ON THE DEPENDENCE OF THE ACTUAL LENGTH OF THE AXIS OF THE SUCTION ZON ON THE ANGLE OF INSTALLATION OF THE NOZZLE OF THE PNEUMATIC PEAT HARVESTER

ЗАВИСИМОСТЬ ФАКТИЧЕСКОЙ ДЛИНЫ ОСИ ВСАСЫВАЮЩЕГО ФАКЕЛА ОТ УГЛА УСТАНОВКИ СОПЛА ТОРФЯНОЙ ПНЕВМОУБОРОЧНОЙ МАШИНЫ

Научная статья

Яблонев А.Л.¹ , Щербакова Д.М.^2, *

¹ ORCID: 0000-0001-9774-8557;

² ORCID: 0000-0001-6520-1135;

^{1, 2} Тверской государственный технический университет, Тверь, Россия

* Корреспондирующий автор (dscherbakowa[at]yandex.ru)

Аннотация

Эффективность всасывания фрезерной крошки пневматическими торфоуборочными машинами во многом определяется углом установки всасывающего сопла по отношению к подстилающей поверхности. Поскольку данных и рекомендаций на эту тему крайне мало, в лабораторных условиях с использованием специально разработанной и созданной установки, была произведена серия экспериментальных работ, направленных на выявление рационального угла установки сопла. Критерием служила длина оси активной зоны всасывающего факела. Результаты показали, что для двух исследованных видов торфа – верхового степенью разложения 5–10 % и переходного степенью разложения 35–40 % для максимально допустимой фракции 25 мм, рациональным является угол установки всасывающего сопла 30–35 градусов. Именно при таком расположении сопла длина оси активной зоны всасывающего факела была максимальной, а работа машины – максимально эффективной.

Ключевые слова: торф, всасывающее сопло, ось активной зоны, аэродинамические свойства, угол установки сопла.

ON THE DEPENDENCE OF THE ACTUAL LENGTH OF THE AXIS OF THE SUCTION ZON ON THE ANGLE OF INSTALLATION OF THE NOZZLE OF THE PNEUMATIC PEAT HARVESTER

Research article

Yablonev A.L.¹, Shcherbakova D.M.^2, *

¹ ORCID: 0000-0001-9774-8557;

² ORCID: 0000-0001-6520-1135;

^{1, 2} Tver State Technical University, Tver, Russia

* Corresponding author (dscherbakowa[at]yandex.ru)

Abstract

The efficiency of suction of fragmented peat by pneumatic peat harvesting machines is largely determined by the angle of installation of the suction nozzle in relation to the underlying surface. Since there are very few data and recommendations on this topic, the current article carries out a series of experimental laboratory studies aimed at identifying the rational angle of the outlet nozzle using a specially designed and created device. The criterion was the length of the axis of the core of the suction torch. The results demonstrate that for the two types of peat studied, which are the high moor peat with a degree of decomposition of 5-10% and the transitional peat with a degree of decomposition of 35-40% for the maximum permissible fraction of 25 mm, the rational angle of installation for the suction nozzle amounts to 30-35 degrees. It was with this arrangement of the nozzle that the length of the axis of the active zone of the suction torch was maximum, and the operation of the machine was as efficient as possible.

Keywords: peat, suction nozzle, core axis, aerodynamic properties, nozzle installation angle.

Введение

Добыча торфа пневмоуборочным комплексом машин по сравнению с механической уборкой позволяет сократить продолжительность цикла, номенклатуру необходимого оборудования и сохранить естественную волокнистую структуру торфа, необходимую для производства удобрений. Неоднородные торфообразующие составляющие компоненты указывают на разнообразие физических параметров торфяной залежи. Верховой, переходный и низинный виды торфа обладают разной плотностью, что вызывает затруднение во время добычи пневматическим способом из-за особенностей конструктивного исполнения торфоуборочных машин [1], [2]. Экономические и технологические показатели эффективности работы пневмоуборочных машин зависят от их надежности, правильного выбора параметров настройки и установки всасывающего сопла. Угол установки сопла в сочетании с высотой его расположения над подстилающей поверхностью определяет длину и интенсивность всасывающего факела. Поскольку расстояние от сопла до подстилающей поверхности должно быть минимальным, а, с другой стороны, сопло ни в коем случае не должно опираться на подстилающую поверхность [3], расстояние от подстилающей поверхности до сопла не должно превышать размер максимально допустимой фракции торфяной крошки, т. е. 25 мм. Точных данных и рекомендаций по выбору угла установки сопла на сегодняшний день нет, за исключением положения о том, что он не может превышать угла внутреннего трения добываемой породы [4], [5], [6]. Такое утверждение основывается на представлении о том, что попавший в сопло под действием струи воздуха фрезерный торф не должен самопроизвольно скатываться вниз. Для фрезерного торфа угол естественного откоса (трения в покое) составляет 32–45°. Поскольку угол внутреннего трения сыпучего материала в движении составляет, как правило, 70 % от угла внутреннего трения в состоянии покоя, то рекомендуемый угол установки сопла – 22,4–31,5°. Канадские торфоуборочные машины SA-200, производимые компанией «Premier Tech», выпускаются с вертикально установленными соплами (угол установки сопла близок к 90°). Однако, опыт эксплуатации таких машин показал, что вертикальные сопла плохо вписываются в рельеф поверхности торфяных полей [7] и образуют большие потери торфа при сборе. Разброс параметров установки сопла, как видно, весьма большой. Поэтому было принято решение о проведении серии экспериментальных работ в лабораторных условиях, целью которых является определение рационального угла установки сопла по критерию максимальной длины оси всасывающего факела [8], [9], [10], 11].

Методы и принципы исследования

Разработанная и созданная экспериментальная лабораторная установка для исследования параметров всасывания и витания торфяной крошки состоит из источника постоянного тока 1, электродвигателя постоянного тока 2, вентилятора 3, спрямляющей решетки 4, витательной трубы 5, рамы витательной трубы 6, пульта управления 7, микроманометра 8, гофрированной алюминиевой трубы 9, штатива 10, экспериментального сопла 11, конвейерной ленты из 2-х слойного прорезиненного брезента 12, стоек 13 и рамы установки 14 (см. рисунок 1).

Рис. 1 – Общий вид экспериментальной установки:

1 – источник постоянного тока; 2 – двигатель; 3 – крыльчатка вентилятора; 4 – спрямляющая решетка; 5 – витательная труба; 6 – рама витательной трубы; 7 – пульт управления; 8 – микроманометра; 9 – гофрированная алюминиевая труба; 10 – штатив; 11 – экспериментальное сопло; 12 – конвейерная лента; 13 – стойки; 14 – рама установки; 15 – вертикальная подсветка; 16 – коллектор витательной трубы; 17 – приводная рукоятка; 18 – рама конвейерной ленты; 19 – ведущий барабан; 20 – ведомый барабан; 21 – опорные ролики

 

От источника постоянного тока 1 через пульт управления 7 подается напряжение на двигатель 2, который приводит во вращение крыльчатку вентилятора 3. Одновременно с пульта управления 7 включается и вертикальная подсветка 15. Перед вентилятором 3 установлена спрямляющая решетка 4, необходимая для стабилизации движения воздушной смеси через витательную трубу 5. К коллектору 16 витательной трубы 5 присоединен микроманометр 8 для измерения вакуумметрического давления в коллекторе 16 трубы. Через экспериментальное сопло 11, присоединенное к коллектору витательной трубы 5 гофрированной алюминиевой трубой 9 может засасываться торфяная крошка фракцией d = 0÷40 мм, движущаяся по конвейерной ленте 12. Конвейерная лента 12 механически, при помощи приводной рукоятки 17 приводится в движение навстречу экспериментальному соплу 11. Конвейер представляет собой стойки 13, жестко закрепленные к раме установки 14, рамы конвейерной ленты 18, ведущего 19 и натяжного 20 ведомого барабанов, опорных роликов 21.

На рисунке 2 показано подключение микроманометра к коллектору 16 витательной трубы 5 (А-А) и взаимное расположение мест установки пульта управления 7, реостата регулирования постоянного напряжения 23 и микроманометра 8 (Б-Б). К раме витательной трубы 6 закреплен стол 22, на котором установлены пульт управления 7, предназначенный для включения двигателя постоянного тока 2 и подсветки 15 в витательной трубе 5, реостат для регулировки напряжения 22, влияющего на скорость всасывания витательной установки и микроманометр 8. Микроманометр 8 подключен к коллектору 16 витательной трубы 5 при помощи гибкого шланга 24 прикрепленного к штуцеру 25 кольцевого трубопровода 26, установленного вокруг коллектора 16 и соединенному с ним ортогонально расположенными четырьмя патрубками 27, необходимыми для выравнивания показаний давления.

Рис. 2 – Схема расположения приборов контроля:

5 – витательная труба; 6 – рама витательной трубы; 7 – пульт управления; 8 – микроманометр; 16 – коллектор витательной трубы; 22 – стол; 23 – реостат; 24 – гибкий шланг; 25 – штуцер; 26 – кольцевой трубопровод; 27 – патрубки

 

На рисунке 3 показано крепление экспериментального сопла 11 к стойке 10. Сопло и алюминиевая гофрированная труба 9 соединены между собой муфтой 28, которая закреплена на подвижной штанге 29 и позволяет регулировать угол наклона сопла и расстояния между соплом и поверхностью конвейерной ленты 12. Для измерения угла наклона сопла установлена угломерная шкала 30 и стрелка с грузом 31. Сопло может поворачиваться на угол 0–90° и подниматься над конвейерной лентой на расстояние 0–400 мм.

 

Рис. 3 – Крепление всасывающего сопла:

9 – гофрированная алюминиевая труба; 10 – штатив; 11 – экспериментальное сопло;

28 – муфта; 29 – подвижная штанга; 30 – угломерная шкала; 31 – груз

 

При проведении серии экспериментов подбором частоты вращения крыльчатки вентилятора была установлена скорость воздушного потока в живом сечении сопла 26,69 м/с, соответствующая скорости на входе в сопло реальной торфяной пневмоуборочной машины КТТ-2. Расстояние от конвейера до нижней кромки сопла принималось 25 мм. Угол установки сопла α в ходе экспериментов изменялся от 10 до 45° с шагом 5°. Торфяная крошка представляла собой шарообразные фракции диаметром 25 мм из верхового (степенью разложения R = 5–10 %, плотностью ρ = 0,355 кг/м³ и влажностью w = 44 %) и переходного (R = 35–40 %, ρ = 0,518 кг/м³ и влажностью w = 48,45 %) торфа [12], [13], [16]. Данные фракции были специально подготовлены методом «щадящего» пропускания с минимальным давлением через калибровочное сито с ячейками 25 мм торфа, отобранного в естественном состоянии из залежи, расположенной на месторождении «Заплюсские Мхи» (ООО «Пиндструп») [1], [9]. Такое изготовление опытных фракций имитировало процесс послойно-поверхностного пассивного фрезерования, производящегося в реальных условиях добычи торфа. Фракции помещались на конвейер, и лента приводилась в движение. При приближении фракции к всасывающему соплу (см. рисунок 4) наступал момент разгона и отрыва фракции от поверхности ленты и всасывание.

 

Рис. 4 – Эксперимент по всасыванию соплом торфяной крошки

 

Расстояние от сопла до точки, в которой начинался «разгон» крошки под воздействием воздушной струи измерялось линейкой с точностью до 1 миллиметра, эксперимент повторялся не менее 6 раз, после чего определялось среднее значение расстояния, представляющее собой длину оси активной зоны всасывающего факела.

Основные результаты

Результаты экспериментального исследования сведены в таблицу 1.

 

Таблица 1 – Длина оси активной зоны всасывающего факела, мм

Угол установки сопла α,°	Переходный торф (R = 35–40 %, ρ = 0,355 кг/м3, w = 48,45 %)	Верховой торф (R = 5–10 %, ρ = 0,518 кг/м3, w = 44 %)
10	10	20
15	20	40
20	30	45
25	40	65
30	65	70
35	60	65
40	55	60
45	40	55

 

На основании табличных данных построен график зависимости длины оси активной зоны всасывающего факела от угла установки сопла при расстоянии от сопла до подстилающей поверхности 25 мм и двух видах торфа – верховом и переходном (см. рис. 5). Полученные кривые аппроксимированы полиномами второго порядка с указанием коэффициента детерминации R².

Рис. 5 – Зависимость фактической длины оси активной зоны всасывающего факела от угла установки сопла для верхового и переходного торфа при высоте расположения сопла от подстилающей поверхности h = 25 мм

 

Полученные кривые, указывают на максимальные величины фактической длины оси активной зоны всасывающего факела при установке сопла торфяной пневмоуборочной машины под углом α =30-35°.

Заключение

Результаты проведенной серии экспериментальных работ показали, что рациональным углом установки всасывающего сопла торфяной пневмоуборочной машины по критерию максимальной длины оси активной зоны всасывающего факела для двух видов залежи является угол α = 30–35°. Причем для верхового торфа α → 30°, а для переходного α → 35°. Установка всасывающего сопла на пневмоуборочных машинах с таким углом при добыче рассмотренных видов торфа позволит увеличить эффективность работы машин, снизит потери торфа при уборке, поможет более рациональному хозяйствованию и бережному обращению с бесценными природным ресурсам [17], каковым, без сомнения, является торф.

Конфликт интересов Не указан

Conflict of Interest None declared

Список литературы / References

1. Гейлер В.Л. Опыт работы ЗАО «Росторфинвест» / В.Л. Гейлер, С.Л. Дубовиков // Торф и Бизнес. – 2006. – № 1(3). С. 18-21.
2. Панов В.В. Проблемы и перспективы развития торфяного производства в Российской федерации / В.В. Панов, О.С.Мисников, А.В. Купорова // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-техн. журнал). – 2017. – № 5. С. 105-117.
3. Прягаев Ю.В. Есть ли будущее у пневмовалкователя / Ю.В. Прягаев // Торф и Бизнес. – 2007. – № 2(8). С. 23–26.
4. Горцакалян Л.О. Расчет и конструирование пневматических установок для уборки и транспортировки фрезерного торфа / Л.О. Горцакалян. – Калинин: КПИ, 1973. 120 с.
5. Горцакалян Л.О. Исследование скоростного поля всасывающего, нагнетательного и всасывающе-нагнетательного факелов активного сопла пневмоуборочной машины / Л.О. Горцакалян, В.В. Чернышев // Технология и комплексная механизация торфяного производства: межвузовский тематический сборник. – Калинин: КПИ, 1977. С. 28–32.
6. Горцакалян Л.О. Влияние поступательной скорости пневмоуборочной машины на изменение концентрации аэросмеси / Л.О. Горцакалян // Механизация процессов добычи и переработки торфа: труды Калининского политехнического института. – Москва: ЦНИИТЭстроймаш, 1974. С. 20–24.
7. Давыдов Л.Р. О пневматической уборке фрезерного торфа / Л.Р. Давыдов, В.Г. Селеннов // Торф и Бизнес, – 2008. – № 4 (14). – С. 24–28.
8. Яблонев А.Л., Исследование работы всасывающего сопла машины для пневматической уборки фрезерного торфа / А.Л. Яблонев, Д.М. Щербакова // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Сборник трудов XVIII международной научно-технической конференции «Чтения памяти В. Р. Кубачека». – Екатеринбург: УГГУ, 2020. – С. 80-83.
9. Яблонев А.Л. Исследование всасывающего факела торфяной пневмоуборочной машины КТТ-2 / А.Л. Яблонев, Д.М. Щербакова // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-техн. журнал). – 2019. – № 12 (S39). С. 47–58. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-12-39-47-58.
10. Yablonev A. Evaluation of KTT-2 Pneumatic Peat Harvesting Machine’s Nozzle Suction Capacity / Yablonev, D. Scherbakova // V^thInternational Innovative Mining Symposium. Electronic edition. – 2020. – Vol. 174. E3S Web of Conferences article No. 01044. DOI: 10.1051/e3sconf/202017401044
11. Яблонев А.Л. Исследование скорости витания фрезерного торфа, добываемого ООО “Пиндструп» / А.Л. Яблонев, Д.М. Щербакова // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности. Сборник трудов XIX международной научно-технической конференции «Чтения памяти В. Р. Кубачека». – Екатеринбург: УГГУ, 2021. – С. 138-141.
12. ГОСТ Р 50902-2011 «Торф топливный для пылевидного сжигания». [Электронный ресурс]. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200085577 (дата обращения 24.10.2020).
13. ГОСТ 13672-76 «Торф фрезерный для производства брикетов. Технические требования». [Электронный ресурс]. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200024027 (дата обращения 24.10.2020).
14. ГОСТР 52067-2003«Торф для производства питательных грунтов». [Электронный ресурс]. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200032117 (дата обращения 24.10.2020).
15. ГОСТ 51213-98 «Торф низкой степени разложения». [Электронный ресурс]. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200026840 (дата обращения 24.10.2020).
16. ГОСТ 11130-75 «Торф. Методы определения мелочи и засоренности». [Электронный ресурс]. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200024151 (дата обращения 24.10.2020).
17. Афанасьев А.Е. Физические процессы в технологии торфяного и сапропелевого производства / А.Е. Афанасьев, С.Н.Гамаюнов, О.С. Мисников и др. // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-техн. журнал). – 1999.– № 3. С. 146-149.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Geyler V.L. Opyt raboty ZAO “Rostorfinwect” [Experience of CJSC "Rostorfinvest"] / V.L. Geyler, S.L. Dubovikov // Torf i Biznes. – 2006. – № 1(3). P. 18-21. [in Russian]
2. Panov V.V. Problemy i perspektivy razvitiya torfyanogo proizvodstva v Rossiyskoy federatsii [Problems and prospects for the development of peat production in the Russian Federation] / V.V. Panov, O.S.Misnikov, A.V.Kuporova // Gornyy informatsionno-analiticheskiy bulleten [Scientific and technical journal]. – 2017 – № 5. P. 105-117. [in Russian].
3. Pryagaev Yu.V. Yest' li budushcheye u pnevmovalkovatelya [Does the pneumatic roller have a future] / Yu.V. Pryagaev // Torf i Biznes. – 2007. – № 2(8). P. 23–26.
4. Gortsakalyan L.O. Raschet i konstruirovaniye pnevmaticheskikh ustanovok dlya uborki i transportirovki frezernogo torfa [Calculation and design of pneumatic installations for harvesting and transporting milled peat] L.O. Gortsakalyan. - Kalinin: KPI, 1973.120 p. [in Russian].
5. Gortsakalyan L.O. Issledovaniye skorostnogo polya vsasyvayushchego, nagnetatel'nogo i vsasyvayushche-nagnetatel'nogo fakelov aktivnogo sopla pnevmouborochnoy mashiny [Investigation of the velocity field of the suction, discharge and suction-discharge flares of the active nozzle of the pneumatic harvester] / L.O. Gortsakalyan, V.V. Chernyshev // Tekhnologiya i kompleksnaya mekhanizatsiya torfyanogo proizvodstva [Interuniversity subject collection]. – Kalinin: KPI, 1977. P. 28–32. [in Russian].
6. Gortsakalyan L.O. Vliyaniye postupatelnoi skorosti pnevmouborochnoi mashini na kontsentratsiyu aerosmesi [Effect of the progressive speed of the pneumatic harvester on the change in the concentration of the aircraft mix] / L.O. Gortsakalyan //Trudi Kalininskogo politekhnicheskogo institute “Mehanizatsiya dobichi i pererabotki torfa” [Proceedings of the Kalinin Polytechnical Institute “Mechanization of Peat Extraction and Processing”]. Moscow: TsNIITEstroymash, 1974. P. 20–24. [in Russian].
7. Davidov L.R., Selennov V.G. O pnevmaticheskoy uborke frezernogo torfa [About pneumatic harvesting of milled peat] / L.R. Davidov, V.G. Selennov // Torf i Biznes – No. 4 (14). – P. 24–28. [in Russian].
8. Yablonev A.L. Issledovaniye raboty vsasyvayushchego sopla mashiny dlya pnevmaticheskoy uborki frezernogo torfa [Investigation of the operation of the suction nozzle of a machine for pneumatic harvesting of milled peat] / A.L. Yablonev, D.M. Shcherbakowa // Tekhnologicheskoye oborudovaniye dlya gornoy i neftegazovoy promyshlennosti [Collection of works of the XVIII international scientific and technical conference "Readings in memory of V. R. Kubachek"]. Yekaterinburg: UGGU – 2020. – P. 80-83. [in Russian].
9. Yablonev A.L. Issledovaniye vsasivayuschego fakela torfianoy pnevmouborochnoy mashini KTT-2 [Investigation of the suction torch of the KTT-2 peat pneumatic harvester] / A.L. Yablonev, D.M. Scherbakova // Gorniy Informatsionno-analitichesky byulleten. – 2019. – No. 12. (S 39). pp. 47–58. DOI: 10.25018 / 0236-1493-2019-12-39-47-58. [in Russian].
10. Yablonev A. Evaluation of KTT-2 Pneumatic Peat Harvesting Machine’s Nozzle Suction Capacity / Yablonev, D. Scherbakova // V^thInternational Innovative Mining Symposium. Electronic edition. – 2020. – Vol. 174. E3S Web of Conferences article No. 01044. DOI: 10.1051/e3sconf/202017401044
11. Yablonev A.L. Issledovaniye skorosti vitaniya frezernogo torfa, dobivaemogo OOO «Pindstrup» [Investigation of the speed of hovering of milled peat, mined by LLC "Pindstrup"] / L. Yablonev, D.M. Scherbakova // Tekhnologicheskoye oborudovaniye dlya gornoy i neftegazovoy promyshlennosti [Collection of works of the XIX international scientific and technical conference "Readings in memory of V. R. Kubachek"]. Yekaterinburg: UGGU – 2021. – P. 138-141. [in Russian].
12. GOST R 50902-2011 Torf toplivnyy dlya pylevidnogo szhiganiya [Fuel peat for pulverized combustion]. [Electronic resource]. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200085577[in Russian]
13. GOST R 13672-76 Torf frezernyy dlya proizvodstva briketov. Tekhnicheskiye trebovaniya [Milling peat for the production of briquettes. Technical requirements]. [Electronic resource]. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200024027. [in Russian].
14. GOST R 52067-2003 Torf dlya proizvodstva pitatel'nykh gruntov [Peat for the production of nutrient soils]. [Electronic resource]. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200032117 [in Russian]
15. GOST R 51213-98 Torf nizkoy stepeni razlozheniya [Low decomposition peat]. [Electronic resource]. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200026840. [in Russian]
16. GOST R 11130-75 Torf. Metody opredeleniya melochi i zasorennosti [Peat. Methods for determining fines and debris]. [Electronic resource]. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200024151 [in Russian]
17. Afanasyev A.E. Fizicheskiye protsessy v tekhnologii torfyanogo i sapropelevogo proizvodstva [Physical processes in the technology of peat and sapropel production] / A.E. Afanasyev, S.N. Gamayunov, O.S. Misnikov, O.V. Pukhova // Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten' [Scientific and technical journal]. – 1999. – № 3. P. 146-149. [in Russian].