Инженерное обоснование конструкции фрезерного барабана
для поверхностно-послойного фрезерования торфяных залежей с древесными включениями

Введение

В настоящее время большинство предприятий торфяной отрасли занимаются производством торфа в относительно небольших масштабах, ориентированных на локальное потребление [1]. В связи с этим в работе [2] обоснована необходимость разработки и внедрения адаптивной технологии производства торфа на участках площадью до 100 га. Данная задача предполагает создание многофункциональных машин, включая оборудование для поверхностно-послойного фрезерования торфяной залежи вместе с погребённой древесиной.

Одним из основных направлений снижения затрат при освоении малых торфяных участков является разработка средств механизации [3], обеспечивающих фрезерование торфяной массы вместе с погребёнными древесными включениями без предварительного удаления пней. Такой подход открывает новые возможности для поверхностно-послойного фрезерования залежи, ориентированного на получение крошки заданного качества и эффективное использование биогенных ресурсов [4].

Фрезерование задаёт технологические условия для всех последующих этапов производства: сушки, сбора и переработки торфяной крошки [5]. Для его выполнения используются различные типы фрезерных машин [6], приспособленные к работе в агрессивной среде [7]. Инновационные решения в этой области технически реализуемы и экономически оправданны для устойчивого развития малых предприятий торфяной отрасли [8].

Целью работы стало обоснование параметров конструкции фрезерного барабана, обеспечивающего минимальные энергозатраты и заданный фракционный состав крошки, оптимальный для дальнейших технологических операций производства и переработки.

Задачи исследования:

1. Провести анализ литературных и экспериментальных данных по физико-механическим характеристикам торфа и древесины.
2. Обосновать параметры режима резания, обеспечивающие фракционный состав крошки 10–25 мм, оптимальный для дальнейших этапов производства.
3. Разработать предложения по конструкции фрезерного барабана и рассмотреть вариант двухмоторного гидропривода для повышения надежности при переменных нагрузках.

Предложенный подход развивает исследования [2] и будет использован при проектировании фрезерного барабана для работы с пнистой залежью в сложных горнотехнологических условиях.

Обоснование актуальности проблемы

Разработка малых торфяных месторождений площадью до 100 га требует экономически целесообразных решений, поскольку традиционные методы корчевки неоправданны по стоимости и трудозатратам [2]. Как показывает практика [9], применение высокопроизводительной техники на малоконтурных месторождениях нецелесообразно, так как их потенциальные возможности не реализуются в полном объёме, а капитальные затраты приводят к значительному увеличению себестоимости продукции.

Совмещение процессов фрезерования торфа и погребённых пней исключает необходимость в дополнительных операциях и затратах на приобретение и эксплуатацию многих машин из дорогостоящего комплекта оборудования. Кроме того, это позволяет использовать один и тот же комплекс механизмов для разных условий работы, что соответствует концепции адаптивной технологии [2].

Идея сплошного фрезерования торфяной залежи вместе с древесными включениями была впервые рассмотрена ещё в середине прошлого века [10], но из-за технических ограничений и недостаточной мощности тракторов не получила широкого применения. Современные инженерные решения, такие как двухмоторный гидропривод и оптимизация параметров режущих элементов, позволяют вернуться к этой идее и реализовать её в новых условиях.

Поверхностно-послойное фрезерование выступает ключевой операцией, от которой зависят все последующие этапы технологического процесса: сушка, расстил, сбор и утилизация [5]. От качества фрезерования напрямую зависит фракционный состав крошки, ход сушки и состояние поверхности после работы машины [3]. Поэтому важно выбрать такие режущие элементы и параметры фрезы [4, 11], которые обеспечат равномерную структуру расстила и высокую степень измельчения торфяной массы с одновременным дроблением пней до частиц размером не менее 10 мм, что позволит эффективно отделять их на стандартных сепараторах.

Как показывают исследования, удельный расход энергии на фрезерование древесины значительно превышает аналогичный показатель для торфа [4, 12]. Поэтому важным направлением оптимизации является снижение числа поломок и перегрузок, что достигается применением двухмоторного гидропривода, предложенной в работе [13]. Предложенная конструкция должна быть мобильной, экономичной и воспроизводимой в серийном производстве, что подтверждается исследованиями по проектированию машин для малых месторождений [14]. Создаваемая фрезерная машина должна отвечать требованиям горнотехнологических условий: мобильности, устойчивости к переменным нагрузкам и работе в среде с высокой влажностью. При этом характер взаимодействия режущих элементов с неоднородной средой носит стохастический характер, что требует адекватного математического описания усилий резания [15].

Таким образом, современные условия требуют перехода к новым техническим решениям, где фрезерование проводится без предварительной подготовки залежи, с использованием прочного и надёжного оборудования, способного работать в условиях переменных нагрузок и обеспечивать заданный фракционный состав продукта.

Методология

Методология исследования основана на системном анализе литературных источников и обобщении достоверных данных по физико-механическим свойствам торфа и древесины. Достаточность имеющихся данных позволяет обосновать параметры конструкции без проведения повторного экспериментального моделирования.

Критерием оптимизации режима резания принят фракционный состав крошки 10–25 мм как условие ускоренной сушки и эффективной сепарации [16].

Такая фракция позволяет использовать древесную составляющую в качестве топлива [17]. Аналогичные по принципу действия машины – лесные мульчеры – демонстрируют высокую эффективность при измельчении древесных остатков и пней [18].

Было применено математическое моделирование параметров барабана на основе уравнений кинематики:

v_окр = πDn/60, s = v_п/(nz),

где v_окр – окружная скорость, м/с; D – диаметр барабана, м; n – частота вращения об/мин; s – подача на нож, м; v_п – поступательная скорость, м/с; z – число ножей.

Для достижения заданного фракционного состава были рассчитаны параметры режима резания: глубина фрезерования, подача на нож, окружная скорость барабана, количество и геометрия режущих элементов. Полученные значения легли в основу проектирования фрезерного барабана, обеспечивающего стабильное качество измельчения как торфяной массы, так и включённой в неё древесины.

Результаты и их обсуждение

Эксплуатация участков малых площадей, не превышающих 100 га, приобретает особую актуальность для многих регионов страны, поскольку это связано с решением локальных задач по производству торфа, который может быть использован как в качестве топлива, так и в сельском хозяйстве. Расширение направлений использования торфа, главным образом в сторону его последующей переработки с сохранением ряда природных свойств, потребовало разработки новых машин и технологий его производства, обеспечивающих заданный фракционный состав продукта [2].

Поверхностно-послойное механическое измельчение торфяной залежи представляет собой первый и ключевой этап технологического цикла процесса производства фрезерного торфа [2]. От качества его выполнения во многом зависит успешное завершение всего цикла, включая продолжительность сушки, цикловой сбор, влагосодержание и другие характеристики торфяной продукции, получаемой в естественных условиях [5]. Следовательно, при фрезеровании необходимо обеспечить формирование слоя фрезерного торфа, который будет наиболее быстро сохнуть в текущих погодных условиях [16]. Это ключевое техническое требование к операции фрезерования.

Качество фрезерования залежи определяется фракционным составом получаемой торфяной крошки, а также ходом процесса сушки последней в производственном цикле [16]. Кроме того, важным критерием является состояние поверхности полей после работы этих механизмов [19]. На фракционный состав фрезерованной торфяной крошки также влияют глубина фрезерования, характеристики залежи и окружная скорость вращения фрезы, то есть скорость резания залежи [7]. Установлено, что оптимальная окружная скорость, при которой происходит устойчивое дробление древесины без избыточного измельчения торфа, – 25 м/с.

Анализ данных показывает: фракция 10–25 мм обеспечивает оптимальный баланс между интенсивностью сушки и эффективностью сепарации древесных включений. Частицы данного размера, уложенные в 1–1,5 слоя, демонстрируют максимальную скорость влагоотдачи при минимальном сопротивлении аэродинамическому потоку [3, 5, 16]. Установлено, что чем крупнее частицы торфа, тем они более интенсивно высыхают (рис. 1), и, как следствие, уменьшается время сушки до уборочной влажности.

Рис. 1. Зависимость интенсивности сушки i и влагоемкости B от размера частиц d фрезерного торфа [5, 20]

Более медленная сушка слоя, состоящего из мелких частиц, по сравнению со слоем из крупных частиц, объясняется меньшими размерами пор в первом случае, что снижает скорость испарения влаги. Мелкие частицы, расположенные на поверхности, образуют плотный слой с низкой теплопроводностью, препятствующий проникновению радиации вглубь слоя и замедляющий сушку нижних слоёв. Таким образом, наличие фракции 10–25 мм позволяет значительно повысить эффективность сушки и надежность производства фрезерного торфа.

Доказано, что организованный расстил характеризуется равномерностью глубины сфрезерованного слоя и однородным фракционным составом из укрупнённых частиц торфа [20]. Для сельскохозяйственного использования торфяной крошки также установлена прямая связь между размером частиц и физическими свойствами субстратов (воздухоёмкостью, влагоудержанием) [21]. Следовательно, конструкция фрезы и геометрия ножей должны обеспечивать получение наилучшего фракционного состава крошки для сушки в слое и уменьшить коэффициент неравномерности расстила.

Подача на нож – один из основных параметров, определяющих процесс фрезерования и особенности конструкции элементов фрезы [6, 7]. Зависимости выхода фракции Ф10–25 (%) от величины подачи носят криволинейный характер (рис. 2). Было установлено, что наибольший выход фракции 10–25 мм (до 58,3 %) достигается при использовании прямых ножей треугольного сечения и подаче на нож 0,015 м [11, 20].

Рис. 2. Изменения содержания фракции Ф верхового торфа от величины подачи с для фрезерных барабанов с прямыми ножами треугольного сечения (1) и проходными ножами (2) [11, 20]

Разница в эффективности между прямыми и проходными ножами обусловлена особенностями физических процессов, происходящих при отделении стружки от массива и протаскивании её между фрезой и залежью. Качество расстила зависит от типа фрезерующего оборудования и установленных на нём режущих элементов.

Установлено, что удельный расход энергии на фрезерование торфа составляет 0,14–1,1 МДж/м³, тогда как для сырой древесины этот показатель намного выше – 12,6–14,4 МДж/м³ [4, 17, 22]. При этом средний удельный расход энергии на фрезерование торфа вместе с пнями составляет 5,76 МДж/м³ [13], что говорит о возможности реализации данного процесса без значительного увеличения энергозатрат. Полученная после сепарации древесная фракция может быть использована в энергетических целях. Термическая переработка смесевых топлив на основе торфа и дисперсной древесины позволяет получать биочар с высокими энергетическими характеристиками [23]. В европейской практике рассматривается возможность замещения торфа местными видами биомассы, включая измельчённую древесину [24].

Наиболее перспективным техническим решением по поверхностно-послойному фрезерованию торфяной залежи вместе с пнями стало предложение М. И. Сарматова [13], основанное на лабораторных и теоретических исследованиях. В рамках этой работы были обоснованы геометрия и кинематика фрезы, а также предложена расчетная схема по определению мощности, действующей на ножи барабана [25, 26]. Дальнейшее развитие этих исследований представлено в работах [27, 28], где приведены аналитические зависимости для расчёта коэффициента повышения момента сопротивления при встрече фрезы с пнём и определения активной ширины рабочего органа. Это позволило установить оптимальное число ножей и их расположение на барабане, а также обосновать преимущества непрерывной режущей кромки.

Известно, что агрегаты с большей шириной захвата характеризуются низкой маневренностью, высокой металлоемкостью и трудоемкостью обслуживания [6, 29]. Поэтому предложено использовать фрезу шириной захвата 4,5 м, кратную ширине технологической площадки, что обеспечит высокую производительность при достаточной мобильности машины.

В работе [30] отмечается, что конструкция режущих ножей, материал, из которого они изготовлены, и их расположение на барабане имеют ключевое значение для эффективного функционирования фрезерующего агрегата. Ножи должны быть изготовлены из прочных и износостойких материалов, чтобы соответствовать условиям эксплуатации [31]. Особенно важно это при работе с древесными включениями, которые значительно повышают сопротивление резанию.

Чтобы получить необходимую для расщепления древесины окружную скорость, можно либо увеличить частоту вращения барабана [32], что связано с техническими ограничениями, либо увеличить диаметр фрезы, что является более реалистичным способом реализации. Поскольку масса фрезы обратно пропорциональна квадрату окружной скорости, при постоянном числе оборотов массу фрезы можно уменьшить только с увеличением её диаметра [33]. По аналогии с работой [13] принят диаметр фрезы по концам ножей – 0,335 м.

Планируется, что в предлагаемой к разработке машине будет использоваться двухмоторный гидропривод, один из двигателей которого автоматически активируется при возрастании сопротивления резанию, например, при столкновении с крупными пнями [13]. Такая система должна повысить надежность работы и снизить риск поломок оборудования.

Ключевые параметры, которые необходимо использовать при проектировании фрезерного барабана, предназначенного для поверхностно-послойного фрезерования пнистой торфяной залежи, и обеспечивающие требуемый фракционный состав крошки (10–25 мм), следующие:

• длина рабочей части барабана – 4,5 м;
• диаметр фрезы по концам ножей – 0,335 м;
• частота вращения барабана – 149 с^–1;
• окружная скорость по режущей кромке – 25 м/с;
• подача фрезы на нож – 0,015 м;
• высота рабочей части ножа (глубина фрезерования) – 0,020 м;
• ширина рабочей части ножа – 0,025 м;
• количество рабочих элементов в плоскости резания – 6 ед.;
• скорость поступательного движения фрезы –2,14 м/с;
• количество гидравлических моторов привода – 2 ед.

Перспективные направления включают внедрение систем мониторинга и автоматизации контроля параметров работы фрезы [34]. Также важно продолжить исследования по применению композитных материалов для режущих элементов, способных выдерживать повышенные нагрузки при минимальном износе.

Заключение

Представленные в статье решения отвечают современным требованиям развития горных технологий, направленным на повышение эффективности и экологической безопасности процессов разработки месторождений полезных ископаемых.

В ходе исследования установлена возможность создания специализированной фрезерной машины для поверхностно-послойного фрезерования пнистых торфяных залежей. Выявленные параметры и конструктивные особенности фрезера обеспечат одновременное измельчение торфяной массы и древесных включений, формирование крошки фракции 10–25 мм и стабильную работу оборудования.

Ключевые инженерные решения включают оптимальные параметры фрезерного барабана: ширина захвата 4,5 м, диаметр 0,335 м, частота вращения 149 с^–1, окружная скорость 25 м/с, подача на нож 0,015 м, обеспечивающие требуемое качество торфяной продукции. Применение двухмоторного гидропривода позволяет повысить надежность машины и снизить риск поломок при столкновении с крупными пнями.

Результаты исследования имеют практическую ценность и будут использованы при проектировании опытного образца для эксплуатации в реальных производственных условиях торфяных месторождений. Предложенная конструкция способствует снижению себестоимости производства за счет исключения предварительной корчевки пней и повышения экологической эффективности технологии. В перспективе планируется разработка опытного образца с усиленными режущими элементами из композитных материалов, а также интеграция систем мониторинга нагрузок для оптимизации режимов работы. Полученная в процессе фрезерования смесь торфа и измельчённой древесины после сепарации может быть переработана методом пиролиза в биочар, что расширяет возможности утилизации отходов. Результаты проведенной работы служат базисом для разработки адаптивной технологии производства торфа, учитывающей различные сценарии хозяйственного использования ресурсов.