріалом. Відносно близькими до умов цієї задачі є умови опору ґрунту похилій поверхні взаємодіючого з ним тіла. Аналогічно відомому методу розглянуто три випадки взаємодії гострого леза з масивом середнього шару озерного сапропелю: за пологих граней робочої поверхні, проміжних та крутих.
Нормальна
складова напруження
пов’язана
з дотичною компонентою
залежністю, у якій враховано зчеплення
матеріалу з внутрішньою криволінійною
поверхнею полиці:
.
(1)
|
|
Рис. 2. Схема взаємодії гострого леза з пластом матеріалу |
|
Після визначення її складових на поверхні контакту, дотичну і нормальну до траєкторії різання сили опору матеріалу, віднесеної до одиниці ширини зрізу, обчислюють за формулами:
,
(2)
де
і
– складові сили опору матеріалу
(нормальна та дотична) до лобової поверхні
ножа;
RPcв і RNсв – складові реакції матеріалу (нормальна та дотична) до лобової поверхні ножа
У найпростішому випадку невагомого зв’язного середовища:
,
(3)
де
– товщина пласта, який відділяється
від загального масиву матеріалу.
Глибокого аналізу потребує переміщення відділеного пласта по чотирьох внутрішніх поверхнях РО і встановлення загального опору. Серед його складових важливими є опір різанню, опір переміщенню призми волочіння (рис. 3) і опір переміщенню відділеного пласта через призму волочіння чи виділений об’єм матеріалу.
Відповідно, для встановлення загальної дотичної сили (сили копання) необхідно знати потужність N, що витрачається на подолання сили опору різанню F, сили переміщенню призми волочіння Fпр, сили заповненню внутрішньої поверхні РО Fзап і сили тертя Fтр:
.
(4)
Провівши аналіз рівняння (4), встановлено рівнодійну силу під час відокремлення пласта від загального масиву середнього шару озерного сапропелю з врахуванням його фізико-механічних і реологічних властивостей.
|
Рис. 3. Схема сил, прикладених до ріжучої кромки криволінійної полиці |
Розрахунки вказують, що для заданих геометричних параметрів: Fпр = 51,8 H, Nпр = = 118,1 H.
Відповідно,
рівнодійна сила Rпр
дорівнює:
.
Для подальших досліджень взаємодії робочої поверхні з відділеним пластом криволінійну полицю замінимо плоскою, шириною Hвідв = 0,4 м і нахиленою до горизонту під кутом відв = 45 (рис. 4). Інші вихідні дані залишаються незмінними. Полиця в даному випадку належить до пологих граней, оскільки відв = 45 < відв=90.
За відомими формулами та прийнятими припущеннями встановлено: значення нормальної компоненти тиску на криволінійну полицю з врахуванням сил тертя з обох її сторін; додаткову нормальну компоненту тиску на передню грань загостреної кромки; питомі дотичні й нормальні сили для подолання опору просуванню відділеного пласта крізь призму волочіння; необхідну потужність для розробки середнього шару озерного сапропелю.
|
Рис. 4. Розрахункова схема для визначення силових параметрів забірного пристрою |
кН.
(5)
Абсолютна швидкість Vкр руху загостреної кромки криволінійної полиці по траєкторії у розрахунковій точці (=8806) становить:
м/с,
(6)
Потужність на відділення об’єму сапропелю від загального масиву запропонованим РО визначатиметься за формулою:
N = 0,981RV= 1,18 кВт, (7)
де – коефіцієнт, який враховує кількість одночасної взаємодії криволінійних полиць з матеріалом, = 1,2.
Широкозахватні криволінійні полиці, вигнуті за спіраллю Архімеда, врізаються у масив зверху вниз, сприяють поступальному переміщенню засобу для добування у напрямку розробки середнього шару озерного сапропелю. З урахуванням приведених вище параметрів досліджено кінематичні параметри точок загостреної кромки полиць (рис. 5).
В процесі провертання полиці на кут швидкість Vрк точки загостреної кромки визначатиметься за формулою (6). Кут різання буде змінним:
,
(8)
де 1 – кут між передньою гранню загостреної кромки і дотичною до кола, описаного крайньою точкою криволінійної полиці.
|
Рис. 5. Схема траєкторії руху точки на ріжучій кромці криволінійної полиці
|
.
(9)
Перше коло на рис. 5 відповідає початковому положенню ріжучої кромки; коло 2 відповідає положенню криволінійної полиці після її повороту на кут і подачі на величину x1. При цьому точка А на ріжучій кромці перемістилась у положення (А). Для рівномірнішого завантаження криво-лінійної полиці під час відокремлення пласта від загального масиву ріжучі кромки необхідно встановлювати під певним кутом нахилу до осі обертання. Значення цього кута визначаємо за формулою:
, (10)
Для встановлення умов збереження цілісності відділеного пласта для передачі його до транспортуючих РО досліджено переміщення матеріальної точки за умови її невідриву від внутрішньої робочої поверхні (рис. 6). Рівняння відносного руху матеріальної точки уздовж кривої r = r ():
(11)
де
(12)
|
Рис. 6. Схема сил, що діють на матеріальну точку, яка рухається по внутрішній поверхні полиці |
;
.
(13)
Рівняння
(11) необхідно розв’язувати з урахуванням
умови
.
Таке рівняння є нелінійним диференціальним
зі змінними коефіцієнтами. Для його
розв’язання використовуємо числові
методи. Оскільки в (11)
присутня розривна функція sign,
то для забезпечення стійкості розв’язку
необхідно вибирати числову схему зі
сталим кроком.
Раціональним, для даного випадку, є розв’язування задачі методом Рунге-Кута 4-го порядку. Реалізація даної задачі в середовищі MATLAB з урахуванням прийнятих та отриманих в результаті теоретичних досліджень параметрів показала дійсність робочого процесу запропонованого забірного пристрою. Але забезпечення бажаного переміщення сапропелю по внутрішній поверхні у формі спіралі Архімеда можливе за рахунок збільшення частоти їх обертання із запропонованих 15 хв-1 до 20 хв-1, а стабільний робочий процес досягається за 25 хв-1. Розв’язок математичної моделі дав можливість отримати наступні графічні залежності, представлені на рис. 7, 8, 9.
|
|
Рис. 7. Траєкторія переміщення матеріальної точки в абсолютних координатах |
Рис. 8. Відносна кутова швидкість руху матеріальної точки стосовно робочої поверхні
|
|
Рис. 9. Кутове розташування матеріальної точки на робочій поверхні в залежності від часу |
Теоретично розглянуто також умову переміщення відділеного пласта гвинтовими робочими елементами за максимального заповнення його внутрішнього об’єму та створення осьової сили для відтиску вільної води.
У третьому розділі «Програма, методика і обладнання для проведення експериментальних досліджень» представлено програму експериментальних досліджень, наведені фото і схеми лабораторних приладів, додатково виготовлених засобів для проведення комплексу досліджень.
Представлено методики визначення вологості зразків матеріалу, зневоднення сапропелю тиском, відбору його зразків за глибиною з врахуванням вологості, визначення об’ємної маси, пресіометричних показників, липкості. Приведено методику і етапи дослідження процесу виготовлення ТОД шляхом компостування. Як дослідний матеріал використовували озерний сапропель природного стану, а також солому злакових культур, оброблену розчином гноївки ВРХ у співвідношенні 1:3 з водою.
Для проведення експериментальних досліджень з визначення фізико-механічних властивостей середнього шару озерного сапропелю, виробництва ТОД, обґрунтування раціональних параметрів добувного модуля виготовлено додаткові засоби (рис. 10) з використанням стандартизованих приладів.
а) |
б) |
в) |
Рис. 10. Обладнання для дослідження властивостей середнього шару сапропелю: а) схема приладу для визначення пресіометричних показників; б) фізична модель бурта ТОД; в) прилад для визначення сил зчеплення: 1 – стаканчик; 2 – кулька; 3 – вимірювальна головка |
||
Для дослідження процесу взаємодії криволінійних полиць забірного пристрою з озерним сапропелем використали експериментальну дослідну установку, представлену на рис. 11. Основним параметром у даному випадку є зусилля зсуву, яке характеризує опір відділення пласта матеріалу від загального масиву.
а) |
б) в) |
Рис. 11. Установка для дослідження зусилля зрізання сапропелю: а) загальний вигляд; б) змінні крильчатки; в) схема установки: 1 – крильчатка; 2 – герметичний циліндр; 3 – система подачі повітря; 4 – динамометр; 5 – кришка; 6 – блок. |
|
Моделювання широкозахватного чотирьохполицевого забірного пристрою відбувалось шляхом зміни крильчатки з врахуванням кривизни робочих поверхонь. Для цього використовували три види крильчаток 1 (рис. 11, б), робочі поверхні яких відображають зміну кутового параметру внутрішньої поверхні.
Для обґрунтування параметрів удосконаленого гвинтового преса, що використовується для відтиску вільної води під час переміщення добутого сапропелю у баржу, запроектована і розроблена лабораторна установка (рис. 12). Отримані результати дали можливість оптимізувати процес відтискання води з використанням трьохфакторного експерименту.
|
|
Рис. 12. Установка для дослідження процесу зневоднення сапропелю: а) загальний вигляд; б) схема: 1 – рама; 2 – манометр; 3 – гідравлічний домкрат; 4 – плунжер; 5 – внутрішня стінка прес-камери; 6 – ущільнення; 7 – зовнішня стінка прес-камери; 8 – зливний патрубок |
|
Конструктивною особливістю прескамери є подвійні стінки, внутрішні з яких перфоровані. Така особливість дозволила встановити розміри перфорації реального гвинтового преса.
У четвертому розділі «Результати експериментальних досліджень» представлені результати проведених експериментальних досліджень та їх аналіз.
Важливими показниками озерних сапропелів, що впливають на ефективність подальшого їх використання, є вологість та здатність твердої фази утримувати воду. Згідно даних, отриманих в процесі відбору проб з урахуванням глибини залягання, для середнього шару сапропелю природна вологість складає 78...89%, у тому числі до 15 % вільної води. Тому в процесі добування сапропелю варто забезпечити умови виділення води. Здатність сапропелів утримувати вільну воду залежить, головно, від двох факторів – зольності та глибини залягання (рис. 13).
|
За зольності органічного сапропелю 23% його природна вологість становить 90%, а за умови збільшення зольності до 29% – зменшується до 84%. Такі межі вологості озерних сапропелів пояснюються вмістом органічної речовини. Згідно отриманих, в результаті досліджень, даних було побудовано криві зміни вологості озерних сапропелів в залежності від глибини залягання h і зольності Ас для середнього шару вказаної вологості. |
Рис. 13. Залежність вологості сапропелю від глибини залягання та зольності |
За результатами досліджень процесу відтиску вільної води з озерного сапропелю побудовано графічні залежності зміни його вологості (рис. 14, а) та концентрації сухої речовини (рис. 14, б) від величини та часу прикладеного навантаження.
t,
c а) |
t,
c
S,% б) |
Рис. 14. Залежність зміни вологості сапропелю W (а) та концентрації сухої речовини сапропелю S (б) з часом t, залежно від прикладеного навантаження Р |
|
Аналіз графічних залежностей показує, що кількість води, яку можна витиснути із озерного сапропелю механічним способом прямо пропорційна величині прикладеного навантаження та часу його дії. Максимальну кількість вільної води можна виділити у перші 60 с, що вказує на перспективу застосування гвинтових пристроїв для виконання вказаної операції. В подальшому відбувається затухання процесу зневоднення сапропелю, що вказує на наявність у ньому форм вологи з більшою енергією зв’язку. За таких умов її видалення з матеріалу потребує значних затрат енергії.
Дані результатів проведених досліджень зі зневоднення озерного сапропелю шляхом механічного відтиску та створенням вакууму у міжстіновому просторі прес-камери відображають графічні залежності, наявні на рис. 15. Розглядалось три варіанти перфорації: 1 – дно; 2 – бокова стінка; 3 – бокова стінка і дно.
m,
г Рис. 15. Залежності видалення води від тиску та конструкції прес-камери
|
Р, МПа
наліз кривих відділення води з сапропелю вказує на те, що збільшення тиску пресування не суттєво впливає на інтенсивність процесу.Складність процесу виділення пласта від загального масиву сапропелю і відтиску з нього вільної води не дозволяє повністю дослідити режими та параметри засобу для добування середнього шару аналітичним шляхом.
Тому для визначення зусилля врізання криволінійної полиці у середній шар сапропелю, впливу тиску на процес його зневоднення було застосовано математичний метод планування експерименту.
Варіювання факторів здійснювали з використанням симетричного некомпозиційного плану Бокса-Бенкіна, що являє собою комбінації дворівневих (-1,+1) повнофакторних експериментів з неповноблоковими збалансованими планами. Проведення повнофакторного експерименту вимагає проведення N дослідів:
N = mk, (14)
де m – кількість рівнів дослідження;
k – кількість факторів у серії дослідження.
Проведення повнофакторного експерименту за трьома факторами на трьох рівнях вимагає проведення лише 15 дослідів. Нелінійний характер очікування функцій відгуку в області факторного простору у вигляді рівняння регресії має вигляд:
(15)
Розроблена методика дає можливість отримати математичні моделі процесу врізання робочої поверхні у масив матеріалу підвищеної вологості. Якість виконання технологічного процесу залежить не тільки від конструктивно-кінематичних параметрів механізму, але й від властивостей матеріалу Для встановлення зусилля добування середнього шару озерного сапропелю забірним пристроєм із РО фрезерного типу у вигляді чотирьох широкозахватних криволінійних полиць вибрано найбільш впливові фактори, які, як і рівні варіювання, представлено у таблиці 1.
У результаті обробки на ПК даних результатів трьохфакторного експерименту згідно математичної моделі (15), за допомогою програми, розробленої у середовищі Mathcad 14, отримано рівняння регресії, функцією відгуку в якому є зусилля врізання із факторами в натуральному виді:
(16)
Таблиця 1. Фактори і рівні варіювання |
|||
Рівні варіювання |
Фактори |
||
Липкість сапропелю Е, кПа |
Кутова швидкість n, об./хв. |
Кутовий параметр внутрішньої поверхні
|
|
х1 |
х2 |
х3 |
|
Верхній (+1) |
0,85 |
0,5 |
плоска,1800 |
Нульовий (0) |
0,55 |
0,3 |
циліндрична, 1200 |
Нижній (-1) |
0,25 |
0,1 |
Частина спіралі Архімеда,max 600 |
Інтервал
варіювання,
|
0,30 |
0,2 |
600 |
За отриманим рівнянням регресії (16) побудовано поверхні відгуку та їх двомірні січення (рис. 17). Їх аналіз показує, що найбільший вплив із розглянутих факторів на зусилля відділення пласта середнього шару озерного сапропелю від загального масиву має кутовий параметр, який характеризує криволінійність внутрішньої поверхні, та кутова швидкість, про що свідчать значення коефіцієнтів за даними факторами.
Розрахунок максимальних та мінімальних значень крутного моменту врізання показав, що максимальний крутний момент М = 33,057 Н/м виникає за липкості Е = 0,85 кПа, частоті обертання забірного пристрою n = 0,5 об/хв і кутовому параметрі внутрішньої поверхні = 120, а мінімальний – М = = 9,097 Н/м виникає при липкості Е = 0,85 кПа, частоті обертання забірного пристрою n= 0,1 об/хв і кутовому параметрі внутрішньої поверхні = 60.
8,5
8,5
9,5
9
9
Рис. 17. Залежність крутного моменту врізання забірного пристрою в пласт сапропелю від липкості Е та частоти обертання забірного пристрою n для кутового параметра внутрішньої поверхні:
1
–
;
2 –
;
3 –
.
Зменшення частоти обертання криволінійних полиць зумовлено екологічним фактором, який спрямований на мінімізацію руйнування твердої фази сапропелю у зоні розробки та змішування її з вільною водою. Проте недостатня частота обертання криволінійних полиць викликає зростання зусилля врізання. Кутовий параметр внутрішньої поверхні є важливим для зменшення сил тертя.
Для
виявлення ефективності відтиску вільної
води під час переміщення добутого
сапропелю у баржу також було проведено
трьохфакторний експеримент. Для даного
процесу
регульованими
факторами були вибрані час відтискання
,
тиск на матеріал Р,
площа перфорації
S
(табл.
2).
Таблиця 2. Фактори і рівні варіювання
Рівні варіювання |
Фактори |
||
Час відтискання , хв. |
Тиск на матеріал P, кПа |
Площа перфорації S, м2 |
|
х1, |
х2 |
х3 |
|
Верхній (+1) |
90 |
200 |
0,15 |
Нульовий (0) |
60 |
125 |
0,10 |
Нижній (-1) |
30 |
50 |
0,05 |
Інтервал варіювання, |
30 |
75 |
0,05 |
Обробка даних результатів трьохфакторного експерименту, дала можливість отримати рівняння регресії, функцією відгуку якого є маса витиснутої води з сапропелю:
(17)
За отриманим рівнянням регресії (17) було побудовано поверхні відгуку та їх двомірні січення (рис. 18). Аналіз рівняння показує, що найбільший вплив із розглянутих факторів на видалення вільної води з сапропелю має тиск на матеріал Р та площа перфорованих стінок S.
P,
кПа
τ,
с
82,488
89,252
82,488
68,941
68,941
75,734
75,734
Рис. 18. Залежність маси витиснутої води з сапропелю вологістю W =95% від тиску на матеріал Р та часу прикладання тиску для площі перфорації стінок S камери преса: 1 – S = 0,1473м2; 2 – S = 0,0982 м2; 3 – S = 0,049 м2
Розрахунок максимальних та мінімальних значень маси відтиснутої води m показав, що максимальний відтиск вільної води m = 97,307 г виникає у разі тривалості відтискання = 90 с, тиску на матеріал P=3 кПа і площі перфорації S = 0,132 м2, а мінімальний – m = 77,145 г за тривалості відтискання = 30 с, тиску на матеріал P=2 кПа і площі перфорації S = 0,049 м2.
К
m
90
85
80
У п’ятому розділі «Перспективи розвитку технічних засобів для добування сапропелю з-під шару води та його застосування у сільському господарстві» представлено аналіз технологічного процесу добування сапропелів з врахуванням висоти залягання шару, особливості конструкції і технологічних процесів універсального добувного модуля фінського виробництва марки «Watermaster», пропозиції щодо створення вітчизняного добувного модуля багатофункціонального призначення, застосування сапропелів різної вологості в АПК для виробництва ТОД та органо-мінеральних добрив на його основі.
Сучасні перспективні технології зневоднення матеріалів підвищеної вологості Geotube не можна застосовувати під час очищення озер карстового походження, як потенційних резервуарів прісної води, через використання в них хімічних коагулянтів.
Добутий сапропель середнього шару вологістю 83…89% найкраще підходить для виробництва ТОД шляхом компостування подрібненої соломи, зволоженої розчином гноївки ВРХ під шаром сапропелю без перемішування протягом 60 діб (рис. 19). Запропонований спосіб отримання ТОД дозволяє зменшити енергозатрати на їх отримання та зменшити час їх утворення в порівнянні з існуючими способами.
а) б)
Рис. 19. Дослідження з виробництва ТОД на основі озерного сапропелю:
а – схема закладання бурта у виробничих умовах; б – загальний вигляд ТОД після 60 днів проведення досліду
Всі відомі технічні засоби, які використовували у зоні Полісся для очищення водойм, є екологічно небезпечними. Основною причиною прояву змін у водоймі є руйнування структури покладів під дією високих швидкостей РО, що призводить до інтенсивного замулення твердої фази й знищення підводного світу.
Результати досліджень удосконалених технологій та нових технічних рішень у створенні засобу для добування вказують, що розробка середнього шару озерного сапропелю з-під шару води на мінімальних швидкостях взаємодії РО з матеріалом дасть можливість отримати високотехнологічну продукцію для подальшого використання у сільськогосподарському виробництві, а також мінімізує негативний їх вплив на екосистему водойми.

а)
б)