«НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ГОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАИБОЛЕЕ ОТВЕТСТВЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ КОНУСНЫХ ДРОБИЛОК ЛАГУНОВА Ю. А., ЖИГАНОВ П. А., Уральская ...»

МАТЕРИАЛЫ УРАЛЬСКОЙ

ГОРНОПРОМЫШЛЕННОЙ ДЕКАДЫ

5-15 апреля 2004 г.

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ КОНСТРУИРОВАНИЯ

И ЭКСПЛУАТАЦИИ ГОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАИБОЛЕЕ

ОТВЕТСТВЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ И УЗЛОВ КОНУСНЫХ ДРОБИЛОК

ЛАГУНОВА Ю. А., ЖИГАНОВ П. А., Уральская государственная горно-геологическая академия Неотъемлемым свойством каждой машины является технологичность (ГОСТ 18831-73). Технологичность – это соответствие изделия требованиям минимальной материалоемкости и трудоемкости при изготовлении машины.

При этом должны обеспечиваться требования:

– унификация элементов деталей;

– упрощение конструкции деталей;

– возможность обработки на существующем оборудовании;

– ограничение применяемых марок и типоразмеров материалов и др.

Как показывает опыт, проверка чертежей на технологичность до передачи их в производство позволяет снизить трудоемкость изготовления машин на 12-15 %, а материалоемкость – на 5-8 %.

Технологический процесс изготовления – это сложная динамическая система, в которой в единый комплекс объединены исходные материалы, оборудование, обрабатывающий и контрольный инструмент и оснастка. Именно они в значительной степени определяют надежность и долговечность машины и влияют на ее эксплуатационные свойства (износостойкость, коррозионную стойкость, усталостную вынос- Рис. 1. Броня конуса и чаши ливость и т. д.).

Как показывает статистика, 40 % отказов машин происходит по причинам технологического характера (слабая проработка технологии, ее нарушения, отсутствие достоверных методов контроля и т. д.).

В настоящее время технологами разработаны десятки эффективных методов упрочнения деталей машин (термических, механических, термомеханических, химико-термических, гальванических, наплавочных и т. д.). Эти методы позволяют повысить долговечность деталей до 10 раз.

Дробильно-размольное оборудование характеризуется высокой производительностью и нагруженностью узлов и деталей, поэтому особенно нуждается в увеличении надежности и долговечности.

Проектная форма камеры дробления конусной дробилки (рис. 1) выполнена линиями контура дробящих поверхностей. Обязательным требованием к камере дробления является возможность длительного функционирования с сохранением выходных параметров. Понятно, что роль дробящих поверхностей не могут выполнять корпуса чаши и конуса, так как их износ дробимым материалом недопустим. Так появляются защитные для корпусов конуса и чаши детали – их брони.

Материалом для изготовления броней во всем мире преимущественно служит сталь Гатфильда – высокомарганцовистая сталь марки 110Г13Л по российскому стандарту. Она знаменита высокой ударной вязкостью, т. е. способностью воспринимать энергию в области пластических деформаций: недробимый предмет оставит на броне вмятину, но не нарушит ее общей целостности. Второй особенностью деталей из стали Гатфильда является способность их поверхностного слоя, в том числе обнажающегося при износе, упрочняться (наклепываться) под действием ударных нагрузок. Естественная твердость стали Гатфильда НВ=217…232, а наклепка повышает ее до НВ=600. Отсюда видно, что, работая в условиях абразивного воздействия без ударных нагрузок, сталь 110Г13Л проявит стойкость к износу не больше чем рядовое железо, и, следовательно, применять ее нужно только в условиях ударных нагрузок.

Брони чаши и конуса делают одинаковой толщины, которая ограничивается следующими обстоятельствами:

1. Деталь должна хорошо прорабатываться на всю толщину сечения, чтобы выровнять качество металла по сечению. Современная металлургия гарантирует качество отливок из стали Гатфильда при толщине их до 120 мм. В этот размер также включаются допуски на механическую обработку отливок.

2. В условиях самого интенсивного износа (переработка материалов, содержащих значительное количество кварца) броня должна прослужить не менее одного месяца, т. е. броня не должна быть слишком тонкой в угоду своей термической прорабатываемости.

3. Броня не должна быть слишком толстой в угоду повышения своего срока службы, так как это может создать трудности с ее термической прорабатываемостью.

Определяющим здесь является третье ограничение, поэтому брони дробилок КМД в зависимости от типового размера выполняют 40…100 мм. Заменяют брони, как правило, при изнашивании до толщины 10…18 мм.

Сталь Гатфильда очень трудна для механической обработки, поэтому наружная часть броней обрабатывается только на длине зоны калибровки, а внутренняя – по посадочным поверхностям. Упругий контакт броней с корпусами конуса и чаши поддерживается через цинковую или пластмассовую заливку. Зазор для заливки между броней и корпусом желательно размещать в тело корпуса, так как большая разница толщин сечений отливки создаст трудности с равномерностью ее остывания. Контакты брони и корпуса в зоне заливки не допускаются. Для дробилки размера 2200 величина зазора принимается 15 мм.

По форме корпус конуса – типичная «фасонная деталь», и наиболее подходящей заготовкой под него является отливка. Предполагается, что в течение срока службы может возникнуть необходимость в ремонте корпусных деталей сваркой (ремонт трещин) или наплавкой (ремонт износа). Поэтому все такие детали выполняют из удовлетворительно сваривающейся (с местным подогревом) стали 35Л1П, которая из всех сталей группы 35Л имеет наибольшую ударную вязкость.

Дробильная чаша также участвует в переработке материала, через нее осуществляются подвижки, регулирующие размер разгрузочной щели и компенсирующие износ броней.

Броня чаши должна крепиться в корпусе. Верхняя часть брони используется для поддержания проектной величины приемной щели в процессе износа и не может служить для крепления. Крепление за нижнюю часть брони неоправданно увеличит габарит корпуса чаши. Отсюда наиболее рационально крепление брони чаши в корпусе за нейтральную часть брони, близко к середине ее высоты. Крепление осуществляется через специальные захваты, которые могут быть углублены в сечение корпуса чаши и не вызывать увеличения габарита корпуса.

ВЫБОР КРИТЕРИЕВ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ

СОПРЯЖЕНИЙ ГОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПО ВИБРОАКУСТИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ

ПЬЯНКОВ А. П., науч. руководитель проф. БОЯРСКИХ Г. А., Уральская государственная горно-геологическая академия В условиях современного рынка возрастает потребность к повышению качества выпускаемой продукции, и это требует принятия адекватных критериев оценки качества изготавливаемого оборудования. Следовательно, вопрос оценки качества выпуска продукции становится весьма актуальным. При существующей нормативной базе оценка качества продукции горного машиностроения, как правило, производится альтернативно.

Диагностирование объектов производится по специально разработанной методике, реализованной в строгом соответствии с нормативно-технической документацией.

Проверка триботехнических сопряжений (подшипников качения, скольжения) в основном проводится исходя из конструкции объекта, который обычно включают в себя следующие состояния:

• Нормальное состояние (не обнаружено значимых отклонений анализируемых параметров и характеристик от заданных значений, принятых за нормальные).

• Дисбаланс вращающихся масс, вызываемый некачественной обработкой подшипниковых шеек ротора.

• Эллипсность цапф в подшипнике скольжения.

• Неправильная установка вкладышей в подшипниках скольжения.

• Дефекты подшипников качения: дефект внешней обоймы (трещины, раковины), дефект внутренней обоймы, дефекты на телах качения, неравномерный радиальный натяг, перекос наружной обоймы.

Процесс диагностирования осуществляется следующим образом:

• Оператор производит измерения и расчет спектров в выбранных точках измерения, которые записываются в оперативную память анализатора.

• По программе диагностирования спектры, хранящиеся в ОЗУ анализатора, пересылаются в архив программы и сортируются по именам диагностируемых агрегатов.

• По запуску программы диагностирования в автоматическом режиме производится расчет информативных частот, значений диагностических параметров, сравнение с эталонами, построение диагностической модели и определение состояния всех узлов агрегата.

Для быстрого и качественного отыскания дефектов в оборудовании разработаны следующие этапы диагностирования.

Неисправный подшипник качения генерирует вибрацию на следующих основных частотах, кратных частоте вращения: частота вращения сепаратора, частота вращения тела качения, частота перекатывания тел качения по внешнему кольцу, частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу подшипника.

Данные частоты сравниваются с эталонными (заранее занесенными в базу данных), и на основе этого принимается решение о качестве оборудования.

Эти частоты можно вычислить исходя из геометрических размеров элементов подшипника (диаметры тел и дорожек качения), а также количества тел качения, как приведено ниже.

Дефект сепаратора или шарика:

где F – частота проявления дефекта; Dв – диаметр внутреннего кольца подшипника; Dн – внутренний диаметр наружного кольца; п – частота вращения ротора.

Дефект тела качения:

где Dш – диаметр тела качения.

Дефект внутреннего кольца:

где т – количество тел качения в подшипнике.

Дефект внешнего кольца:

Одиночный дефект на внутреннем или внешнем кольце подшипника генерирует вибрацию на частоте перекатывания тела качения.

Вычисленные частоты не всегда точно совпадают с измеренными из-за проскальзывания шарика и несоответствия между реальным путем движения шарика и измеренным диаметром, который использовался в вычислениях.

Путем многократных испытаний выявлено, что частота перекатывания по внутренней дорожке примерно равна 60 % от частоты вращения, умноженной на число тел качения. Что касается внешнего кольца, примерно 40 % шариков проходят через заданную точку за каждый оборот вала. Необходимо помнить, что подобные вычисления являются приближенными. Реальные частоты перекатывания могут значительно отличаться в зависимости от конфигурации подшипника.

В любом случае знание частоты вращения шарика и частоты перекатывания часто полезно для анализа вибрации, возникающей в подшипнике, и для получения дополнительной информации о дефекте.

В некоторых случаях интересующие нас подшипниковые частоты можно обнаружить только путем тщательного анализа вибрации. Однако в случае присутствия нескольких дефектов разделить частоты, присущие тем или иным дефектам, сложно. В этом случае требуется применение синхронного анализа для подавления паразитных составляющих колебаний.

Одиночный дефект на внутреннем или внешнем кольце подшипника генерирует вибрацию на частоте перекатывания тела качения. В зависимости от степени развития неисправности размер области повреждения растет, при этом будет наблюдаться увеличение числа частот и ширины спектра. Эти частоты будут модулироваться силами дисбаланса на частоте вращения вала или другими силами. В результате модулирования в спектре проявляется большое число суммарно-разностных частот.

Как показано на рис. 2, эффект модуляции проявляется в возникновении достаточно широкого спектра частот.

Энергия импульсов определяется как энергия вибрации, которая генерируется короткими ударными силовыми импульсами, импульсами при взаимодействии металл-металл, случайными вибрационными импульсами, распространяющимися по конструкции.

Подшипники являются одними из наиболее точных узлов машины, поэтому их вибрации, когда подшипник правильно изготовлен, малы по сравнению с вибрацией остальных узлов машины. На начальной стадии развития неисправности в подшипнике уровень его вибрации очень мал по сравнению с вибрацией других частей машины.

Общий уровень вибрации (нефильтрованный уровень виброскорости или ускорения), измеренный на корпусе машины, не позволяет оценить состояние подшипника до тех пор, пока его неисправность не достигнет критической степени развития. Поэтому измерение общего уровня вибрации для контроля состояния подшипников является неэффективным.

Эффективным для этих целей является измерение энергии импульсов, которая измеряется в высокочастотной области и более чувствительна к изменению состояния подшипника, чем общий уровень вибрации.

Дефекты дорожек и тел качения вызывают импульсные ударные воздействия на различные элементы подшипника. Эти воздействия, в свою очередь, возбуждают резонансные частоты различных элементов подшипника.

Рис. 3. Сигнал энергии импульсов для поврежденного подшипника На рис. 3 приведен пример сигнала энергии импульсов для поврежденного подшипника.

Для измерения энергии импульсов в высокочастотной области применяют акселерометры, имеющие собственную частоту примерно 27000 Гц. Эта частота значительно выше частоты вибрации, возникающей из-за несоосности, дисбаланса и гидравлических сил. В результате единственными источниками вибрации, которые возбуждают собственные частоты акселерометра, являются ударные силы, генерируемые неисправным подшипником или зубчатой передачей.

Для измерения энергии импульсов необходим фильтр высоких частот, отсекающий частоты ниже 5000 Гц, поэтому увеличение вибрации из-за дисбаланса и несоосности не вызывает увеличение энергии импульсов. Энергия импульсов, генерируемая подшипником, различными путями передается на внешнюю поверхность машины (корпус). Сигнал с акселерометра поступает на специальный блок обработки сигнала в приборе для измерения энергии импульсов, который преобразует поступающий сигнал таким образом, что выделяется только та его часть, которая связана с неисправностью подшипника.

Нельзя принимать решение о качестве изготовления машины, базируясь только на измерениях энергии импульсов. Для вынесения окончательного заключения необходимо производить измерения, по крайней мере еще одного вибрационного параметра, такого, как виброускорение. Это необходимо делать потому, что значения энергии импульсов существенным образом зависят от режима работы машины. Высокоскоростные машины более подвержены воздействию силам вибрации, для них более подходящим показателем состояния является виброускорение. Для низкоскоростных машин предпочтительнее в качестве дополнительного параметра использовать вибросмещение.

Данный метод диагностирования позволяет сократить выпуск дефектной продукции на 90 %.

Для контроля вибрационных параметров оборудования используются зарубежные и отечественные приборы таких фирм, как: «ИНОТЕК», «Мера», «Л-КАРД» и др.

СТАТИСТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ КВАЛИМЕТРИЧЕСКОЙ ОЦЕНКИ

ПРИЕМОЧНЫХ ИСПЫТАНИЙ ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Конечной стадией любого машиностроительного производства является испытание выпускаемого изделия, так как испытания позволяют проверить и задокументировать степень соответствия присущих характеристик требованиям качества изделия (определение ISO 9000:2000).

Абстрагируясь от вышеприведенного определения, качество выпускаемой продукции можно рассматривать так же, как и совокупность присущих характеристик. Необходимо выделить наиболее структурирующие сегменты совокупности «качество»:

• функциональные;

• технологические;

• экономические;

• антропологические.

Более подробно структура качества изделия приведена на рисунке.

Опираясь на вышеприведенную схему, можно условно классифицировать процедуру испытания на следующие типы:

• интегральная оценка качества;

• дифференциальная оценка качества.

Интегральная оценка включает в себя испытания изделия по всем сегментам качества, а также обработку и анализ результатов проведенных испытаний. Учитывая, что данный тип испытаний обладает высокой стоимостью, вследствие большего объема работ, их сложности, применение интегральной оценки качества весьма ограничено. В основном это испытания уникальных машин, изделий экспериментального и единичного производств либо первых образцов изделий крупносерийного и массового производств.

Испытание изделия машиностроительного производства по одному, двум параметрам качества является дифференциальной оценкой. Это обусловливается тем, что некоторые сегменты качества продукции находятся постоянно на высоком уровне либо незначительно влияют на качество в целом. Кроме того, данная процедура менее затратна и длительна, при сохранении достаточной истинности результатов испытаний.

Наиболее часто дифференциальная оценка изделия производится по параметру надежности, так как этот сегмент качества наиболее полно связан с другими сегментами и позволяет прогнозировать качество и длительность последующей эксплуатации выпускаемой продукции.

Контроль надежности имеет своей целью установить, что надежность контролируемой партии не ниже установленного уровня. Однако контроль надежности всей партии в условиях крупносерийного и массового машиностроительных производств не представляется возможным, поэтому необходимо определять размер контрольной выборки изделий из условия обеспечения достаточного уровня достоверности результатов испытаний для всей партии.

При определении размера выборки возможно возникновение ошибок двух видов:

• ошибка первого рода – партия годных изделий, на основе контроля выборки, объявляется бракованной;

• ошибка второго рода – партия бракованных деталей, на основе контроля выборки, объявляется годной.

Вероятность ошибки первого рода называется риском производителя (), вероятность ошибки второго рода – риском потребителя ().

Контроль надежности производится с помощью статистического метода однократной выборки и заключается в том, что из контролируемой партии объема N изделий берется одна случайная выборка объемом n экземпляров. Исходя из N, n, или устанавливаются оценочные нормативы A0 и A1. Если выборочное значение контролируемого параметра меньше или равно A0, то партия признается надежной; если больше или равно A1, то партия бракуется.

Соотношения между и A0, и A1 определяются следующими зависимостями:

где А0 – приемочное число; А1 – браковочное число; ( ) – функция Лапласа; q0 – приемлемая вероятность отказа; q1 – верхняя граница вероятности отказа.

Приемлемая вероятность q0 может быть определена, если известно следующее:

общий объем партии контролируемых изделий N;

допустимое количество дефектных изделий D0.

Соответственно верхняя граница вероятности отказа или где Р1 – требуемая вероятность безотказной работы.

Представленные выше статистические зависимости являются основой управления процессом контроля и испытания изделий машиностроения. Задаваясь величиной требуемой вероятности безотказной работы Р1, можно устанавливать различные величины браковочных чисел, которые соответствуют различным уровням надежности изделий контролируемых партий. Представляется необходимым выделить основные критерии, определяющие значение требуемой вероятности безотказной работы:

• максимальная безаварийность и безопасность последующей эксплуатации изделия;

• условия эксплуатации;

• срок службы изделия;

• величина средней наработки на отказ.

Устанавливая определенные значения вероятностей ошибок первого и второго рода и решая уравнения (1) и (2), становится возможным рассчитывать размер выборки изделий (n) для проведения испытаний и как следствие определять следующие параметры контроля:

• объем работ по проведению испытаний;

• необходимое количество оборудования и оснастки;

• необходимое количество персонала • затраты на проведение испытаний.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Буровые комплексы. Современные технологии и оборудование / Коллектив авторов: под общей редакцией А. М. Гусмана и К. П. Порожского: Научное издание. Екатеринбург: УГГГА, 2002. 592 с. с илл.

2. Боярских Г. А. Надежность горных машин и оборудования: Методические указания к практическим занятиям.

Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2003. 44 с.

3. Терехова Т. В., Грачев А. Н. ИСО 9001:2000 (просто и доступно о стандартах ИСО серии 9000). 2-е издание.

Нижний Новгород: Изд-во «Вектор – ТиС», 2003. 40 с.

ТОПЛИВНАЯ ЭКОНОМИЧНОСТЬ КАРЬЕРНЫХ АВТОСАМОСВАЛОВ

КАК СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ УКЛОНОВ ВНУТРИКАРЬЕРНЫХ ДОРОГ

Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук При проектировании и разработке карьеров одной из основных задач является определение оптимальных уклонов внутрикарьерных дорог.

В настоящее время уклоны дорог выбираются исходя из рекомендаций СНиП. Однако подход к разработке требований стандарта не соответствует современным горно-техническим условиям, а также параметрам новых моделей автосамосвалов.

Оптимизация уклонов автодорог производится по ряду параметров. Однако определяющей, в конечном итоге, является технико-экономическая эффективность транспортирования горной массы. Одним из основных показателей эффективности транспортирования является топливная экономичность автосамосвалов, то есть отношение расхода топлива к произведенной работе за транспортный цикл (погрузка – транспортирование – разгрузка – возвращение в забой).

Проведенные в Институте горного дела УрО РАН исследования топливной экономичности карьерных автосамосвалов показали, что определение расхода топлива требует комплексного решения и учета конкретных условий эксплуатации. Применение одного из традиционных методов (аналитического, экспериментального, стендового или статистического) ограничено рядом затруднений при использовании каждого из них в отдельности.

Статистический метод дает представление об эффективности эксплуатации автосамосвалов только на тех уклонах, которые имеются на горных предприятиях на момент проведения исследований либо существовали ранее. Он не позволяет оценить преимущества и недостатки использования иных (более крутых) уклонов.

Экспериментальный метод позволяет с достаточной точностью определить расход топлива автосамосвалом на конкретных уклонах в конкретных горно-технических и сезонно-климатических условиях, однако не дает возможности анализировать полученные данные с целью установления оптимальных уклонов в других условиях работы автотранспортных средств.

Аналитический метод позволяет определить характеристики топливной экономичности карьерных автосамосвалов в зависимости от различных горно-технических и сезонно-климатических условий. Но при этом проблематично учесть все значимые факторы, а также выявить сложные функциональные зависимости их влияния на исследуемые величины. Это приводит к определенной погрешности, а в отдельных случаях – к ошибочным результатам.

В связи с отмеченными недостатками при использовании одного из традиционных методов исследования топливной экономичности карьерных автосамосвалов, в ИГД УрО РАН была разработана специальная экспериментально-аналитическая методика, которая не имеет вышеперечисленных недостатков благодаря совместному использованию нескольких методов, и в то же время сочетает преимущества каждого из них.

Экспериментально-аналитическая методика определения расхода топлива карьерными автосамосвалами была использована при испытаниях уже эксплуатирующихся автосамосвалов грузоподъемностью 27т с целью разработки Дифференцированных норм расхода топлива, при исследованиях топливной экономичности вновь создаваемых моделей карьерных автосамосвалов, при разработке новых видов энергосиловых установок автотранспортных средств, а также для оптимизации уклонов внутрикарьерных автодорог.

По результатам комплексных исследований, проведенных на карьерах Кольского полуострова, Якутии, Казахстана, Урала, Украины, были рекомендованы оптимальные уклоны внутрикарьерных дорог для различных моделей автосамосвалов [2, 3].

Большой фактический материал, накопленный в результате комплексных исследований, позволяет анализировать выводы об оптимизации уклонов, полученные аналитическим (расчетным) методом. В частности этот метод использовался в работах [4, 5].

Рассмотрим результаты теоретических расчетов (табл. 1) [4] и сравним их с данными, полученными при экспериментально-аналитических исследованиях (табл. 2) [1].

Рациональные продольные уклоны дорог со щебеночным покрытием По данным экспериментально-аналитических исследований установлено, что для автосамосвала БелАЗ-7519 (грузоподъемностью 110 т) с двигателем 8ДМ-21 и электромеханической трансмиссией оптимальным является уклон дорог 4-7 %. Расчетные данные работы [4] рекомендуют уклон 10-12 %. Для выявления причины противоречий проанализируем расчетную формулу, примененную в рассматриваемой работе:

где Р – удельный расход дизельного топлива при подъеме 1 т горной массы на 1 м, г/тм; gн – удельный расход топлива при номинальной нагрузке двигателя, г/кВтч; kт – коэффициент тары автосамосвала; 0 – коэффициент сопротивления качению; i – уклон автодороги; а – к. п. д. трансмиссии; gх – удельный расход топлива на холостом ходу двигателя, г/ч; G – грузоподъемность автосамосвала, т; vп – скорость порожнего автосамосвала на спуске, км/ч.

На наш взгляд, введение в формулу (1) удельного расхода топлива как постоянной величины является недостаточно обоснованным. Стендовые испытания двигателей 8ДМ-21, устанавливаемых на автосамосвалах БелАЗ-7519, показали, что режим работы двигателя изменяется в зависимости от преодолеваемого автосамосвалом уклона дороги, то есть от степени использования мощности двигателя. Для автосамосвала БелАЗ-7519 установлено, что при движении по дороге с уклонами 4-7 % двигатель работает в режиме с минимальным удельным расходом топлива (рис. 1, 2, заштрихованная область). При уклоне менее 4 % мощность двигателя реализуется частично (см. рис. 1, область А), а значит, технические возможности автосамосвала используются неэффективно. При уклонах более 7 % двигатель работает на неэкономичных режимах с более высоким удельным расходом топлива (см. рис. 1, область С). Вместе с тем наблюдается несогласованный режим работы двигателя и электротрансмиссии, что приводит к снижению общего КПД трансмиссии.

Таким образом, в формуле (1) имеется еще один параметр, не являющийся константой и зависящий от уклона дороги и сопротивления качению. Установить эту зависимость весьма проблематично, поскольку необходимо учитывать особенности взаимодействия двигателя и генератора. Методика решения этой проблемы на сегодняшний день отсутствует.

Приведенные в статье [4] выводы могут быть справедливы только при определенном условии: если для каждого значения уклона карьерных дорог разрабатывать автосамосвал с соответствующей мощностью двигателя. Тогда правомерно рассматривать удельный расход топлива как постоянную величину для данного семейства двигателей. Однако в этом случае проблема состоит не в оптимизации уклонов, а в выборе рациональных условий эксплуатации конкретного автомобиля при разработке автотранспортных средств, соответствующих проектируемым горно-техническим условиям карьера.

Результаты применения экспериментально-аналитической методики подтверждаются тем, что автосамосвалы БелАЗ-7519 с двигателем 8ДМ-21 в настоящее время применяются на карьерах угольной промышленности и ряде других предприятий, имеющих средневзвешенный уклон 3-5 %.

Рис. 1. Внешняя скоростная характеристика двигателя 8ДМ-21:

Ne – мощность двигателя; ge – удельный расход топлива; Ме – крутящий момент; Q – часовой расход топлива Рис. 2. Коэффициент полезного действия электромеханической трансмиссии (т):

г – КПД генератора; р – КПД редуктора мотор-колеса; д – КПД тягового двигателя В связи с вышесказанным можно сделать три основных вывода.

1. Для разработанных и эксплуатируемых автотранспортных средств необходимо определять рациональные, то есть наиболее эффективные с точки зрения топливной экономичности, зоны эксплуатации, которые, с учетом других технико-экономических показателей, могут быть использованы при выборе карьерного автосамосвала для конкретных условий эксплуатации.

2. Оптимизацию продольных уклонов автодорог необходимо производить на стадии проектирования открытой разработки месторождения с одновременным выбором или созданием для этих условий карьерных автосамосвалов (например, с двигателем повышенной удельной мощности), при учете условий эксплуатации (коэффициент сопротивления качению, протяженность и величина продольных уклонов автомобильных дорог), а также конструктивных особенностей автомобилей (удельной мощности, КПД трансмиссии, удельного расхода топлива и т. д.).

3. Для проведения рассмотренных исследований рекомендуется использовать разработанную в ИГД УрО РАН экспериментально-аналитическую методику измерения расхода топлива карьерными автосамосвалами, позволяющую учитывать все многообразие горно-технических и сезонно-климатических условий эксплуатации, а также практически все конструктивные особенности эксплуатируемых и разрабатываемых автотранспортных средств.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Тарасов П. И. Исследование влияния горнотехнических факторов на расход топлива карьерным автотранспортом: Дис. … канд. техн. наук. Свердловск: ИГД МЧМ СССР, 1982.

2. Васильев М. В., Смирнов В. П., Горшков Э. В., Тарасов П. И. и др. Испытания автосамосвала БелАЗ-7519 грузоподъемностью 110 т в карьерных условиях // Горный журнал. 1981. № 9.

3. Васильев М. В., Смирнов В. П., Горшков Э. В., Тарасов П. И. и др. Результаты испытаний дизель-электрического автосамосвала БелАЗ-Э7521 // Горный журнал. 1982. № 11.

4. Лель Ю. И., Ворошилов Г. А., Ефимовских Т. Л., Дементьев С. А. Методика оптимизации уклонов автодорог при разработке нагорно-глубинных карьеров // Энергосбережение на карьерном автомобильном транспорте: Материалы международного научно-технического семинара, 24-26 июля 2003 г. Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2003.

5. Ефимовских Т. Л. Оптимизация уклонов карьерных автодорог // Известия УГГГА. Специальный выпуск. Материалы Уральской горнопромышленной декады г. Екатеринбург, 10-20 апреля 2003 г. / Уральская государственная горногеологическая академия. Екатеринбург: Изд-во АМБ, 2003.

АНАЛИЗ ПУТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ

МОБИЛЬНЫХ БУРОВЫХ УСТАНОВОК

В нефтегазовой отрасли важнейшее значение приобретают технологии и оборудование, обеспечивающие повышение нефтедобычи при одновременном снижении капитальных затрат на строительство и ремонт скважины. Известно, что в суммарном объеме капитальных вложений в разработку нефтегазовых месторождений более 60 % приходится на строительство скважин и буровое оборудование. Одним из приоритетных направлений развития бурового оборудования, как в России, так и за рубежом, является создание мобильных буровых установок, позволяющих получить значительную экономию на вышкомонтажных работах и транспортировке.

Характерными конструктивными признаками мобильных установок является модульная компоновка, наличие собственной транспортной базы или встроенных транспортных устройств для перевозки модулей с помощью седельных тягачей и подкатных тележек. Каждый модуль представляет собой транспортную единицу со всем необходимым оборудованием (технологическое оборудование, коммуникации, укрытия, устройства обогрева), прошедшую полную заводскую сборку и готовую к монтажу и эксплуатации. Такое построение буровых установок позволяет значительно сократить сроки монтажа, демонтажа и перевозки оборудования, особенно в условиях разведочного бурения, а также в районах пустынных местностей. Кроме того, блочно-модульное исполнение мобильных буровых позволяет достаточно просто адаптировать конструкцию машины для различных областей применения, так, например, состав и компоновка оборудования для разведочного и эксплуатационного бурения будет различной.

Размещение наиболее тяжелых узлов установки в модулях, перевозимых седельными тягачами, позволяет обходиться без тяжелой крановой техники. Монтаж и демонтаж модулей могут производиться с помощью транспортных средств и встроенной в модули гидравлики.

Мобильные установки предназначены для бурения разведочных и эксплуатационных скважин глубиной до 3200 м (диапазон грузоподъемности от 80 до 200 тонн), а также ремонта скважин (диапазон грузоподъемности от 28 до 125 тонн) в районах с умеренным климатом при температуре окружающего воздуха от минус 45 °С до плюс 40 °С. В горной промышленности мобильные буровые установки грузоподъемностью до 50 тонн применяются для дегазации угольных месторождений, проходки вспомогательных скважин вентиляции и водоотлива.

Потребность в данных установках возрастает по следующим причинам:

истощаются запасы эксплуатируемых месторождений нефти и газа, в связи с чем возникает необходимость производить разведку новых залежей;

имеется большое количество пробуренных ранее горизонтальных скважин с низким дебитом, требующих капитального ремонта;

внедрение передовых технологий бурения наклонно-направленных и горизонтальных скважин (в частности, добуривание горизонтальной части ствола, крепление хвостовиками, освоение скважин);

изношенность парка буровых установок по стране;

относительно низкие затраты средств и времени на вышкомонтаж и транспортировку, что позволяет окупить машину за короткий промежуток времени;

проходка бокового ствола требует специальных навыков, оборудования, материалов (в частности, специальных полимерных промывочных растворов).

Сама идея разработки мобильной буровой установки возникла достаточно давно и основывалась на желании заказчиков сократить сроки монтажа, демонтажа и перевозок оборудования с точки бурения на новую точку, а также отказаться от применения специальных грузоподъемных машин. В ходе решения данной задачи были определены следующие требования к конструкции мобильной установки для бурения:

модульная компоновка;

наличие собственной транспортной базы или встроенных транспортных устройств для перевозки модулей с помощью седельных тягачей и подкатных тележек;

каждый модуль представляет собой транспортную единицу со всем необходимым оборудованием;

габариты и масса должны обеспечивать возможность транспортировки по дорогам общего назначения;

наличие встроенных средств механизации и монтажа;

монтаж производит сама бригада, работающая на буровой, без привлечения специальных монтажных организаций;

продолжительность монтажных работ – 3-4 суток.

Существующие на данный момент мобильные буровые установки, производимые в России и за рубежом, не в полной мере соответствуют всем необходимым требованиям конструкции. К недостаткам можно отнести:

продолжительность вышкомонтажных работ (ВМР) не соответствует предъявленным требованиям;

количество рейсов спецтехники при транспортировании с места на место практически не отличается от блочно-модульных буровых установок;

установленное оборудование не обеспечивает необходимые технологические параметры, например:

недостаточное давление, создаваемое насосами, недостаточная высота вышки, что исключает возможность применения силового верхнего привода (СВП), привод лебедки не обеспечивает необходимую скорость перемещения порожнего талевого блока, недостаточная емкость ЦС;

крупные модули имеют негабаритность, что затрудняет их перевозку по дорогам общего пользования;

зарубежные установки часто не соответствуют условиям бурения по климатическому исполнению.

Мобильные буровые установки и агрегаты для ремонта скважин изготавливают целый ряд фирм в нашей стране (ОМЗ-МНП, ВЗБТ, Кунгурский машзавод) и за рубежом (National OilWell-США, SoilmecИталия, СPTDC-Китай, BENTEC-Германия, HRI-США и др.).

Рассмотрим в качестве примера конструкцию мобильной буровой установки.

Рис. 1. Общий вид вышечно-лебедочного блока буровой установки фирмы National Oilwell, 125-ТОННАЯ САМОХОДНАЯ БУРОВАЯ УСТАНОВКА ФИРМЫ National Oilwell Для бурения и ремонта скважин СИЛОВОЙ БЛОК. Два дизельных двигателя мощностью по 260-300 кВт (всего 520-600 кВт), работающие на 2100 об/мин. Привод через два гидротрансформатора/коробки передач фирмы «Аллисон», которые обеспечивают пять передних и одну заднюю скорость для подъёма снарядов и перемещения установки по дорогам.

ЛЕБЁДКА. Однобарабанная. Основной барабан диаметром 498 мм и длиной 1018 мм снабжён двумя тормозными ободами 1067 х 305 мм с водяным охлаждением. В пазы кожуха барабана укладывается канат диаметром 28,6 мм. Сцепление барабана пневматическое. Тормоз основного барабана снабжён водяным или масляным гидродинамическим усилителем с резервным баком. Кронблок с предохранительной системой отключения.

МАЧТА. Раздвижная, двухсекционная, общей высотой 35,7 м, грузоподъёмностью 125 тонн по Российским стандартам и с коэффициентом перегрузки 25 % (грузоподъёмность по стандарту API 4F составляет 165 тонн). Оснастка талей 5x6. Шестишкивный кронблок допускает производство соединений в шурфе при бурении. Мачта изготовлена из хладостойкой стали. Двухъярусный балкон для работы с трубами – 18метровый и 24,5-метровый (для двух трубок). Гидравлические вспомогательные лебёдки снабжены цилиндрами для свинчивания и развинчивания трубных замков. Основание мачты поставлено на салазки. Стояк с внутренним диаметром 101 мм, рассчитанный на рабочее давление 340 атм., с коллектором, фонтанной задвижкой, задвижкой глушения скважины, наполнительным клапаном и манометром.

ХОДОВАЯ ЧАСТЬ. Включает: шестиосное самоходное шасси с тремя ведущими мостами (нагрузка на ось 10 тонн), четыре гидравлические опорные стойки с фундаментными плитами, гидравлическую вспомогательную лебёдку, барабан с запасным тросом, два воздушных компрессора производительностью 0,67 м и систему распределения воздуха, две гидравлические системы на 132 л/мин и давление 170 атм., операторский пульт управления, устройства дистанционного управления гидравлическими механизмами подъёма и развёртывания.

и силового блока мобильной буровой установки фирмы National Oilwell Ходовая часть может быть смонтирована как на пневмоколесном ходу (рис. 3), так и на гусеничном автошасси (рис. 2), для повышения проходимости в условиях разведочного бурения.

Рис. 3. Общий вид вышечно-лебедочного блока мобильной буровой установки фирмы National Oilwell ОСНОВАНИЕ. Включает: основание высотой 5 м с надстроенной рабочей платформой, служит для установки ротора и труб, закреплённых в мачтовом стеллаже, систему установки превентора и трубную рампу.

ПРИВОД ДЛЯ ВРАЩАТЕЛЬНОГО БУРЕНИЯ. Механический привод от карданного вала с масляным картером предназначен для установки на основании и включает в себя ротор производства фирмы «IRI»

с отверстием 445 мм. Для смазки ротора и основных вкладышей применяется масляная ванна.

ВСПОМОГАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ. Включает: тартальный барабан на 4800 м каната диаметром 14 мм или на 3900 м каната диаметром 16 мм, водяное охлаждение с разбрызгиванием для тормозов барабана, комплект оборудования для низкотемпературных условий, включающий погружаемые подогреватели на 220 В для всех буровых растворов, антифриз, низкотемпературные масла и специальную изоляцию, водяной бак на салазках емкостью 10 м3 и циркуляционный насос для охлаждения тормозных ободов и дополнительного охлаждения тормозов.

В настоящее время усовершенствование всех моделей мобильных буровых установок направлено в основном на уменьшение их массы, увеличение запаса по грузоподъемности, оснащение установок устройствами механизации и автоматизации. Все это способствует повышению производительности за счет снижения простоев и организационно-технических перерывов в работе (транспорт, установка на месте работы, маневрирование вспомогательного оборудования и пр.). Кроме того, ведутся работы по усовершенствованию схемы компоновки основного оборудования. Основным же направлением дальнейшего развития мобильных буровых установок остается повышение мобильности и монтажеспособности.

Большое влияние на конструкцию оказывает применяемая технология бурения. Например: способ бурения гибкими трубами радикально изменяет конструкцию буровой установки и является одним из наиболее прогрессивных методов. Однако его применение на данном этапе ограничивается работами по ремонту скважин.

Другой путь развития конструкции определяется применением технологии бурения на обсадных трубах, где можно выделить следующие отличия от традиционных мобильных буровых установок:

уменьшенная высота мачты, так как нет необходимости в проведении спуско-подъемных операций с бурильными трубами, что, в свою очередь, значительно повышает мобильность и монтажеспособность;

наличие механизации приемного моста (манипулятора для обсадных труб), обусловленное необходимостью повышения условий безопасности, так как производится работа с тяжелым инструментом, кроме того, укороченная длина мачты требует применения однотрубок при наращивании буровой колонны, а следовательно, увеличивается интенсивность спуско-подъемных операций (СПО);

требуется применение встроенного верхнего привода;

уменьшенная мощность насосов и емкость циркуляционной системы, так как объем затрубного пространства значительно меньше, чем при использовании бурильных труб;

применение съемного инструмента требует наличия специальной лебедки и измененной конструкции кронблока, талевого блока и вертлюга.

Однако приведенные выше технологии применяют довольно редко в сравнении с традиционными способами ведения буровых работ.

Кроме совершенствования конструкции, обусловленного внедрением прогрессивных технологий, идет непрерывное совершенствование отдельных элементов буровых комплексов. Например, применение низкооборотных (высокомоментных) двигателей позволило создать односкоростную лебедку с уменьшенной массой и упрощенной конструкцией.

В заключение следует отметить, что снижение продолжительности монтажных работ до 4-х дней (у мобильных буровых) против 45 дней (у передвижных) позволяет повысить производительность бурения в 5 раз, при условии, что скорость проходки одной скважины для обеих машин одинакова.

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММ ИНЖЕНЕРНОГО АНАЛИЗА

ДЛЯ РАСЧЕТОВ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Уральская государственная горно-геологическая академия Всем известно, что конструкторские расчеты занимают очень много времени, а рутинная работа не всегда увлекательна. На современном этапе развития расчетных методик для решения конструкторских задач на помощь проектировщику приходят компьютерные программы инженерного анализа.

Мы привыкли к тому, что лидерами в области программного обеспечения являются страны Европы и Америка. Но сейчас на рынке программ инженерного анализа появились Российские автоматизированные системы проектирования, которые более доступны в ценовом отношении, а по качеству не уступают зарубежным производителям, например APM WinMachine.

Любой механизм горной машины может быть представлен цепью последовательных устройств, которая начинается двигателем и заканчивается элементами исполнительного оборудования. Обязательным промежуточным элементом такой цепи является передаточный механизм. Чаще всего он позволяет уменьшить число оборотов на выходе и называется редуктором.

Расчет такого механизма, проверка входящих в него деталей на прочность и выносливость, выполнение сборочного чертежа и рабочих чертежей деталей – цель курсового проекта по дисциплине «Детали машин».

Все студенты проводили расчет традиционными методами, мы же первоначально все расчеты предложенных схем механизмов выполнили вручную. После этого мы рассчитали предложенные механизмы в современной САЕ - системе APM WinMachine.

Система автоматизированного проектирования APM WinMachine предназначена:

­ для выполнения всего многообразия расчетов машин, механизмов и конструкций;

­ полноценного инженерного анализа создаваемого оборудования с целью выбора его оптимальных параметров;

­ оформления и хранения конструкторской документации.

Это новейшее программное обеспечение в полном объеме учитывает требования ГОСТов, СНиПов и частично национальных стандартов зарубежных государств.

Система APM WinMachine построена по модульному принципу, причем каждый из модулей может работать как самостоятельно, так и в комбинации с другими. Все их условно можно разделить на три группы:

­ модули для расчета механизмов и их деталей;

­ модули расчета напряженно-деформированного состояния конструкций;

­ модули оформления документов и технического документооборота.

Из предложенных 17 модулей мы воспользовались только некоторыми требующимися для нашей работы, такими, как APM Graph, APM Trans, APM Shaft, APM Drive, APM Data.

Модуль APM Drive работает в параметрической связи с модулями расчета: зубчатых передач APM Trans, валов и осей – APM Shaft, а также подшипников качения – APM Bear, т. е. расчет деталей механизма производится именно в этих модулях, и модуль APM Drive объединяет их в единую систему результатов.

Дополнительно используется единая база данных – модуль APM Data, позволяющая подобрать стандартные элементы редуктора. Для получения сгенерированных соответствующими модулями чертежей элементов механизма применяется графический редактор APM Graph.

Процесс проектирования заданного редуктора был начат в модуле APM Drive. Первоначально с помощью специальных инструментов – кнопок панели инструментов, вводится кинематическая схема и исходные данные проектируемого редуктора. Как видно на рис. 1, все элементы введенной схемы полностью соответствуют гостовским изображениям кинематических схем.

Рис. 1. Кинематическая схема заданного механизма в модуле APM Drive Далее программой (модулем APM Trans) производится расчет, в результате которого мы получили:

­ геометрические параметры элементов передач – межосевое расстояние, делительные диаметры зубчатых колес, ширину колес, модуль и т. д. (рис. 2);

­ силы, действующие на валы от передач, – окружную, радиальную, осевую;

­ действующие контактные и изгибные напряжения и величины допускаемых напряжений;

­ рабочие чертежи ведущего и ведомого зубчатого колес каждой ступени передачи.

Кроме этого, при необходимости можно получить:

­ весь спектр параметров контроля качества изготовления;

­ параметры качества передачи.

Пользователи могут анализировать результаты, вводить необходимые корректировки для получения наилучшего варианта конструкции.

Модуль APM Shaft позволил выполнить весь цикл проектирования валов разрабатываемого редуктора.

С его помощью рассчитаны и построены:

­ реакции в опорах валов;

Рис. 2. Результаты расчета геометрических параметров передачи Рис. 3. Рабочий чертеж вала – шестерни быстроходной ступени редуктора ­ эпюры моментов изгиба и углов изгиба;

­ эпюры моментов кручения и углов закручивания;

­ деформированное состояние вала;

­ коэффициент запаса по усталостной прочности;

­ эпюры распределения поперечных сил.

APM Graph мы использовали для выполнения графической части курсового проекта – рабочих чертежей деталей механизма (рис. 3). Это плоский двухмерный графический редактор, который можно использовать для оформления конструкторской документации. Непосредственно из данного модуля можно пользоваться базой данных АРМ Data. В ней размещена геометрическая и цифровая информация, позволяющая выполнить чертежи стандартных деталей, узлов, различных комплектующих и т. д. С ее помощью можно автоматизировать процедуру оформления чертежей, заполнить штамп и спецификацию и т. д., что значительно облегчает выполнение чертежей.

В курсовых работах мы произвели сравнение результатов, полученных на ЭВМ, с результатами, полученными традиционными способами. Погрешность проверочных расчетов по контактным напряжениям составила менее 5 %. Проверка по изгибным напряжениям показала, что традиционные методы дают значительный запас прочности, что отрицательно сказывается на массе конструкции, результаты машинного расчета дали оптимизированную конструкцию к данному критерию.

Выполнив курсовой проект, мы в полной мере осознали, что проектирование такого рода конструкций занимает значительную часть времени, особенно тогда, когда поиск оптимального варианта требует пересчета всех ранее полученных значений. Но при использовании современных компьютерных систем расчета и анализа, так называемых САЕ-систем, можно значительно снизить время на создание и оптимизацию машин.

Применение электронных баз данных существенно облегчает работу конструктора при поиске и подборе стандартизированных элементов конструкции.

Графические пакеты дают возможность быстро и качественно оформить чертежи и графические документы.

Поскольку системы САПР стали частью общего производственного процесса, то будущие инженеры должны начинать осваивать CAD, CAM и САЕ-системы уже сегодня.

МЕХАНИЗМЫ ШАГАНИЯ ДРАГЛАЙНОВ ПОВЫШЕННОЙ НАДЕЖНОСТИ

Уральская государственная горно-геологическая академия В настоящее время на открытых горных и земляных работах широко используются горнотранспортные машины, оборудованные шагающим ходом. Оснащение горных предприятий отечественным оборудованием на шагающем ходу способствует значительному повышению эффективности открытых горных работ.

По сравнению с другими типами механизмов передвижения шагающий ход прост и надежен в эксплуатации, допускает передвижение машин по грунтам с низкой несущей способностью, машины с шагающим ходом обладают высокой маневренностью.

Практика показывает, что механизмы шагания горнотранспортных машин обладают существенными недостатками, например, низкая прочностная надежность деталей, буксование машины при движении по грунтовым поверхностям, малая скорость транспортного передвижения машин.

Появление гидравлических машин обусловило новый вид шагающего оборудования – гидравлический.

При использовании гидравлического привода количество деталей привода сокращается, ведь данный тип привода не требует дополнительных передаточных устройств, которые необходимы для механических типов привода. Гидравлическое оборудование позволяет легко преобразовать вращательное движение электродвигателя в поступательное движение гидроцилиндров. В отличие от механических шагающих механизмов, имеющих постоянную длину шага, гидравлическая схема позволяет изменять длину шага, что может обеспечить более высокую проходимость машины.

Ходовое оборудование горнотранспортных машин является одним из основных механизмов, от надежности и четкости работы которого зависит эффективность работы всей машины. Оно обеспечивает технологическое и транспортное передвижение машины и передачу нагрузки от поворотной части на грунт.

К шагающему ходовому оборудованию предъявляются требования эксплуатационной надежности, простоты, проходимости по грунтам с низкими прочностными свойствами. Требования, предъявляемые к шагающему ходовому оборудованию, а также ее основные параметры определяются технологической схемой работы машины и прочностными свойствами грунта.

Гидравлический механизм шагания экскаватора ЭШ 15.90 (рис. 1) состоит из двух подъемных и двух вспомогательных тяговых цилиндров 2, подвешенных на оси к стойкам поворотной платформы.

Плунжер каждого из цилиндров заканчивается на нижнем конце шаровой опорой или траверсой 3, соединенной с лыжей и позволяющей лыже поворачиваться, приспособляясь к неровностям поверхности грунта.

Подъемные цилиндры служат для подъема экскаватора, тяговые – для его горизонтального перемещения.

Благодаря шарнирному соединению цилиндров со стойками поворотной платформы экскаватор может повернуться на некоторый угол относительно лыж.

Для передвижения экскаватора на величину шага подъемные цилиндры должны занять вертикальное положение, что достигается выдвижением штоков вспомогательных цилиндров. Перед началом шагания убираются механические захваты лыж, удерживающие при работе экскаватора опорные лыжи в верхнем положении. При выдвижении штоков подъемных и тяговых вспомогательных цилиндров экскаватор приподнимается и перемещается, скользя кромкой опорной плоскости базы по грунту. При втягивании штоков подъемных и тяговых цилиндров опорные лыжи поднимаются вверх в исходное положение.

Предлагаемый гидравлический механизм шагания (рис. 2) представляет собой подъемные силовые цилиндры, шарнирно прикрепленные к корпусу и опирающиеся на опорные плиты через шарниры и удерживаемые в заданном положении относительно корпуса продольными тягами. Опорные плиты опираются на лыжи и выполнены с возможностью перемещения относительно лыж посредством тяговых силовых цилиндров. Опорные плиты соединены с корпусом посредством поперечных тяг. На продольных тягах смонтированы упоры, удерживающие лыжи в горизонтальном положении при опирании машины на опорную часть экскаватора.

При выдвижении штоков подъемных силовых цилиндров передняя по ходу движения кромка опорной части отрывается от грунта. Включаются на втягивание тяговые силовые цилиндры, и корпус перемещается относительно лыж. При этом усилия от тяговых силовых цилиндров передаются на опорные плиты и корпус через продольные тяги. Штоки подъемных силовых цилиндров втягиваются, передняя по ходу движения кромка лыж отрывается от грунта, включаются на выдвижение тяговые силовые цилиндры. При этом лыжи перемещаются в положение следующего шага. По окончании перемещения штоки подъемных силовых цилиндров втягиваются до соприкосновения лыж с упорами и лыжи занимают горизонтальное положение.

Одновременно с поворотом поперечных тяг при подъеме лыж они подтягиваются к корпусу и удерживаются в таком положении при повороте машины.

При движении по косогору горизонтальная боковая нагрузка от корпуса передается на лыжи через поперечные тяги и опорные плиты.

Шарнирное крепление подъемных силовых цилиндров к корпусу и опорным плитам обеспечивает передачу горизонтальных нагрузок через продольные и поперечные тяги и исключает нагружение штоков и уплотнений подъемных силовых цилиндров. Это повышает надежность механизма шагания и его долговечность.

Постоянное положение подъемных силовых цилиндров относительно корпуса при его перемещении позволяет приблизить центр тяжести экскаватора к шарниру крепления подъемных цилиндров на корпусе, что уменьшает нагруженность деталей опорно-поворотного устройства и реакцию на кромке поворотной части при трехопорном исполнении механизма шагания.

Недостатки гидравлической схемы механизма шагания экскаватора ЭШ-15.90:

– регламентированное положение центра масс машины из-за возможности возникновения клевка;

– при больших подъемах центра масс и движении по связным грунтам наблюдается нагребание грунта под базой, приводящее к невозможности дальнейшего движения;

– при работе тягового гидроцилиндра машина дополнительно прижимается к грунту, что увеличивает сопротивление перемещению экскаватора;

– при передвижении машины жидкость подается в штоковую полость тягового силового цилиндра, что приводит к увеличению рабочего давления во всей гидравлической системе.

Достоинства предлагаемой гидравлической схемы механизма шагания:

– отсутствует жесткая привязка положения центра масс к точке подвески подъемного гидроцилиндра;

– величина шага принята значительно больше, чем у классической схемы, чем сокращается время цикла шагания;

– опору можно сделать гидравлической, что сократит затраты энергии на перемещение машины;

– высота подъема центра масс экскаватора определяется необходимостью исключения нагребания грунта под кромкой базы.

СИСТЕМАТИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ ВЫШЕК И МАЧТ

СОВРЕМЕННЫХ БУРОВЫХ УСТАНОВОК

Уральская государственная горно-геологическая академия Последние разработки конструкторов в области нефтяного машиностроения направлены на создание блочно-модульных машин. В первую очередь, это мобильные буровые установки (МБУ) с допускаемой нагрузкой на крюке 160 – 200 т трейлерного типа.

Установки предназначены для бурения, в первую очередь, разведочных и эксплуатационных скважин и кроме того могут быть использованы для зарезки вторых стволов и для капитального ремонта скважин.

Мобильные буровые установки используются, в первую очередь, для завершающих работ, т. е. проходки под эксплуатационную колонну или под хвостовик, также для бурения кустов и одиночных скважин на нефть, газ и воду глубиной до 3000 м, для бурения вторых стволов из действующих и законсервированных скважин, капитального ремонта и освоения скважин.

Главным критерием совершенствования мобильных буровых установок является минимизация затрат времени на монтаж оборудования, объем этих работ зависит от конструктивного исполнения мачты.

В связи с этим в течение ряда лет совершенствуются такие конструктивные схемы, которые, не ухудшая параметров, определяющих характеристику буровой установки, позволяют снижать трудоёмкость монтажных работ, способствуют повышению безопасности труда и уменьшают её металлоёмкость. Предусматриваемая при проектировании вышек возможность механизации сборки, демонтажа, погрузочноразгрузочных работ и транспортирования способствует повышению долговечности этих узлов и оборудования, поскольку наибольший ущерб их состоянию наносится во время этих работ.

Мачты МБУ должны отвечать следующим требованиям:

1) быть прочными и устойчивыми при максимальных нагрузках, возникающих в процессе бурения и ликвидации аварий;

2) иметь необходимый запас высоты для размещения талевого блока, элеватора и манипулирования с буровыми свечами;

3) удовлетворять Правилам безопасности в нефтяной и газовой промышленности;

4) иметь возможно меньшие массу и габаритные размеры, а также конструкцию, которая обеспечивала бы движение по дорогам общего пользования;

5) на мачте должно быть установлено высокотехнологичное оборудование, которое позволило бы эксплуатировать установку в любых климатических условиях, избежать частых и дорогостоящих ремонтов и снизить до минимума воздействия установки на экологию;

6) обеспечивать возможность механизации и автоматизации технологических операций;

7) подходы к оборудованию должны быть спроектированы так, чтобы входы и выходы из помещений имели достаточные размеры для выполнения каких-либо операций;

8) технологические системы, оборудование должны быть оснащены необходимыми средствами регулирования и блокировки;

9) должны позволять вести монтаж на площадках небольшого размера.

Для систематизации вышек и мачт можно выделить три уровня классификации: функциональный, конструктивный и параметрический.

Функциональная классификация вышек и мачт.

На этом уровне классификации вышки и мачты подразделяются следующим образом:

а) по назначению (в зависимости от типа установок, назначения скважины и видов работ на скважине, а также условий ведения работ);

б) по выполняемым функциям (в зависимости от воспринимаемых мачтой нагрузок и вида размещаемого на мачте оборудования).

Тип установок определяется способом транспортирования (мобильные, кустовые, стационарные) и назначением:

– для бурения скважин;

– ремонта скважин;

– бурения и ремонта.

Мобильные буровые установки могут применяться для выполнения работ на следующих скважинах по назначению:

– нефтяные и газовые (разведочные и эксплуатационные, сейсморазведочные и структурно-картировочные);

– на воду (для водоснабжения буровой установки).

Условия ведения работ оказывают существенное влияние на выбор способа транспортирования установки и, в первую очередь, мачты.

На мачтах может размещаться следующее оборудование: талевая система, магазин-свечеприемник, платформы (площадки) для размещения верхового рабочего, система верхнего привода (СВП), средства механизации вспомогательных операций (блоки, манипуляторы, лебедки), гидроподъемники, укрытия. Наиболее значительное влияние на конструкцию мачты оказывает способ монтажа системы верхнего привода и его конструкция, средства механизации процесса размещения труб.

Конструктивная классификация предполагает систематизацию конструкций вышек и мачт по форме, материалу и способу монтажа и транспортирования. Определенное значение имеет способ обеспечения устойчивости вышки при работе буровой установки.

Классифицировать мачты удобнее всего по пространственной геометрической форме, так как этот признак дает наиболее полное представление о типе мачты, позволяет оценить возможность применения, во многом определяет конструктивное решение, вес, способ монтажа и демонтажа и т. п.

а, б – башенные вышки; в – мачтовая А-образная вышка; г, д – мачтовая вышка с открытой передней гранью;

Форма вышки определяется пространственной геометрической формой и расположением основных несущих металлоконструкций. По этому признаку различают башенные (пирамидальные), А-образные и П-образные конструкции. Кроме того, встречаются мачты стержневого (шестового) типа, выполненные из труб. Различают также наклонные и прямостоящие вышки и мачты (рис. 1). Наклонные вышки применяются, например, при ремонте скважин, а также при забуривании скважин под углом. Основные несущие элементы (опоры) вышки могут выполняться либо из проката различной формы (главным образом труб), либо из сварных пространственных ферм.

Грани вышки могут быть выполнены следующим образом:

– все грани полностью закрыты (квадратное или прямоугольное сечение);

– частично открытая передняя грань (портал в башенных вышках);

– полностью открытая передняя грань;

– открыты задняя и передняя грани.

В качестве материала для изготовления вышек и мачт применяется профильный прокат и трубы различного сечения.

а – секционная сборка кранами; б – телескопическая борка; в – сборка стыковкой Способ сборки (рис. 2) и транспортирования вышек определяется, в первую очередь, ее параметрами (масса и габариты) и условиями выполнения работ. В этом отношении вышки и мачты бывают следующих типов:

1) моноблочная (неразборная) конструкция;

2) секционная (разборная) конструкция, сборка которой проводится на месте выполнения работ с использованием дополнительных технических средств (кранов, подъемников);

3) телескопическая;

В особую группу следует выделить вышки и мачты, предназначенные или приспособленные для работы с системами верхнего привода. Например, необходимость применения верхнего привода обусловливает распространение в последнее время П-образных прямостоящих мачт с открытой передней гранью. Особенностью конструкций мачт для работы с верхним приводом является наличие направляющих для монтажа верхнего привода, которые служат для восприятия реактивного момента двигателя верхнего привода (рис. 3).

В практике проектирования используются следующие способы установки направляющих:

а, б – мачта является направляющей; в, г – направляющие расположены на передней грани; д – вариант расположения направляющей на задней грани мачты; е – направляющие расположены на боковых гранях мачты 1. Направляющие являются частью металлоконструкции вышки и могут располагаться:

– на внутренней поверхности задней грани;

– передней грани;

– наружной поверхности передней грани;

– боковых гранях.

2. Вся мачта является направляющей.

3. Съемные секционные направляющие для вышек и мачт традиционной конструкции.

Вышки и мачты транспортируются следующими способами:

– совместно с лебедочным блоком;

– отдельным блоком в сборе;

– отдельными блоками с разборкой на секции.

Количество опор, несущих полезную нагрузку, может изменяться от одной до четырех. Например, в вышках башенного типа, как правило, четыре опоры, а в стержневых конструкциях – одна. В этом случае требуются устройства, обеспечивающие устойчивость вышки при работе. К ним, в частности, можно отнести подкосы, растяжки, дополнительные опоры (рис. 4).

Подъем вышек и мачт и их опускание в транспортное положение могут осуществляться гидравлическими подъемниками, тракторами, лебедками буровых установок (рис. 5).

Для подъема буровых мачт применяются двухступенчатые гидравлические гидроцилиндры. Схема подъема мачты с использованием гидроцилиндра приведена на рис. 5, а.

Подъем мачт с помощью лебедок осуществляется по схеме, аналогичной приведенной на рис. 5, б или с использованием специальных укосин типа подъемных стрел и системы блоков, показанных на рис. 5, в.

Также применяется подъем вышек путем складывания их в процессе подъема (рис. 5, г).

Параметрическая классификация базируется на величине главного параметра. Для вышки такими параметрами являются: грузоподъемность, высота, угол наклона, вес, высота основания, габариты транспортных блоков.

Перспективы развития мачт мобильных буровых установок В мобильных установках, предназначенных для ремонта скважин, чаще всего применялись наклонные мачты, что обусловлено технологическими причинами. При эксплуатации этих мачт выявились недостатки, связанные с развитием современных технологий:

– наклонная мачта создаёт нагрузки на опоры и нижнюю секцию;

– монтаж направляющей для СВП производится после подъема мачты, что увеличивает сроки первичного монтажа.

В последние годы в мобильных буровых установках применяются прямостоящие мачты. Однако при эксплуатации таких мачт выявлены следующие недостатки:

– малые размеры рабочей площадки, что ухудшает доступ к обслуживаемым механизмам и в результате приводит к травматизму обслуживающего персонала;

– размещение лебедки на отдельном модуле.

Главными факторами, влияющими на выбор конструкции при проектировании МБУ, являются габариты, масса, монтажеспособность, а также возможность применения легко монтируемого верхнего привода.

Одним из путей решения данных проблем является модернизация конструкции мачт. В частности, увеличение размеров рабочей площадки можно обеспечить путем применения конструкции раздвижных ног до подъема мачты и фиксирования их после подъема на основании. При проектировании мобильных установок большой грузоподъемности целесообразно предусмотреть оснащение их прямостоящей мачтой.

При забуривании боковых стволов, бурении наклонных скважин существует необходимость применения СВП.

КРИТЕРИИ ОПТИМИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ЭРГОНОМИЧЕСКИХ

ПОКАЗАТЕЛЕЙ КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТИ ГОРНОЙ ТЕХНИКИ

Уральская государственная горно-геологическая академия Развитие рынка продукции горного машиностроения привело к нарастанию конкуренции и противодействию монопольному влиянию производителей техники. В этих условиях отношения производителей и потребителей техники формируются на основе оптимизации соотношения ее стоимости и потребительских свойств. Становится приоритетным умение установить и спрогнозировать определенные требования рынка с целью определения основных потребительских параметров продукции и разработки стратегии ее продвижения. Отсюда возрастает роль маркетинга, менеджмента, мониторинга и рекламы как инструментов предприятий в конкурентной борьбе.

Поэтому для разработки оптимальной стратегии продукции производителю техники необходимо изучить внутренние ресурсы – наличие кадров, оборудования и финансов, а также внешние – благоприятные и неблагоприятные факторы, а именно: потребности покупателей, предложения конкурентов, социальные, технологические, экономические, экологические и политические тенденции (СТЭЭП-факторы).

В области тяжелого машиностроения также наметилась тенденция к повышению конкурентоспособности горной техники, обусловленная изменениями СТЭЭП-факторов: гуманизация труда, бурные темпы научно-технического прогресса, благоприятные внешние кредиты и заимствования, высокие темпы экономического роста России и Китая, создание единого экономического пространства со странами СНГ и перспектива вступления России в ВТО. Все это открывает новые перспективы развития отечественных предприятий, в том числе и тяжелого машиностроения. Критический анализ и моделирование СТЭЭП-факторов необходимы для оценки совокупности свойств техники, условий продажи и эксплуатации, конкурентоспособности горной техники для заданной рыночной среды.

В ходе научно-технического прогресса значения параметров, входящих в критерии оптимизации и ограничения, со временем изменяются. Это приводит к изменению оптимальных значений эргономических показателей продукции, что может вызвать необходимость моделирования новых условий взаимодействия производителя и потребителя горной техники.

Таким образом, немаловажным фактором повышения конкурентоспособности горного оборудования является учет эргономических показателей при инжиниринге продукции. Выбирая в качестве базового образца, с помощью экспертного или социологического метода, пользующуюся спросом на рынке и зарекомендовавшую себя с лучшей стороны продукцию, необходимо разработать обобщенный показатель, характеризующий совокупность эргономических показателей, и использовать его как ограничение при оптимизации.

Критерием оптимизации в этом случае являются затраты на создание и эксплуатацию горного оборудования.

Решением данной задачи оптимизации является соответствие продукции базовому образцу при минимальных затратах, что дает преимущество в цене.

Главными слагаемыми конкурентоспособности горной техники являются [1]:

технические показатели продукции и уровень качества ее изготовления, характеризующие степень использования последних мировых научно-технических достижений при разработке конструкции и технологии изготовления;

соответствие оборудования требованиям и стандартам стран-импортеров, фирм-покупателей, рекомендациям ИСО, МЭК и др., учитывающих специфичность рынка, климатические условия, в которых происходит использование продукции, особые требования, например действующая в стране система мер (метрическая или дюймовая), установленные нормы техники безопасности и защиты окружающей среды, обычаи и привычки населения и т. п;

технико-экономический уровень эксплуатации, гарантирующий бесперебойную работу проданного оборудования, включающий обеспечение запасными частями и необходимой технической документацией, обучение продавцом персонала покупателя правилам эксплуатации;

наличие патентной чистоты и патентной защиты оборудования, а также наличие зарегистрированного товарного знака (брэнда);

сроки поставок и сроки гарантий, условия оплаты, в т. ч. возможность кредита, рассрочки, лизинга и т. д.

Одной из устойчивых тенденций развития современного научного знания является интеграция наук, изучающих различные аспекты сложных объектов, и комплексный подход к решению важнейших практических задач. Один из таких научно-практических комплексов – это эргономика, комплексно изучающая закономерности взаимодействия человека с техническими средствами, предметом деятельности и средой, практическими задачами которой являются повышение эффективности деятельности при сохранении здоровья и всестороннем развитии личности [2].

Таким образом, значительная часть слагаемых конкурентоспособности продукции являются объектами изучения эргономики. В эргономический комплекс включаются инженерная психология, психология, социология, физиология и гигиена труда, антропометрия, биомеханика, кибернетика, техническая эстетика и некоторые другие дисциплины. Разработка стратегий реализации продукции, таких, как проникновение на рынок, расширение рынка, развитие товара, диверсификация, невозможна без оценки качества отечественного горного оборудования по эргономическим показателям.

Эргономические показатели характеризуют систему «человек – машина – предмет деятельности – среда» (в частности, «человек – горное оборудование») и учитывают комплекс гигиенических, антропометрических, физиологических и психологических свойств человека, проявляющихся в производственных и бытовых процессах.

Свойства машин, проявляемые в системе человек – машина – среда (Ч-М-С) и удовлетворяющие эргономическим требованиям, называют эргономическими свойствами. К ним относятся управляемость, обитаемость, обслуживаемость, осваиваемость и технологичность [2].

Управляемость – это соответствие конструкции машины и организации рабочего места силовым, энергетическим, скоростным возможностям органов зрения, слуха, осязания человека, а также возможностям человека по восприятию, хранению и переработке информации, закрепления и формирования вновь навыков человека (с учетом легкости и быстроты их формирования) в нормальных и аварийных условиях; тяжесть труда; соответствие машины принципам производительного труда.

Обитаемость – это соответствие производственной среды гигиеническим условиям жизнедеятельности и работоспособности человека и требованиям техники безопасности, а также соответствие конструкции машины и ее элементов размерам, форме и распределению массы тела человека и его частей.

Обслуживаемость (ремонтопригодность) – это соответствие конструкции машины и отдельных ее элементов быстрой подготовке к работе, техническому уходу и ремонту. Наличие средств механизации, инструмента и запасных частей, а также средств диагностики.

Осваиваемость – это соответствие машины и эксплуатационной документации приобретению знаний (обучение), умений и навыков монтажа, управления, обслуживания, а также соответствие человека профессиональным обязанностям.

Технологичность – это соответствие технологии изготовления, монтажа, демонтажа, транспортировки и утилизации машины возможностям человека.

Применение эргономического подхода при инжиниринге горной техники на всех этапах его жизненного цикла позволяет найти оптимально возможное состояние системы Ч-М-С (см. таблицу) [3].

В данном случае оптимальными будут такие значения показателей качества продукции, при которых достигается либо наибольший эффект от эксплуатации продукции при заданных затратах на ее создание и эксплуатацию, либо заданный эффект при наименьших затратах, либо наибольшее отношение эффекта к затратам [1].

Предпроектная Первоначальная эргономическая оцен- Разработка схем взаимоотношений с потребителями Проектная Определение функций человека в про- Разработка нормативных и справочно-методических ектируемой системе Ч-М-С и эргоно- материалов по эргономическому проектированию деямическая оценка его возможностей по тельности оператора с учетом управляемости и обиих выполнению. Оптимизация эргати- таемости Производственная Учет свойств человека в процессе Разработка нормативных и справочно-методических производства, монтажа, транспорти- материалов по учету человеческого фактора в процессе Эксплуатационная Учет возможностей человека при экс- Разработка методик по профессиональному отбору и плуатации машины (профессиональ- подготовке операторов, подбору коллективов, органиный отбор, обучение, тренировки, зация труда с учетом обслуживаемости и осваиваемоорганизация труда операторских кол- сти) Утилизационная Учет свойств человека в процессе ути- Разработка нормативных и справочно-методических Блок-схема оптимизации значений эргономических показателей продукции:

Р1, …, Рn – оптимизируемые значения эргономических показателей; Та, tВ – период действия и время внедрения;

В случае, когда необходимо достигнуть наибольшего эффекта от использования продукции при заданных затратах на ее создание и эксплуатацию, критерием оптимизации является наилучшее значение обобщенного эргономического показателя, а ограничениями – заданные затраты. При минимизации затрат с заданным значением обобщенного эргономического показателя критерием оптимизации являются затраты, а заданное значение обобщенного эргономического показателя – ограничением при оптимизации.

Для определения оптимальных значений эргономических показателей необходимо [1]:

установить обобщенный эргономический показатель, с помощью которого оценивается эффект от эксплуатации продукции;

установить единичные эргономические показатели, функцией которых является указанный обобщенный показатель;

установить зависимость получаемого эффекта от затрат на изменение эргономических показателей и ограничения на затраты или эффект;

решить задачу определения оптимальных значений показателей.

В самом общем виде типовая схема оптимизации значений эргономических показателей продукции может включать следующие блоки (рисунок) [1]:

1 – получение входной информации, необходимой для составления исходных зависимостей, т. е. уравнения для эффекта, связей между эргономическими показателями и ограничений на производственные возможности; 2 – составление исходных зависимостей; 3 – прогнозирование исходных зависимостей; 4 – составление математических выражений для целевых функций; 5 – составление алгоритма оптимизации для вычисления оптимальных эргономических показателей и временных параметров по срокам их действия;

6 – оценка модели оптимизации; 7 – непосредственное прогнозирование отдельных значений эргономических показателей, временных параметров с целью упрощения задачи; 8 – принятие решения по корректировке задачи; 9 – принятие решения по уровню качества продукции.

Таким образом, представленные критерии и модель оптимизации эргономических показателей горной техники могут быть адекватными для заданных условий конкурентной среды и рыночной конъюнктуры.

Представленная модель оптимизации эргономических показателей техники позволяет актуализировать критерии ее качественной оценки.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. РД 50-149-79. Методические указания по оценке технического уровня и качества промышленной продукции.

2. Головин В. С. Эргономика горнорудного оборудования. М.: Недра, 1990.

3. Душков Б. А., Королев А. В., Смирнов Б. А. Основы инженерной психологии: Учебник для студентов вузов. М.:

Академический Проект; Екатеринбург: Деловая книга, 2002.

ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЕНТИЛЯТОРОВ СМЕШАННОГО

ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ ПО КРИТЕРИЮ СВОБОДНОГО

РАДИАЛЬНОГО СМЕЩЕНИЯ ПОТОКА

Увеличение глубины шахт, интенсификация очистных и горнопроходческих работ, повышение количества выделяющихся в шахтах вредных газов, пыли и тепла обусловливают повышенные требования к шахтной вентиляции – важному звену технологической системы шахты, от которой зависят безопасность, здоровье и производительность труда шахтеров.

Основным средством, обеспечивающим атмосферные условия в подземных горных выработках, являются вентиляторные установки главного и местного проветривания. Для этой цели на горных предприятиях в настоящее время применяются осевые и центробежные вентиляторы.

Каждый тип вентиляторов имеет свои принципиальные достоинства и недостатки. Так, например, вентиляторные установки с центробежными вентиляторами требуют меньших эксплуатационных расходов за счет более высокого КПД. При этом вентиляторы данного принципа действия развивают существенно более высокое статическое давление по сравнению с осевыми вентиляторами, с таким же диаметром рабочего колеса, имеют лучшие акустические характеристики.

Существенным недостатком центробежных вентиляторов является сложность их реверсирования и вызванная этим необходимость использования системы обводных каналов и ляд.

Не имеют этого недостатка вентиляторные установки с осевыми вентиляторами, позволяющими производить реверс струи обратным вращением привода вентилятора и разворотом лопаток спрямляющего аппарата. Отсутствие системы обводных каналов и ляд на таких вентиляторных установках позволяет существенно снизить капитальные затраты при их строительстве.

Несмотря на достаточно высокий уровень развития современных вентиляторов и достаточно сложную конструкцию проточной части, КПД современных осевых вентиляторов не превышает 80-82 %. КПД лучших конструкций меридиональных вентиляторов достигает 88 %.

Таким образом, становится возможным предположить, что в традиционной конструкции осевых вентиляторов скрыт 10-20 % резерв дальнейшего повышения их аэродинамических параметров.

В связи со значительной сложностью аэродинамических процессов, протекающих в проточной части вентиляторов, в практике создания вентиляторов используются полуэмпирические зависимости, полученные в результате экспериментальных исследований.

Следует отметить, что конструктивное совершенствование традиционных типов воздуходувных машин – центробежных (радиальных) и осевых – практически исчерпало свои потенциальные возможности, и в настоящее время одним из основных направлений дальнейшего развития вентиляторостроения является ориентация на создание машин смешанного принципа действия, объединяющих конструктивные преимущества обоих типов машин.

статического давления и КПД вентилятора, за счет использования радиального давления, возникающего в осевом вентиляторе в результате закручивания потока воздуха рабочим колесом.

Повышение КПД вентилятора достигается за счет снижения потерь, так как в этом случае форма проточной части вентилятора соответствует траектории смещения потока воздуха в рабочем колесе и в спрямляющем аппарате.

Разработка и конструктивная оптимизация принципиально нового класса, к каким относятся ВСПД, не может быть эффективной без соответствующей теоретической базы.

Современное состояние теории работы турбомашин не позволяет аналитически установить и разработать методику расчета геометрических и аэродинамических параметров вентилятора принципиально новой конструкции вследствие большего числа принятых допущений.

Например, допущение в теории о бесконечно большом количестве лопаток рабочего колеса предполагает, что поток воздуха при взаимодействии с лопатками рабочего мгновенно приобретает скорость закручивания, равную окружной скорости лопаток рабочего колеса, при этом углы входа и выхода потока полностью соответствуют углам установки лопаток на входе и выходе из рабочего колеса. Это обстоятельство полностью исключает возможность установления закона изменения скорости закручивания потока при динамическом взаимодействии лопаток рабочего колеса и спрямляющего аппарата с потоком текучего, на основе «классической теории турбомашин», а следовательно, и установление закона радиального смещения потока при взаимодействии его с рабочим колесом. Как результат – невозможность создания оптимальной конструкции вентиляторов смешанного принципа действия без проведения достаточно большого количества экспериментальных исследований в этой области.

Перспективным направлением дальнейшего совершенствования методики расчета и оптимизации различных геометрических параметров вентиляторов смешанного принципа действия является рассмотрение не относительных и абсолютных скоростей движения потока, а сил, их вызывающих, применительно к рабочему колесу турбомашины.

При расчете сложных динамических систем с нелинейными законами изменения различных параметров в машиностроении в последние годы находит широкое применение пошаговый метод расчета различных параметров. Суть метода конечных элементов (так его еще называют) заключается в разделении какого-либо сложного динамического процесса на достаточно большое количество конечных элементов, а затем рассмотрение процесса преобразования какого-либо расчетного параметра на каждом конечном отрезке.

Результатом реализации является рассмотрение пошагового преобразования аэродинамических параметров при динамическом взаимодействии лопаток рабочего колеса и спрямляющего аппарата с потоком.

Для этого процесс взаимодействия колеса с потоком разбивается на бесконечно малые интервалы времени и рассматривается пошаговое преобразование аэродинамических параметров потока при прохождении рабочего колеса и других элементов конструкции. При этом рассматривается частица воздуха элементарного объема, движущаяся в потоке воздуха.

Оптимизация формы проточной части вентилятора с учетом радиального смещения потока, введение дополнительного, принципиально нового фактора времени, рассмотрение пошагового преобразования аэродинамических параметров даст возможность расширить область применения теории турбомашин, что в конечном итоге позволит создать вентиляторы нового поколения.

КОЭФФИЦИЕНТ БЫСТРОХОДНОСТИ ШАХТНЫХ НАСОСНЫХ УСТАНОВОК

Уральская государственная горно-геологическая академия Наряду с общим КПД водоотливных установок, их удельными энергетическими показателями, обобщенным (интегральным) показателем конструктивного совершенства установок может являться коэффициент быстроходности, используемый в настоящее время только для оценки качества конструкций турбомашин.

Так, для насосов он определяется по формуле где nн – номинальная частота вращения ротора насоса.

Диапазоны его варьирования для шахтных лопастных насосов лежат в пределах 40-1800. Значение пS определяется для одного фиксированного режима работы насоса (режима максимального КПД), и по его величине оценивается степень конструктивного совершенства насоса.

Однако анализ физики рабочего процесса насосной установки как целостного гидродинамического устройства показывает, что коэффициент быстроходности является интегральным показателем конструктивного совершенства всей насосной (водоотливной) установки в целом. При условии установления зависимости nsy = f(Q) во всем возможном диапазоне подач для различных типов установок появляется возможность их сравнительной оценки по данному критерию. Причем для любой конкретной установки может быть обоснована и выбрана наиболее рациональная область ее эксплуатации.

Вычисление значений nsy (установление зависимости nsy = f(Q)) может производиться по формуле во всем возможном диапазоне изменений Q и H при nН = const.

На рисунке приведен график зависимости nsy = f(Q) для насосной установки с насосом ЦНС-500. Как следует из этой зависимости, режимам работы установки, расположенным в правой части зоны промышленного использования насосов, соответствуют большие значения коэффициента быстроходности, что объясняется, в первую очередь, более совершенной конструкцией трубопроводной сети, обеспечивающей ей меньшие гидравлические потери.

Синхронно с увеличением показателя nsy при перемещении режимов работы установки вправо по характеристике машины повышается общий КПД установки и снижается удельная энергоемкость, увеличивается коэффициент ее использования по подаче и количество перемещаемой по сети в части кавитации и компенсации осевых сил.

Следовательно, при выборе режимов эксплуатации водоотливных установок предпочтение при прочих равных условиях следует отдавать режимам с более высокими значениями nsy, имея в виду соответствующие ограничения и требования, предъявляемые к шахтным насосам и насосным установкам.

Здесь следует сказать, что увеличение коэффициента быстроходности шахтной водоотливной установки в равной мере возможно как за счет конструктивного совершенствования насосов, так и за счет совершенствования схем и конфигурации шахтных трубопроводных ставов, снижения их гидравлического сопротивления, что свидетельствует об интегральном характере оценки насосных установок посредством данного показателя. Следовательно, коэффициент ns, вычисленный для номинальных параметров насоса, представляет собой частный случай коэффициента nsy.

Зависимость коэффициента быстроходности насосной установки с насосом ЦНС- Показатель nsy может использоваться также для насосных установок с совместным включением насосов. Значения подачи и напора в этом случае следует брать по начальному, общему для всех машин участку нагнетательной сети, имея в виду, что, как правило, частота вращения насосов и их типоразмеры одинаковы.

Показано, что используемый в настоящее время коэффициент быстроходности насосов может применяться в качестве интегрального показателя для оценки конструктивного совершенства всей насосной установки как единого целого гидродинамического устройства.

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАБОЧЕГО ОБЪЕМА

АППАРАТОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г. В. Плеханова На эффективность работы аппаратов смешения влияют технологические режимы проводимых в них процессов, а также правильность выбора конструкционного типа, который в значительной степени определяет конечный результат работы.

Основными факторами, влияющими на работу аппаратов любого типа, являются:

1. Термодинамические факторы – константы химического и фазового равновесия. Данная группа факторов определяет направление реакции, технологические параметры проведения реакции и оказывает влияние на скорость и селективность всего процесса.

2. Кинетические факторы – константы скорости и энергии активации основных и побочных реакций, а также истинные и кажущиеся порядки реакции.

3. Массообменные факторы – коэффициенты массопередачи исходных и промежуточных веществ и конечных продуктов реакции.

4. Теплообменные факторы – коэффициенты теплопередачи между фазами и коэффициенты теплопередачи между средой и теплообменными устройствами, величина поверхности внешнего теплообмена.

5. Гидродинамические факторы – характеристики межфазной поверхности и перемешивания по сплошной и дисперсной фазам.

Последние факторы оказывают наибольшее влияние на процесс, поскольку являются определяющими для показателей тепло- и массообмена.

Эффективность использования объема технологических аппаратов смешения, применяемых в различных отраслях промышленности, зависит от конструктивных особенностей реактора и особенностей проводимого в нем процесса. При расчете эффективности использования рабочего объема химических и гидрометаллургических аппаратов традиционно применяются следующие основные показатели.

Коэффициент заполнения объема аппарата (КЗО) где V и VА – соответственно рабочий и общий объемы аппарата.

Коэффициент использования объема (КИО) (иногда его называют коэффициентом эффективности реактора – КЭР) гдев – время завершения реакции, проводимой в аппарате идеального вытеснения до требуемой степени превращения вещества ( Х ); ср – среднее время пребывания частиц в рассматриваемом аппарате (в ср).

Для повышения значений коэффициента используют различные приемы: устанавливают аппарат большего объема или целый каскад аппаратов для увеличения величины среднего времени пребывания частиц в реакторах.

Для оценки общей эффективности использования рабочего объема аппаратов непрерывного действия предлагается использовать следующую систему показателей:

где – коэффициент недогрузки аппарата; – коэффициент использования рабочего объема аппарата;

– коэффициент перегрузки аппарата; К – показатель устойчивости процесса K=tr/tR1; tr=r/ и tR=R/ – соответственно относительное минимальное и максимальное время пребывания частиц в аппарате, необходимое для завершения процесса с требуемой полнотой.

Коэффициент недогрузки аппарата численно равен доле непрореагировавших до конца частиц от общего их числа, выходящих из аппарата. Коэффициент перегрузки аппарата определяет долю частиц, которые уже полностью прореагировали и бесцельно занимают объем аппарата, мешая поступлению в реактор свежих порций частиц перерабатываемого материала. Коэффициент использования рабочего объема аппарата определяется как доля общего рабочего объема аппарата, занятая частицами, имеющими заданную степень превращения и не задерживающимися в нем сверх необходимого для этой цели времени. Остальная часть рабочего объема при этом занята частицами, не успевающими пройти полную стадию обработки (доля объема ) или уже прореагировавшими полностью (доля объема ).

Показатель устойчивости процесса К характеризует относительные пределы колебания степени извлечения продуктов реакции в непрерывном процессе.

Данная система уравнений была применена для оценки эффективности использования рабочего объема трубчатого реактора непрерывного действия, которые нашли широкое применение в промышленности для очистки сточных вод, в частности для нейтрализации шахтных вод.

Для описания распределения времени пребывания частиц в реакторе используют однопараметрическую диффузионную модель, тогда уравнения (1), (2), (3) принимают следующий вид [4]: