«11-12 апреля 2011 г. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ГОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ УДК 622.24 БЕЗРЕДУКТОРНЫЕ ГИДРОВРАЩАТЕЛИ ДЛЯ ЛЕГКИХ БУРОВЫХ УСТАНОВОК КОВЯЗИН Р. А., ПОРОЖСКИЙ К. П. ГОУ ВПО Уральский государственный ...»

МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

«УРАЛЬСКАЯ ГОРНАЯ ШКОЛА – РЕГИОНАМ»

11-12 апреля 2011 г.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ

ГОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

УДК 622.24

БЕЗРЕДУКТОРНЫЕ ГИДРОВРАЩАТЕЛИ ДЛЯ ЛЕГКИХ

БУРОВЫХ УСТАНОВОК

КОВЯЗИН Р. А., ПОРОЖСКИЙ К. П.

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Одним из направлений кафедры горных машин и комплексов является разработка конструкций горных машин.

В техническом задании на производство буровой установки были заданы требуемые показатели (см. таблицу).

Параметры станка Численное Основной показатель Варианты значение шнековое Способы бурения колонковое шнек 46… Диаметр скважины, мм алмазный и твердосплавный инструмент Глубина бурения, м 2… Масса установки (мачта, вращатель, до механизм подачи), кг Крутящий момент, Нм 0... шнек до Частота вращения, об/мин коронка до Усилие подачи вниз, кН до Усилие на крюке, кН до Ход вращателя, мм 1000... Мощность привода, кВт 7... В результате поиска по рекламным и научно-техническим источникам не было выявлено станка, удовлетворяющего перечисленным показателям. Поэтому на кафедре была начата работа в рамках студенческого конструкторского бюро (СКБ) по созданию проекта такого станка. Работа была начата как «поисковая», затем эскизный вариант был выдвинут на конкурс Госпрограммы «У.М.Н.И.К.». Проект получил поддержку программы и финансирование.

За основу разрабатываемого станка был принят модульный принцип и универсальность.

К настоящему времени разработан технический проект установки буровой гидрофицированной легкой серии модульного типа МБС-100 (см. рисунок), предназначенной для бурения инженерных скважин в породах I-XII категории по буримости.

Основные технические данные установки соответствуют указанным выше требованиям.

Буровой станок планируется выпускать в базовой модификации с возможностью дальнейшей доукомплектации дополнительным оборудованием и узлами, выполненными в виде отдельных блоков, что обеспечивает его высокую универсальность, расширяя область его применения.

Вид мачты бурового станка (а) и вращателя (б) Для станка принят гидравлический механизм подачи без полиспастной системы, Это значительно упрощает конструкцию, хотя и не лишено недостатков. Вращатель также с гидравлическим приводом с дроссельным регулированием.

Из приведенных выше требований к буровой установке можно сделать вывод, что требуется либо универсальный а б вращатель с большим запасом мощности и широким диапазоном регулирования, либо небольшие узкоспециализированные вращатели с малыми диапазонами регулирования и с малыми запасами по мощности. Второй вариант был принят нами как основной.

Универсальный вращатель имеет ряд недостатков, одним из которых является масса. Этот недостаток появляется за счет применения механического редуктора, зачастую являющегося еще и коробкой передач. Так как наша установка должна иметь минимальный вес, нам пришлось разработать безредукторную схему.

Основной принцип безредукторной схемы вращателя – применение гидромотора, напрямую связанного со шпинделем вращателя. Регулирование скорости вращения и крутящего момента на валу мотора производится путем применения маслостанции с регулируемым насосом аксиально-поршневого типа с наклонным блоком. Так как мощность, затрачиваемая на бурение, в целом постоянна, то регулирование сводится к перераспределению этой мощности между давлением и расходом рабочей жидкости. Устанавливая на буровую установку вращатели с гидромоторами разных объемов, можно изменять соотношение расходов в «системе насос-мотор», получая требуемые выходные параметры. В данном случае механический редуктор заменяется на гидроредуктор (мультипликатор).

Первый вариант вращателя планируется для сейсморазведочных работ. Бурение взрывных скважин при сейсмической разведке нефти и газа представляет собой четко обособленную как организационно, так и с точки зрения применяемой техники и технологии область буровых работ. Эти работы выполняются непосредственно силами сейсмических отрядов и партий. Для проведения сейсморазведочных работ по заранее разработанным сеткам бурят скважины глубиной преимущественно до 20 м и диаметром до 118 мм, в которые в дальнейшем закладывается ВВ или сейсмоприемник. По данным МНП, средняя глубина скважины под взрыв составляет 22,3 м.

При разработке вращателя применены два метода проектирования:

1. Сбор, обобщение и анализ информации имеющихся на рынке БУ и использование прототипов при проектировании узлов новой модели.

2. Изучение результатов научных исследований бурения скважин, расчет требуемых характеристик установки и процесса бурения.

По анализу характеристик существующих установок легкого типа, средняя мощность станка составляет от 7 до 10 кВт, а частота колеблется в диапазоне от 70 до 350 об/мин.

Сравнение результатов показало, что теоретические расчеты совпадают с данными существующих станков, поэтому приведенные выражения могут быть использованы в методике расчета параметров проектируемых моделей вращателей.

УДК 622.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИИ

БУРОВОЙ ВЫШКИ

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Вышка буровой установки является одним из ключевых узлов, она предназначена для проведения спускоподъемных операций, поддержания бурильной колонны на талевой системе, установки свечей, размещения средств механизации. Таким образом, вышка участвует во всех операциях строительства скважины, и при выходе ее из строя, становится неработоспособной вся буровая установка. Причиной выхода из строя могут служить дефекты металлоконструкции вышки, полученные во время монтажа, перемещения и эксплуатации.

К дефектам металлоконструкции вышки относятся (рис. 1):

- Непрямолинейность, как вышки в целом, так и отдельных её участков;

- Уменьшение толщины несущих труб вышки вследствие коррозии;

- Местные деформации металлоконструкций (вмятины, изгибы раскосов и т. д.);

- Местные разрушения конструкции (трещины);

- Ремонтные участки труб (сварные швы, накладки и т. д.).

Для анализа металлоконструкции вышки и моделирования дефектов использовался модуль конечно-элементного анализа APM Structure3D, который входит в состав системы APM WinMachine. Металлоконструкция вышки моделировалась стержневой системой, поскольку длина элементов конструкции превышает размеры поперечного сечения более чем в 10 раз.

Первая часть исследований посвящена оценке влияния дефектов на стержневую структуру, поэтому расчеты проводились на модели одной секции вышки (рис. 2).

Среда APM Structure3D позволяет производить моделирование дефектов металлоконструкции различными способами, например, непрямолинейность конструкции можно смоделировать [1]:

постройкой модели измененной конструкции;

деформированием идеальной конструкции путем перемещения узлов;

приложением нагрузки в виде предварительной деформации.

Местные деформации и разрушения (коррозия элементов и ремонтные участки труб) моделировались путем изменения сечения стержня.

Модель нагружения формировалась на базе перечня нагрузок, воспринимаемых вышкой при выполнении рабочих функций [2]. Например, на секцию попеременно и в комбинации накладывались осевая и ветровая единичные нагрузки, а также сила тяжести. Это помогло оценить влияние дефектов на напряженно-деформированное состояние металлоконструкции при различном сочетании нагрузок.

Результаты моделирования показали, что наиболее опасным дефектом для несущей способности вышки является коррозия. При росте коррозии элемента напряжение увеличивается по экспоненциальному закону (рис. 3).

Рис. 3. Влияние коррозии на напряженно-деформированное состояние металлоконструкции Моделирование «местных» дефектов, таких как ремонтные участки труб, места сварки и непровары швов в APM Structure3D проводились в несколько этапов. На стержневой конструкции выполнялся первичный анализ деформированного состояния для определения величин сил и моментов, действующих на интересующую дефектованную область. Далее строилась пластинчатая модель, которая позволяет более точно передать все изменения конструкции, и при моделировании образцов со сварными швами задать остаточные сварные напряжения. Модель нагружения пластинчатой конструкции составлялась по результатам первичного анализа.

При анализе результатов расчетов были выявлены допустимые размеры дефектов металлоконструкции.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Замрий А. А. Проектирование и расчет методом конечных элементов трехмерных конструкций в среде APM Structure 3D. – М.: Изд-во АПМ. – 2006. – 288 с.

2. Савинова Н. В., Савинов Д. В. Подготовка расчетной модели стержневой конструкции высотой более 10 м // Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности: сб. док. VIII межд. науч.-тех. конф. – Екатеринбург, УГГУ, 2010. – С. 335-340.

УДК 622.

ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ ТОРЦОВЫХ УПЛОТНЕНИЙ НАСОСОВ

ДЛЯ ДОБЫЧИ НЕФТИ И ГАЗА

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Торцевые уплотнения с обратным нагнетанием (ОНТУ) применяют в различных вращающихся гидромашинах для перекачки легкокипящих, легковоспламеняющихся жидкостей или сред, содержащих твердые примеси, под высоким давлением или при высокой скорости вращения, когда трудно функционировать традиционным контактным торцовым уплотнениям. Четыре возможных конструкции ОНТУ показаны на рис. 1.

При остановке турбомашины с ОНТУ возникают большие утечки жидкости; а конструкция ОНТУ также имеет ограниченную герметичность. С точки зрения эффективности течения и стабильности уплотнения конструкция ОНТУ со спиральными канавками является оптимальной. На рис. 1 приведены конструкции ОНТУ с однорядными спиральными гидродинамическими канавками, расположенными на внутреннем диаметре уплотнительного кольца (рис. 1, а). Конструкция ОНТУ с гидродинамическими канавками, расположенными на внешнем диаметре уплотнительного кольца (рис. 1, б), по принципу работы похожа на конструкцию (см. рис. 1, а), только нагнетание жидкости происходит от внешнего диаметра к внутреннему, а стабильность уплотнения лучше, чем в конструкции (рис. 1, в). Конструкция ОНТУ с гидродинамическими канавками, расположенными посередине кольца, является новым типом с двумя уплотнительными перегородками (см. рис. 1, в), которая имеет наилучшую стабильность и прекрасную способность к защите поверхностей от твердых включений.

Благодаря более высокой жёсткости гидродинамической плёнки в зазоре конструкция ОНТУ с двухрядными спиральными канавками лучше конструкции ОНТУ с однорядными спиральными канавками в стабильности работы уплотнения.

Рис. 1. Конструкция ОНТУ с однорядными спиральными канавками:

а – канавки с внутреннего диаметра кольца; б – канавки с внешнего диаметра кольца;

Влияния конструктивных параметров на характеристики ОНТУ. На рис. представлено влияние глубины канавок на характерные параметры ОНТУ при постоянстве остальных. Из этого следует, что безразмерное течение из-за обратного нагнетания буферной жидкости незначительно изменяется с глубиной канавок. Максимальное значение получено при глубине канавок 6,0. Безразмерная раскрывающая нагрузка достигает максимума при безразмерной глубине канавок 7,0, и безразмерная жёсткость смазочной плёнки максимальна при глубине канавок примерно 4,5.

На рис. 3 приведены зависимости влияния числа канавок Ng на характеристики ОНТУ.

С увеличением числа канавок медленно и незначительно повышаются все известные параметры, такие как жёсткость смазочной плёнки, раскрывающая нагрузка и течение из-за обратного нагнетания. В связи с этим, нет необходимости в организации большого числа канавок для ОНТУ с учётом характеристик уплотнения и экономичности их обработки.

Выводы: такие конструктивные параметры торцовой поверхности уплотнения, как глубина и число канавок, в значительной степени влияют на характеристики ОНТУ; критерием оптимизация для ОНТУ является максимальная жёсткость смазочной плёнки при нулевой утечке уплотняемой среды; оптимизация ОНТУ в основном зависит от рабочих условий, особенно от давления уплотняемой среды.

УДК 622.

ОСЕВАЯ ОПОРА ВИНТОВОГО ЗАБОЙНОГО ДВИГАТЕЛЯ

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Винтовой двигатель – это разновидность забойной гидравлической машины, в которой для преобразования энергии потока промывочной жидкости в механическую энергию вращательного движения использован винтовой механизм. Увеличение объемов бурения с применением винтовых забойных двигателей (далее ВЗД) объясняется появлением на рынке нового поколения шарошечных долот, развитием технологии бурения, а также важными эксплуатационными преимуществами ВЗД, а именно: низкие частоты вращения при высоком крутящем моменте, обеспечивающие эффективную отработку долот различного типа;

небольшой перепад давления, позволяющий использовать гидромониторные долота при существующем насосном парке; возможность контроля режимов бурения по давлению;

минимальные осевые габариты, позволяющие использовать ВЗД при бурении наклоннонаправленных и горизонтальных скважин по различным радиусам искривления;

малодетальность, простота сборки и ремонта деталей.

Учитывая, что ВЗД используются при бурении нижних интервалов скважин, там где механическая и особенно рейсовая скорость бурения существенно ниже, чем в верхних интервалах бурения, можно оценить затраты времени и средств на бурение при использовании ВЗД не менее, чем 50 % от всех затрат на бурение скважины. Кроме того, наиболее сложные и дорогостоящие работы, такие как бурение участков наклонно-направленных и горизонтальных скважин с большой интенсивностью искривления, бурение горизонтальных участков скважины, проводятся только с применением ВЗД. По принципу действия ВЗД относятся к гидравлическим роторным машинам объёмного (гидростатического) типа. Объёмные двигатели действуют посредством гидростатического напора в результате наполнения жидкостью рабочих камер и перемещения вытеснителей. Вытеснитель – это рабочий орган, непосредственно совершающий работу под действием на него давления жидкости. Ротор расположен в статоре с эксцентриситетом. Благодаря этому, а также вследствие разницы чисел заходов в винтовых линиях статора и ротора, их контактирующие поверхности образуют ряд замкнутых полостей – шлюзов между камерами высокого и низкого давления. Шлюзы перекрывают свободный ток жидкости через двигатель, а самое главное – именно в них давление жидкости создаёт вращающий момент, передаваемый долоту.

Особенности принципа действия: отсутствие быстроизнашивающихся распределительных устройств, поскольку распределение жидкости по шлюзам рабочих органов осуществляется автоматически за счёт соотношения числа зубьев и шагов винтовых поверхностей ротора и статора; кинематика рабочих органов, в движении которых сочетается качение со скольжением при относительно невысоких скоростях, что снижает износ рабочей пары; непрерывное изменение положения контактной линии в пространстве, в результате чего механические примеси, находящиеся в перекачиваемой жидкости, выносятся потоком из рабочих органов.

Многозаходный винтовой забойный двигатель (рис. 1) — героторный планетарный механизм, статор которого выполнен в виде стального цилиндра с привулканизированным к его внутренней поверхности многозаходным резиновым винтом. Ротор расположен внутри статора.

Под давлением промывочной жидкости ротор, обкатываясь по внутренней поверхности статора, совершает планетарное движение, которое через универсальные шарниры передаётся валу шпинделя, вращающему породоразрушающий инструмент. Диаметр винтового забойного двигателя 54-195 мм, частота вращения около 2-6 с-1, вращающий момент 80-5000 Нм, перепад давления 4-6 МПа, расход промывочной жидкости 0,0015-0,036 м3/с и более.

Винтовый забойный двигатель ВЗД является объемным мотором. Буровой раствор высокого давления через бурильную трубу входит в винтовый забойный двигатель, гидравлическая энергия преобразовывается в механическую энергию, ротор приводит главный вал и долото во вращение, действует долото, значит, достигнута главная цель – бурение.

При вращении ротора в статоре герметичная полость перемещается, обеспечивая преобразование энергии, т. е. выполняется основной принцип действия винтового двигателя.

Рис. 1. Забойный винтовой двигатель в продольном и поперечном разрезах:

1 – статор; 2 – ротор; 3 – двухшарнирное соединение; 4, 5, 11 – верхний, средний и нижний переводники; 6 – многорядная упорная шаровая опора; 7 – радиальный подшипник; 8 – вал шпинделя;

9 – корпус шпинделя; 10 – муфта соединительная; 12 – ниппель; 13 – распорное кольцо В целом, двигатель с однозаходной лопастью имеет преимущества в высокой скорости и более низком крутящем моменте; многозаходные лопастные двигатели имеет низкую скорость и высокий крутящий момент. Рабочее значение крутящего момента пропорционально перепаду давления на двигателе. Таким образом, выходное значение крутящего момента контролируется давлением на буровом насосе. Дифференциальное давление на двигателе не должно превышать установленных значений для предотвращения преждевременного износа забойного двигателя.

Теоретически скорость вращения прямо пропорциональна объему жидкости, поступающей в спиральную полость. Контроль входного объема жидкости обеспечивает контроль скорости вращения. Для повышения производительности винтового двигателя ВЗД без увеличения скорости вращения ротор некоторых забойных двигателей имеет полость со штуцером. Это позволяет увеличить производительность забойного двигателя, но при этом скорость вращения двигателя снижается вместе с увеличением нагрузки на долото (нелинейно).

Осевая опора (компоновка подшипников) (рис. 2) не только передает крутящий момент и скорость вращения двигателя на долото, но также принимает на себя осевые и радиальные нагрузки, возникающие в процессе бурения.

Основная структура компоновки представляет собой группу подшипников. Компоновка ведущего вала гидравлических забойных двигателей имеет различную структуру. Стандартная компоновка подшипников имеет верхний и нижний подшипники из карбида вольфрама, группу нажимных шарикоподшипников между ними, что обеспечивает прием высоких нагрузок и увеличивает срок эксплуатации. Герметичный ведущий вал имеет сходную структуру. Такая конструкция обеспечивает увеличение межремонтного срока эксплуатации двигателя за счет применения сальниковых уплотнителей, благодаря чему работа компоновки подшипников происходит в герметичных условиях, и изолирует этот узел от попадания промывочной жидкости. Верхний и нижний радиальный подшипник компоновки ведущего вала ВЗД изготовлены из сплава СС.

УДК 622.

БУРЕНИЕ НА ОБСАДНЫХ ТРУБАХ

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Возможности разработки многих месторождений нефти и газа, запасы которых сконцентрированы в относительно небольших продуктивных пластах, ограничены затратами на бурение. По мнению ряда отечественных и зарубежных исследователей, добиться значительных сокращений затрат на бурение без кардинального изменения самого способа проводки скважины практически невозможно.

Одним из таких прогрессивных направлений считается технология бурения на обсадных трубах (casing with drilling – CWD), ориентированная на дальнейшее повышение эффективности буровых работ в сложных условиях за счет скачкообразного изменения принципиальных основ бурения.

Метод CWD состоит в объединении процессов бурения и крепления скважины.

Результирующий процесс CWD позволяет устанавливать в скважине колонны обсадных труб (или хвостовики) непосредственно в процессе бурения, при этом после того, как обсадная колонна достигнет заданной глубины, все оборудование, используемое при бурении (либо некоторая его часть), может быть извлечено из скважины или полностью оставлено в ней.

Некоторые исследования показывают наличие «штукатурящего эффекта», возникающего в результате продолжительной затирки ствола муфтами обсадной колонны. При этом наблюдается уменьшение выхода бурового шлама на вибросита. Это приводит к укреплению стенок скважины, сокращению потерь циркуляции и затрат времени и реагентов на ликвидацию поглощения.

Бурение с использованием обсадных труб обладает следующими преимуществами:

исключение из технологического процесса бурильных и утяжеленных труб (за исключением бурения на хвостовике);

уменьшение осложнений в процессе бурения («штукатурящее действие» муфт обсадной колонны);

уменьшение аварийности при бурении;

уменьшение стоимости монтажа бурового оборудования (при использовании буровых установок блочно-модульного исполнения с укороченной мачтой);

уменьшение стоимости скважины;

снижение уровня выхода бурового шлама на вибросито от 10 до 20 % («штукатурящее действие» муфт обсадной колонны);

уменьшение мощности буровых насосов на 30 % (затрубное кольцевое пространство меньшего сечения);

улучшение качества цементирования (отсутствие каналов в цементном камне за счет постоянного вращения колонны);

применение буровых растворов с меньшим удельным весом.

В настоящее время при строительстве скважин по технологии CWD применяют три основных способа бурения (см. таблицу).

Для бурения с применением технологии CWD в общем случае необходимо следующее оборудование:

1. Наземная часть в составе:

1.1. Верхний привод (возможно применение СВП от любого производителя?

обеспечивающий необходимый крутящий момент и нагрузку на крюке);

1.2. Система захвата и удержания обсадной трубы верхним приводом (выбирается в зависимости от диаметра применяемой обсадной колонны);

1.3. Система приема труб с моста;

1.4. Механизированный приемный мост;

2. Подземная часть:

2.1. Обсадные трубы (Casing Drilling не работает с резьбой ОТТМ, резьба Buttress в ряде случаев требует доустановки дополнительных моментных колец для повышения допуска по моменту. Без дополнительной оснастки можно применять соединения Tenaris Blue, так как они испытаны и проверены в работе с Casing 2.2. Буровой башмак или долото (буровой башмак применяется при бурении с неизвлекаемой КНБК для проходки верхних интервалов, вертикальных скважин.

Долото применяется при бурении с извлекаемой КНБК);

2.3. Извлекаемая КНБК (если бурение ведется забойной извлекаемой компоновкой);

2.4. Оснастка колонны (моментные кольца, стабилизаторы, цементировочная муфта Современные методы бурения с использованием технологии CWD Наименование способа и С неизвлекаемой КНБК Возможность использования Применяется в основном при объем применения 51% муфт С извлекаемой КНБК Возможность проведения почти Более сложный объем применения 18% скважине. (ННБ, отбор керна, Бурение не извлекаемым Бурение участков с перепадами Необходимость извлекать хвостовиком на бурильных давления в сильно истощенных колонну бурильных труб после Лидером в использовании и разработке метода CWD является компания Tesco corp. По состоянию на начало лета 2010 г., суммарная проходка бурением на обсадных колоннах превысила 1,5 млн метров.

С использованием системы спуска обсадных колонн (ССОК) компании TESCO corp.

было спущено более 13 млн метров обсадных колонн.

Анализ ряда данных позволяет сделать предварительный вывод о том, что при наличии необходимого оборудования, инструмента и отработанной технологии кустового бурения, крепления и проведения геофизических исследований возможно сокращение цикла строительства скважин для районов Западной Сибири на срок от 3 до 5 суток, что составляет от 11 до 18 % от суммарных затрат времени на бурение, крепление и освоение скважин.

УДК 622.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

БУРОВОГО ИНСТРУМЕНТА С ПОРОДОЙ

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Современные конструкции буровых машин ударного действия характеризуются повышенными энергосиловыми параметрами, применением различных типов породоразрушающего инструмента и его вооружения. Основные показатели рабочего процесса машин – глубина внедрения инструмента и объем разрушения, скорость бурения зависят от сопротивления породы динамическому внедрению инструмента, которое, в свою очередь, определяется как свойствами породы, так и конструктивными параметрами инструмента.

Ввиду распространения ударного возмущения в виде волн деформации в породу передается лишь часть энергии удара, а остальная часть отражается от породы. Степень передачи энергии удара в породу также зависит от свойств породы и параметров инструмента. При разработке новых высокопроизводительных буровых машин ударного действия все большее значение приобретают вопросы энерго- и ресурсосбережения. В настоящее время проектирование буровых машин ударного действия и, в частности, породоразрушающего инструмента ведется на основе эмпирических зависимостей без учета конструктивных параметров инструмента и его вооружения; отсутствуют инженерные методики обоснования основных параметров ударного механизма и инструмента в зависимости от динамических характеристик свойств горных пород.

Изыскание путей дальнейшего повышения технического уровня буровых машин ударного действия требует разработки математической модели силовой импульсной системы, адекватно описывающей рабочий процесс и позволяющей выполнить теоретический анализ функционирования импульсной системы с использованием ЭВМ. Основу математического моделирования составляет триада: модель-алгоритм-программа (МАП).

На первом этапе вычислительного эксперимента выбирается модель импульсной системы, отражающая в математической форме взаимосвязи, присущие ее составляющим частям. В основу разработки модели положен принцип формализации рабочего процесса.

Рабочий процесс буровой машины ударного действия рассмотрен применительно к погружным ударникам, так как в этом случае влияние параметров инструмента на показатели рабочего процесса проявляются наиболее отчетливо. Рабочий процесс машины с погружным ударником включает следующие составляющие: внедрение инструмента и разрушение породы в зоне контакта; отражение части волны деформации от породы, затем отражение от ударного торца инструмента при прохождении волны по инструменту и повторное внедрение инструмента под действием возвращенной отраженной волны деформации. Следовательно, рабочий процесс в этом случае заключается в многократном внедрении инструмента в породу под действием прямой и отраженных волн деформации при условии, что усилие в волне деформации больше или равно силе сопротивления породы внедрению инструмента.

Второй этап связан с разработкой вычислительного алгоритма для реализации модели на ЭВМ. Поскольку необходимо получить искомые величины с заданной точностью, алгоритм не должен искажать основные параметры модели и, следовательно, силовой импульсной системы.

На третьем этапе создаем программное обеспечение для реализации модели и алгоритма на ЭВМ. Программный продукт должен учитывать важнейшую специфику математического моделирования, связанную с использованием ряда (иерархии) математических моделей и многовариантностью расчетов.

Опираясь на триаду МАП, создаем универсальный инструмент, который вначале отлаживаем и калибруем на решении содержательного набора пробных задач. После этого проводим исследование математической модели для получения качественных и количественных характеристик исследуемой системы.

Основой построения модели является установление зависимостей для определения динамических характеристик импульсной системы – ударных жесткостей инструмента Син и породы Сп, формирующих параметры волн деформации, воздействующих на инструмент, действующих на контакте «инструмент-порода» и отраженных от породы*. Ударная жесткость инструмента определяется, в основном, размерами хвостовика, т. е. диаметром скважины.

Ударная жесткость породы определяется величиной площади контактной поверхности инденторов и зависит от вида инструмента – лезвийного или штыревого: при лезвийном инструменте ударная жесткость породы пропорциональна глубине внедрения инструмента, при штыревом – является постоянной величиной.

На основе численного анализа установлены взаимозависимости между динамическими характеристиками импульсной системы и показателями процесса ударного бурения (рис. 1, 2).

Рис. 1. Зависимость степени передачи энергии в породу от параметров штыревого инструмента Рис. 2. Зависимость скорости бурения от параметров штыревого инструмента и скорости Выводы. Предлагаемая модель рабочего процесса буровых машин ударного действия позволяет на основе вычислительного эксперимента оценить значимость отдельных параметров инструмента и ударного механизма.

Алимов О. Д., Манжосов В. К., Емерьянц В. Э. Удар. – М.: Наука, 1985. – 215 с.

УДК 622.

ДИНАМИКА СИСТЕМЫ ВЕРХНЕГО ПРИВОДА БУРОВЫХ УСТАНОВОК

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Система верхнего привода является высокомобильной и компактной верхнеприводной буровой системой [1]. Бурение производится с помощью двух буровых двигателей переменного тока. Встроенная гидравлическая система обеспечивает питание всех вспомогательных функций, снимая необходимость установки отдельного гидравлического силового блока и подводки линий подач гидравлической жидкости. Систему верхнего привода составляют девять основных узлов: буровые двигатели сети переменного тока 1, система противовеса 2, серьга 3, s-образная труба 4, крышка 5, уплотнительный узел грязевой трубы 6, корпус трансмиссии, двигателя и вертлюга 7, каретка с направляющим рельсом 8, трубный манипулятор 9.

Вращающийся адаптер штроп, находящийся в верхней части трубного манипулятора, представляет собой кольцевой узел. Он обеспечивает непрерывность подсоединения гидравлических линий при вращении трубного манипулятора вместе с компонентами бурильной колонны при ее подъеме или при позиционировании механизма наклона штроп. Адаптер также обеспечивает крепление механизма наклона штроп, цилиндра предохранительного зажима трубы, а также узла противовыбросового клапана дистанционного управления.

Рис. 2. Кинематические и силовые характеристики тяга задает вертикальное движение труб с ускорением a.

По второму закону Ньютона [2] (в проекции на ось у) падения, а – линейное ускорение, N – сила натяжения штроп.

Из уравнения движения следует, что То есть если пренебречь массой стержня и его деформациями, то нормальное напряжение, возникающее в Из условия прочности adm можно установить, например, площадь поперечного сечения штропа А. Если же учитывать деформации стержня, то, согласно рис. 3 [3], Рис. 3. Схема деформации Это уравнение свободных колебаний со смещенным центром колебаний.

Решение уравнения (9) складывается из общего решения однородной его части x0=A sin(kt+) и частного решения xЧ=const, которое можно получить подстановкой в уравнение (9) величин xч и ч =0. Тогда где А и – произвольные постоянные, определяемые из начальных условий.

При нулевых начальных условиях N и в два раза больше, чем в статическом случае, соответствующем отсутствию колебания. Приведенные расчеты позволяют выбирать размеры штроп верхнего привода при различных массах и ускорениях движения поднимаемого груза.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.

1. TDS-11SA Буровая система верхнего привода. Общее описание.

2. Бутенин Н. В., Лунц Я. Л. Курс теоретической механики. – М.: Лань, 2009.

3. Степин П. А. Сопротивление материалов. – М.: Лань, 2010.

УДК

РАЗРАБОТКА ОХЛАЖДЕНИЯ БЛОКА ДВИГАТЕЛЯ

ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА НА ПРИМЕРЕ ГПА-Ц-

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

В газовой промышленности для привода центробежных нагнетателей природного газа получили широкое распространение стационарные газотурбинные установки (ГТУ) со свободной силовой турбиной и транспортные газотурбинные двигатели простого открытого типа. К таким ГТУ относится агрегат типа ГПА-Ц-16.

Агрегат типа ГПА-Ц-16 установлен в контейнерах и состоит из транспортабельных стыкуемых герметичных блоков. Двухступенчатый нагнетатель вместе с конвертированным авиационным двигателем НК-16СТ – наиболее энергонагруженные составные части ГТУ.

Повышение энерговооруженности приводных двигателей приводит к повышенному нагреву воздуха внутренней зоны двигателя НК-16СТ. Нагрев этой зоны усиливается при изнашивании уплотнений и утечке отработанного (окисленного) газа из газовыпускной части двигателя.

С учетом высокой температуры корпуса самого двигателя температура воздуха в корпусе блока достигает значений 100 С. Такая температура создает дополнительное тепловое воздействие на системы ГТУ (смазки, КИПиА, электросиловой и др.) и является прямым источником высокой степени пожарной опасности.

Применяемые в стандартной комплектации системы вентиляции (эжекция, потолочная вентиляция) таких ГТУ направлены на узкие зоны и не обладают достаточной эффективностью, так как не используют все допустимое пространство для вентиляции (мертвые зоны).

В сложившейся ситуации отсутствие современных математических моделей, как движения воздушной среды, так и распределения температуры внутри блока двигателя при оптимизации конструкции сдерживает применение эффективных технологий вентиляции и выбор рациональных конструктивных элементов.

При объемах транспортировки газа свыше 10 млн м3/сутки и, учитывая высокую стоимость двигателей, предоставляется возможность получения существенного экономического эффекта.

Вышеперечисленное потребовало создание системы вентиляции, позволяющей при малом энергопотреблении максимально снизить вредное влияние высокой температуры на эксплуатацию ГТУ.

Объектом исследования является воздушная среда блока двигателя.

Целью работы является совершенствование системы вентиляции за счет оптимизации конструкции по критерию минимальной температуры воздуха внутри блока двигателя.

Снижение температуры воздуха корпуса ГТУ может быть получено за счет совместного включения потолочного вентилятора и открытия заслонок корпуса.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и результатов, сформулированных в диссертации, подтверждаются использованием представительного объема экспериментальных испытаний системы вентиляции, воспроизводимостью найденных закономерностей, положительными итогами опробования разработанных предложений и методик в условиях ООО «Тюментрансгаз» и ООО «Уралтрансгаз». Основные научные результаты работы получены на основе фундаментальных положений механики сплошных сред.

Разработка математических моделей позволяет определить рациональные параметры конструкции блока и диффузора вентилятора.

Использование результатов исследований значительно повышает эффективность вспомогательных систем (смазки, КИПиА) и надежность ГПА в целом.

Изучение процессов движения воздуха внутри корпуса ГТУ выполняется на основе уравнения Навье-Стокса. Краевые условия приведены ниже.

Изучение процессов распространения тепла внутри корпуса ГТУ выполняется на основе уравнения диффузии. В данном случае поставлена задача с однородным граничным условием первого рода:

с начальным условием и граничным условием где – граница области Т.

Решение этих задач для исследуемого объема традиционными методами не может быть получено, поэтому для исследования применено численное моделирование на ЭВМ.

Условия задачи приняты следующие:

1) для уравнения Навье-Стокса:

скорости движения воздуха на границе эжектора – 12 м/с, давление воздуха на границе диффузора вентилятора – -2000 Па, 2) для уравнения теплопроводности:

температура поверхности двигателя – 95 С, В качестве типа привода заслонок принят гидравлический привод. Маслостанция монтируется в отделении смазки. Управление гидравлическими распределителями – электрическое, напряжение 27 В.

Отрицательным моментом на время открытия заслонок является разрыв сплошности корпуса. В системе управления заслонками соблюдено условие: при аварийном отключении электроснабжения заслонки автоматически закрываются.

Таким образом, исследования показывают значительное снижение температуры воздуха внутри корпуса ГТУ. Оптимизация конвекционных потоков внутри блока двигателя ГТУ и структуры ремонтного цикла от времени эксплуатации позволяет повысить срок службы установки на 50-60 % за счет сокращения простоев на охлаждение и ремонт и улучшения режима работы.

Реализация работы начата на ГТУ Верхне-Казымского ЛПУ ООО «Тюментрансгаз».

Предварительные результаты показывают, что снижение температуры воздуха зависит от скорости движения воздуха.

УДК.622.7,622.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ АППАРАТОВ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ

ГОРНЫХ ПОРОД ПО ФРИКЦИОННЫМ И УПРУГИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

В группу процессов разделения полезных ископаемых (п.и), использующих различие в эффектах взаимодействия кусков разделяемых компонентов с рабочей поверхностью сепаратора, входят разделения по упругости, трению, форме.

Как показывает анализ работ по разделению п.и с использованием эффектов взаимодействия частиц разделяемых компонентов с рабочей поверхностью сепаратора и изобретений в этой области, разделения по упругости, по трению, комбинированное разделение по упругости и трению широко применяются для получения высококачественных заполнителей для бетона из не равнопрочных пород, отделение гравия от глинистых включений, обогащения известнякового щебня, для получения кондиционных продуктов из слюдосодержащего сырья и тальковых руд.

Трение играет очень важную роль в процессах современных технологий разработки месторождений.

Для разделения асбестосодержащих продуктов такими признаками могут быть также трение и упругость, различие в которых является достаточным для организации процесса их разделения с меньшими эксплуатационными затратами в сравнении с существующей технологией.

Обогащение этих руд по трению осуществлялось на наклонных плоскостях («русский способ»). Первые системные экспериментальные исследования «русского способа» были проведены институтом «Механобр» в 1932 году.

Рис. 1. Схема опытной установки Длина плоскостей составляла 1350 и 2400 мм.

Были также проведены исследования по разделению с использованием не только различия в трении, но и в упругости асбестового волокна и пустой породу (рис. 1). С этой целью над поверхностью наклонной плоскости был параллельно установлен приемник упругости фракции, представляющий собой открытый ящик, шириной равный ширине плоскости. При подаче продукта с высоты 500-1000 мм, порода, обладающая большей упругостью, чем асбест, отскакивала от плоскости и попадала в приемник. Результаты разделения асбестовой руды по трению и упругости приведены в таблице.

Разработаны сепараторы, когда плоский поток материала попадает на боковую поверхность барабана. Щебень отражается от него в зависимости от прочности зерен либо в сторону вращения барабана (слабые зерна), либо в противоположную сторону (прочные зерна). В основе работы сепаратора – разделение не равнопрочных частиц по упругости и трению.

Современная технология обогащения руд хризотил асбеста основана на различии скоростей витания распушенного асбестового волокна и плотных зерен сопутствующей породы, проявляющемся при разделении в воздушном потоке. Это важное свойство необходимо учитывать при совершенствовании конструкции разделительных аппаратов.

устройстве решение, в основу которых положена комбинация нескольких эффектов взаимодействия с рабочей поверхностью*.

Для исследований процесса разделения асбестосодержащих продуктов по упругости и трению изготовлены и испытаны модели аппаратов (рис. 2, 3). Результаты испытаний показали перспективность выбранного направления совершенствования технологии обогащения асбестовых руд.

Рис. 2. Модель опытно-промышленного сепаратора Рис. 3. Общий вид фрикционного сепаратора СПРУТ (сепаратор по трению и упругости) Потапов В. Я., Цыпин Е. Ф., Иванов В. В., Потапов В. В. Использование фрикционных характеристик сыпучих материалов для их разделения // Материалы научного симпозиума (Неделя горняка – 2005 г.) 23-27 января. Горный информационно-аналитический бюллетень. – М., 2005. – № 6. – С. 326-328.

УДК 621.928.622.273, 622.

РАЗДЕЛЕНИЕ АСБЕСТОСОДЕРЖАЩИХ ПРОДУКТОВ

В АЭРОДИНАМИЧЕСКОМ ПОТОКЕ БАРАБАННО-ПОЛОЧНОГО

СЕПАРАТОРА

ПОТАПОВ В. Я., ТИМУХИН С. А., ПОТАПОВ В. В., КОНЕВ Я. И.

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Одним из путей повышения эффективности производства является создание менее энергоемких разделительных аппаратов на базе их технологии переработки полезных ископаемых.

Поэтому важно при разработке и проектировании аппаратов использовать их конструктивные особенности для качественного разделения горных пород по физическим характеристикам. Аппаратом для разделения таких руд является барабанно-полочный фрикционный сепаратор (БПФС) [1].

Он представляет собой совокупность нескольких механических устройств, каждое из которых предназначено для разделения частиц обогащаемого материала по различным признакам.

Существенное влияние на процесс разделения оказывает и поток воздуха, циркулирующий вокруг вращающегося барабана с лопатками. Можно полагать при этом, что скорость циркуляции потока убывает по мере удаления от поверхности барабана, а на поверхности барабана имеет скорость, близкую к скорости самой этой поверхности, Процесс движения каждой частицы возможно описать математической моделью, включающей уравнения движения на каждом этапе разделения и дифференциальные уравнения движения частицы в циркулирующем потоке воздуха.

Для единообразия описания движения частицы на каждом этапе введем общую для всех элементов механической системы систему координат xOy, начало которой разместим в начале наклонной плоскости, ось «x» направим горизонтально, а ось «у» – вертикально вниз.

Свободный полет частицы начинается из точки В со скоростью VВ, направленной по касательной к дуге окружности трамплина в данной точке. На частицу действует сила сопротивления циркулирующего потока, пропорциональная скорости частицы относительно потока. Коэффициент этой пропорциональности обозначим через, который зависит от аэродинамического сечения частицы, вязкости среды и скорости движения потока.

Задаваемыми параметрами барабана считаем: координаты его центра С (а, b), радиус барабана R и его угловую скорость. Если частица при движении коснется поверхности барабана, то произойдет удар. Параметрами удара являются: k – коэффициент восстановления и – коэффициент трения при ударе.

Если сопротивление движению при свободном полете отсутствует, то частица движется с ускорением свободного падения g, направленным параллельно оси Оу, поэтому движение вдоль оси Ох равномерное, Следовательно, движение частицы происходит по траектории параболы где – угол наклона полки, град; – центральный угол криволинейного трамплина, град.

Циркулирующий поток в этом случае не оказывает на движение частицы никакого влияния, и частица движется по указанной параболе до тех пор, пока не встретится с поверхностью барабана или не упадет на горизонтальную плоскость (у=с). Вместе с тем, как показывают многочисленные исследования, поток воздуха, обтекающий подвижную частицу, создает силу сопротивления движению, направленную в сторону, противоположную скорости частицы Vr относительно потока.

Эффективность разделения минералов можно повысить за счет установки специальных лопаток на торцевых поверхностях вращающегося барабана, наклоненных к поверхности торцевых сторон, позволяющих использовать аэродинамический эффект для выделения минералов (асбест, слюда), обладающих эффектом «парусности», из средней части образованного веера при сходе с плоскости.

С учетом витания падающих частиц, сила сопротивления движению частицы в воздушном потоке, в соответствии с [2], можно считать зависящей от квадрата относительной скорости:

где – коэффициент сопротивления; d – диаметр частиц, м; в – плотность воздуха, кг/м3; Vr – скорость движения струи воздуха, м/с.

Коэффициент пропорциональности с учетом скорости потока Ve от вращающего барабана можно определить:

Скорость потока при удалении от поверхности барабана убывает по экспоненциальному закону где – коэффициент затухания скорости потока; r – расстояние от частицы до центра вращающегося барабана.

Для определения давления воздушного потока лопаточного сепаратора может быть использована зависимость [3] где Z – число лопаток, ед; с – плотность смеси, кг/м3; cos – угол притекания потока, град (const); Су – коэффициент давления; r – радиус по концам лопаток, м; W – скорость притекания потока, текучего к лопаткам, м/с; Г – гидравлический кпд БПФС-сепаратора (Г 0,4-0,5), b – ширина хорды лопатки, м.

Установлено, что для отклонения парусных частиц крупностью класса -40+5 мм необходимо иметь непрерывную струю давлением 200 Па, для класса -5+0 мм – 80-100 Па.

Все эти соображения необходимы для составления дифференциальных уравнений движения частицы разделяемого материала в циркулирующем потоке [1]:

Полученные дифференциальные уравнения нелинейны и неразрешимы в квадратурах.

Они поддаются лишь численному интегрированию. Для их решения можно воспользоваться стандартной численной процедурой интегрирования – методом Рунге-Кутта с автоматическим выбором шага по заданной точности.

Приведенные в статье теоретические закономерности были использованы в математической модели БПФС при моделировании процесса движения частицы по зонам разделения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Математическое моделирование разделения частиц в барабанно-полочном фрикционном сепараторе / Ляпцев С. А., Цыпин Е. Ф., Потапов В. Я., Иванов В. В. // Изв. вузов. Горный журнал. – 1996. – № 7. – С. 147-150.

2. Практика обогащения асбестовых руд. Под ред. Ф. П. Софронова. – М.: Недра, 1975. – 224 с.

Авт.: Белов М. А., Дябин Н. В., Копосов Ю. Б. и др.

3. Тимухин С. А. Оптимизация параметров и процессов стационарных машин: учебное пособие. – Екатеринбург: Издво УГГУ, 2006. – С. 244.

УДК.622.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УЗЛА СТРАТИФИКАЦИИ ФРИКЦИОННЫХ

СЕПАРАТОРОВ

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

В сепараторах, использующих фрикционные свойства разделяемых компонентов, наличие узла стратификации (расслоения) позволяет провести подготовку продуктов к последующему разделению. Таким узлом является наклонная плоскость (полка).

Конструктивная оптимизация узла стратификации осуществлялась на основе анализа результатов многочисленных экспериментов.

Оценка качества подготовки продуктов осуществлялась по ширине веера разделения после схода их с плоскости, для этого в зоне образования веера устанавливались приемники для сбора продуктов – элементарных фракций. Полученные в результате анализа количественные и качественные параметры элементарных фракций будут характеризовать качество веера, т. е. качество подготовки материала к последующему разделению.

Косвенной обобщенной характеристикой всех элементарных фракций в ячейках приемника может явиться и характеристика потенциального разделения продукта уже в результате стратификации. Такой критерий позволяет учесть и ширину веера, и качество распределения частиц внутри него [1].

В качестве критерия разделения при формировании технологических показателей используется максимальный выход хвостов с массовой долей свободного волокна не более V=0,3 %.

Такой критерий позволяет учесть и ширину веера, и качество распределения частиц внутри него. При оптимизации узла стратификации рассматривалось несколько вариантов установки дополнительных плоскостей в зоне схода продукта с разгонной плоскости.

Процесс разделения осуществляется на стальной поверхности и поверхности полки, футерованной резиной. Переменным фактором, как и в предыдущем режиме, был угол наклона полки =(35±5) °.

Как видно из табл. 1, на процесс разделения асбестосодержащих продуктов сильно влияет угол наклона разгонной плоскости и наличие футеровки, о чем свидетельствуют высокие значения корреляционного отношения.

Следует отметить, что оптимальные значения углов, при которых обеспечивается максимальный веер разделения, и, как следствие, максимальное значение выхода хвостов, для различных материалов различны. Для стали максимальные значения выхода получены при меньших значениях углов, для резины – больших значениях углов. Менее чувствительно смешение максимума для класса (-40+10) мм. Так, при стальном покрытии максимум соответствует оптимальному углу 35 °, при резиновом покрытии угол также достигает экстремума, начиная с 35 °, и почти не меняется до 45 ° [3].

Представляет интерес при моделировании совместное рассмотрение распределений коэффициентов трения частиц различных минералов. Максимальные различия углов трения частиц волокна асбеста, сростков, породы наблюдается в опытах с полкой из стали резины.

Это подтверждается меньшими удельными площадями взаимного проникновения плотностей распределения для смеси данных минералов при их подаче на полку с некоторой начальной скоростью где 1 – плотность распределения частиц, – угол наклона полки [1].

Установлено, что на взаимопроникновение плотностей распределения минералов при изменении угла наклона полки влияние оказывает крупность частиц и характер покрытия полки. Минимальное взаимопроникновение наблюдается при резиновом покрытии, максимальное – при стальном (табл. 2).

Удельное взаимопроникновение плотностей распределения минералов Крупность, При моделировании движения частиц по полке сепаратора необходимо учитывать массовый характер перемещения частиц и то, что сепарируемый материал поступает на полку с некоторой начальной скоростью.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Цыпин Е. Ф., Пелевин А. Е., Лавник В. Я., Балабаева Л. М. Выбор признаков разделения для предварительного обогащения асбестовой руды Баженовского месторождения // Совершенствование технологии обогащения асбестовых руд: сб. научных трудов ВНИИпроектасбеста. – Асбест, 1986. – С. 46 -58.

2. Потапов В. Я., Цыпин Е. Ф., Иванов В. В., Потапов В. В. Использование фрикционных характеристик сыпучих материалов для их разделения // Материалы научного симпозиума (Неделя горняка – 2005 г.) 23-27 января. Горный информационно-аналитический бюллетень. – М., 2005. – № 6. – С. 326-328.

3. Потапов В. В. Технология разработки месторождений угля с предварительным его обогащением в подземных условиях: автореф. дис.... канд. техн. наук. – Екатеринбург, 2007. – 20 с.

УДК.622.

МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ

ТРЕНИЯ КАЧЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Согласно теории и практике разделения, частицы минералов перемещаются по наклонной плоскости в зависимости от угла наклона не только со скольжением, но и с качением, что, несомненно, влияет на эффективность процесса разделения.

Рассмотрим методику определения коэффициента трения качения перекатывающейся частицы из условия ее опрокидывания вокруг границы площадки контакта.

Для определения коэффициентов трения движения и качения использовалась установка (трибометр), представленная на рис. 1 [1].

Рис. 1. Вид экспериментальной установки К штативу 1 шарнирно прикреплена плоскость 2, на которой закреплен транспортир 3. К сектору транспортира подвешена стрелка с отвесом 5. Изменения угла наклона плоскости 2 осуществлялось с помощью рукоятки 6 и червячной передачи 7.

Методика проведения опыта. В начале определялись форма и размеры частицы минерала, на плоскости помещались сменные поверхности скольжения (сталь или резина), для которых необходимо определить фрикционные характеристики. Образцы исследуемых материалов помещались на плоскость скольжения с переменным углом наклона. В процессе опыта уделялось внимание виду движения образца, фиксировался угол и время прохождения участка скольжения. Дальнейшее увеличение угла наклона плоскости осуществлялось для перевода частицы в режим качения, при этом также фиксировался угол переподъема плоскости.

Коэффициент трения покоя определяется по углу наклона к, который составляет подвижная плоскость в момент начала качения (при отсутствии проскальзывания, рис. 2).

Качение начинается в тот момент времени, когда линия действия силы тяжести G выйдет за пределы границы площадки контакта частицы с наклонной плоскостью. Предельное значение угла наклона плоскости, при котором линия действия силы G точно попадает на границу площадки контакта, соответствует величине.

Как известно [2], причиной возникновения трения качения является деформация катящегося объекта и поверхности, по которой происходит качение.

получим Результаты определения угла качения частиц кубической формы, полученные с помощью трибометра, были использованы для расчета коэффициента трения качения по уравнению (1).

Величина приведенного коэффициента трения качения по стали и резине для различных форм углесодержащих формаций зависит от модуля упругости минеральных включений.

На рис. 2 представлены графики изменения коэффициента трения качения в зависимости от крупности куска для сменных поверхностей скольжения (сталь или резина). Эти графики апроксимируются линейными зависимостями с коэффициентом корреляции для стали R=0,87, а для резины R= 0,82 [3].

С увеличением крупности частиц коэффициенты трения качения увеличивается.

Коэффициенты трения качения по стали меньше, чем по резине. С точки зрения рассмотрения коэффициентов трения как признака разделения углесодержащих формаций, наибольший интерес представляет кинетический коэффициент трения и коэффициент трения качения, так как разделение частиц в основном идет в движении. Различие в кинетических коэффициентах трения угля и породы по стали и резине достаточны для их разделения. С уменьшением крупности разница в коэффициентах трения частиц монофаз снижается. Это можно объяснить тем, что с уменьшением крупности частиц они становятся однородными по составу и форме и, как следствие этого, разница в коэффициентах трения становится незначительной.

Приведенная методика была апробирована также на асбестосодержащих рудах.

Полученные значения коэффициентов трения качения были использованы при составлении математической модели процесса разделения многокомпонентных материалов на фрикционных аппаратах. Входящие в расчетные формулы коэффициенты трения частиц являются случайными величинами, вследствие чего аналитически без ЭВМ рассчитать траекторию движения частицы и осуществить прогноз технологических показателей разделения практически невозможно.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Иванов П. А. Коэффициент трения покоя и движения угля и породы (на примере Кизеловского бассейна) // Известия вузов. Горный журнал. – 1964. – № 3. – С. 126-128.

2. Никитин Н. Н. Курс теоретической механики. – М.: Наука, 1990. – С. 324.

3. Потапов В. В. Технология разработки месторождений угля с предварительным его обогащением в подземных условиях: автореф. дис.... канд. техн. наук. Екатеринбург, 2007. – 20 с.

УДК.621.

РАЗРАБОТКА АППАРАТОВ С ВРАЩАЮЩЕЙСЯ

РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Проектирование новых моделей аппаратов и настройка технологических параметров существующих связана с определенными трудностями. Это вызвано тем, что фрикционные и упругие характеристики поступающего на разделение материала изменяются в широких пределах, а конструктивные параметры аппарата должны соответствовать этим характеристикам.

Выход из такой ситуации можно осуществить за счет совершенствования конструкции аппарата, в котором разделение горных пород будет происходить по комплексу физикомеханических свойств. Данные аппараты основаны на использовании фрикционных и упругих характеристик. В качестве объектов проектирования была разработана модель сепаратора с подвижной разделительной поверхностью – барабанно-полочный фрикционный сепаратор (БПФС). На рис. 1 представлена модель БПФС, состоящая из разделительной плоскости с трамплином 1, вращающегося барабана 2, аспирационной системы 4, ячейчатых плоскость с приемников фракции и породы 5, 6, трамплином компьютерных технологий при аспирационная проектировании машиностроительных конструкций позволяет облегчить процесс разработки оборудования.

проектировании данных аппаратов было не только определение упругих и ячейчатые фрикционных характеристик, но и изменение конструктивных параметров.

В результате проведенных исследований была разработана методика проектирования фрикционных сепараторов. В методику вошли два взаимоувязанных модуля: модуль расчета параметров и модуль разработки конструкции аппаратов.

Модуль расчета параметров представляет собой имитационную модель процесса движения частиц по наклонной плоскости и трамплин, удар ее о барабан и движение частицы совместно с барабаном. Модель реализована в среде Visual Basic (VBA). Программа позволяет реализовать два режима: расчетный и демонстрационный. При демонстрационном режиме выполнялся вывод результатов расчета в виде траекторий движения частиц*.

При конструктивном моделировании фрикционные свойства продукта задавались с помощью генератора случайных величин. Решение системы дифференциальных уравнений движения на ЭВМ со случайными параметрами процесса трения и удара позволило Потапов В. В. Компьютерные технологии при проектировании аппаратов фрикционного обогащения / Д. В. Матвеев, В. В. Потапов, В. С. Шестаков, В. Я. Потапов, С. А. Ляпцев // Горное оборудование и электромеханика. – 2006. – № 10. – С. 18-20.

имитировать прохождение частиц через все зоны аппарата и формирование продуктов разделения с оценкой их качественных и количественных характеристик. Этот модуль позволяет проводить оптимизацию конструктивных параметров аппаратов. Оптимальные параметры передавались в конструкторский пакет Solid Works (SW), в котором и был реализован модуль разработки конструкции аппаратов.

Программа Solid Works позволяет наглядно представить объемные модели деталей, а также возможность моделирования сборочных узлов из этих деталей. Главным достоинством программы является параметричность.

Программа легко позволяет изменять любые параметры сепаратора, один раз задавшись уравнениями и занеся их в таблицу параметров, мы можем наглядно видеть изменение каждого из вариантов, а затем нужный вариант передать на изготовление (рис. 2.) математического моделирования вкупе с программами объемного моделирования, наглядно позволяет увидеть процессы, происходящие в проектируемом сепараторе. Использование данных объединенных решений позволяет проводить оптимизацию параметров в целом без создания натурального образца аппарата. Это приводит к снижению экономических затрат на создание моделей.

В конечном варианте был рекомендован сепаратор с подвижной разделительной поверхностью (рис. 3).

УДК.621.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ СЕПАРАТОРА С НЕПОДВИЖНОЙ

РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Создание новых аппаратов для разделения горных пород, использующих в качестве разделительных признаков фрикционные характеристики материалов, т. е. коэффициенты трения, коэффициенты восстановления, является актуальной задачей.

В данной работе оборудование для разделения по упругим характеристикам было конструкционно реализовано в сочетании полки и отражательных элементов (рис. 1).

Для разделения угля и породы была разработана модель сепаратора по трению и упругости (СПРУТ) с неподвижной разделительной поверхностью, образованной двугранными отражательными элементами*. Сепаратор включает: корпус с загрузочным лотком – желоб 2 (узел стратификации) и отражательные элементы 3, закрепленные консольно в раме (см. рис. 1). Конструкцией модели сепаратора предусмотрена возможность изменения следующих параметров: схемы пространственного расположения отражающих элементов;

расстояния между ярусами элементов; угла наклона элемента к горизонту, расстояние от нижней кромки загрузочного желоба до верхнего яруса элементов; положение отсекающих шиберов. Вопросы оптимизации конструктивных параметров и схемы размещения отражающих элементов аппарата рассмотрим с учетом ударного взаимодействия частиц с поверхностью отражающих элементов. Очевидно, для обеспечения контакта всех частиц потока материала с поверхностью рабочих элементов необходимо их расположить, как минимум, в два яруса или меньше ширины элемента. Причем ширина щели между соседними элементами должна бытъ равна ширине элемента или меньше ее. Положение отражающих элементов в Рис. 1. Схема аппарата СПРУТ пространстве определялось решетками двух типов, одна из которых подвижная (см. рис. 1).

Траектория движения частицы (рис. 2) после отражения от поверхности элемента определяется: параметрами движения частицы в момент взаимодействия с поверхности элемента; параметрами отражающей плоскости; параметрами частиц, характеризующими их упругие свойства, и кинетическим коэффициентом трения.

Анализ параметров движения частиц на различных участках траектории в точках соударения с наклонной поверхностью элементов показывает, что наилучшим для разделения частиц по их упругим свойствам является такое пространственное расположение элементов, когда породные частицы соударяются с ними не менее двух раз. В этом случае наблюдается наибольшая дальность падения породных частиц, так как после второго удара направление их движения практически параллельно оси отражающих элементов. С учетом обеспечения, как минимум двойного удара породных частиц о поверхность элементов наиболее рациональной Потапов В. Я. Цыпин Е. Ф. Потапов В. В., Иванов В. В. Использование фрикционных характеристик сыпучих материалов для их разделения Материалы научного симпозиума (Неделя горняка-2005) 23-27 января 2005 г. – М., 2005. – № 6. – С. 326-328.

считается схема их расположения попарно (друг под другом) в шахматном порядке в четыре яруса.

Двугранный угол отражающего элемента, угол наклона к горизонту образующей двухгранного угла, длина и ширина элемента являются его основными конструктивными параметрами, определяющими габаритные размеры разделительного аппарата (рис. 1).

Экспериментальные исследования сепаратора СПРУТ в объеме оптимизации параметров сепарации не проводились.

Угол, высота и скорость подачи исходного продукта были приняты по результатам теоретических исследований узла стратификации: угол наклона загрузочного желоба с дефлектором – 45 ; длина загрузочного желоба – 1,0 м; скорость подачи исходного продукта – 1,3-1,5 м/с. По результатам многочисленных технологических испытаний сепараторов, проведенных институтом «НИИпроектасбест» на углях, в качестве конструктивных параметров (рис. 3) приняты: двугранный угол элементов =100 ; угол наклона элементов к горизонту, =20-30 ; ширина элементов b=0,14-0,15 м; шаг между ярусами элементов Z=0,5b/sin/2, Z=0,1 м; количество ярусов n=4; длина элементов в рабочей зоне l=1,2 м; расстояние от нижнего яруса элементов до плоскости фиксации падения частиц S=1,3 м.

Рис. 3. Промышленный образец сепаратора Рис. 2. Схема разделения на отражательных Найденные зависимости позволяют раскрыть механизмы разделения частиц с различными упругими свойствами, теоретически определить наиболее конструктивные оптимальные параметры, что создает предпосылки для расчетного прогнозирования технологических показателей разделения.

Технологические испытания позволили установить, что пространственное расположение отражающих элементов существенно влияет на показатели разделения. Установка элементов в попарно-шахматном порядке увеличивает выход обедненной по углю фракции более чем на 16 %, а эффективность разделения этой фракции – на 10 %, обеспечивает лучшие условия реализации двойного ударного взаимодействия породных частиц о поверхность элементов.

Изменение угла наклона элементов с 20 до 25 существенно не влияет на показатели разделения. Извлечение породных частиц всех классов крупности в диапазоне от 0,5 мм до 6,0 мм больше на 15-25 %, чем по другим вариантам схемы установки элементов.

УДК 622.74.001.

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ДРОБЛЕНИЯ

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

В широко распространенной в горной промышленности технологической схеме комплексов дробления по производству щебня (см. рисунок) материал из щековой дробилки первичного дробления поступает в конусную дробилку среднего дробления КСД, продукт дробления последней, смешиваясь с продуктами дробления конусной дробилки мелкого дробления КМД, конвейером поступает через распределительное устройство 1 на два параллельно работающие грохота поверочного грохочения 2 и 3. Надрешетный продукт грохотов конвейером 4 подается на повторное додрабливание и загружает дробилку КМД, образуя замкнутый цикл в последней стадии дробления. Подрешетный продукт грохотов является конечным продуктом комплекса дробления и с помощью конвейера 5 уходит в отделение сортировки.

Регулирование режима работы грохотов поверочного грохочения, в рецикле с которыми работает дробилка мелкого дробления, позволяет одновременно регулировать загрузку дробилки и гранулометрический состав готового продукта дробления. В соответствии с предложенным автором способом*, такое регулирование осуществляется посредством шибера Ш, поворачивающегося на угол от 0 до max и распределяющего материал на грохота с разными размерами отверстий просеивающих поверхностей di и dj.

Суммарная производительность грохочения определяется производительностями дробилок среднего Qc и мелкого Qм дробления где Qi – производительность грохота 2, т/ч; Qj – производительность грохота 3, т/ч.

Производительности грохотов Qi и Qj зависят от производительности Q и угла поворота шибера.

* А. с. 1253670 СССР, МКИ4 ВС7В1/40 Способ регулирования процесса классификации сыпучего материала по крупности / В. М. Марасанов, Г. П. Дылдин, СССР / №3837521/22-03. Заявлено 02.01.85;

опубл. 30.08.86. Бюл. № 32. – 48 с.

УДК 622.74.001.

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА

ПРИ ГРОХОЧЕНИИ

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Гранулометрический состав подрешетного продукта грохочения определяется размерами отверстий просеивающей поверхности. Если процесс грохочения осуществлять на просеивающих поверхностях с различными размерами отверстий, расположенных параллельно (возможно на двух грохотах), то крупность подрешетного продукта зависит от того, на какую просеивающую поверхность подается классифицируемый материал. Для регулирования процесса классификации сыпучих материалов по крупности на дробильно-сортировочных заводах (ДСЗ) по производству щебня предложен способ [1], включающий распределение материала между просеивающими поверхностями с разными размерами отверстий. На ДСЗ по производству щебня процесс поверочного грохочения осуществляют, как правило, с использованием двух параллельно работающих грохотов. Если на каждом из двух параллельно работающих грохотов поверочного грохочения установить просеивающие поверхности с разными размерами отверстий di и dj, то реализовать указанный способ можно с помощью шибера, распределяющего материал между этими грохотами.

Производительности грохотов Qi и Qj зависят от суммарной производительности Q и угла поворота шибера (см. рисунок).

Определим зависимость Qi = (Q; ). При = 0 Qi=0, при =cp Qi=0,5Q, при =m Qi=Q. Производительность конвейера, подающего материал на поверочное грохочение, определяется соотношением Q=3600vF, где v – скорость ленты конвейера; – насыпной объемный вес груза; F – площадь сечения насыпного груза на ленте. Площадь сечения груза на барабане перед распредустройством определяется по формуле F=0,25btgp [2], где p – расчетный угол откоса насыпного груза на ленте; b – рабочая ширина ленты (ширина расположения груза на ленте). Из выражения Q=900vbtgp определим b=3,33·10-2(Q/vtgp).

В статическом режиме важно определить зависимость Fi=(), где Fi – площадь сечения груза, отсекаемого шибером на 2-й грохот при повороте шибера на угол i. При повороте шибера на угол 0cp. Количество материала, отсекаемое шибером влево и поступающее на 2-й грохот, составит Qi=3600vFi.

Площадь поперечного сечения груза, отсеваемого шибером влево, т. е. часть, формирующая поток Qi, составит Fi=0,5bitgp, где bi – ширина расположения на ленте части груза, отсекаемого шибером влево и формирующего поток материала Qi, bi=0,5b-lшsin(ср- i), где lш – длина шибера. При повороте шибера на угол ср j m Qi'= 3600vFi', Fi'=F-Fj, где Fi' – площадь поперечного сечения груза, отсекаемая шибером влево при повороте на угол j; Fj – площадь поперечного сечения груза, отсекаемая шибером вправо при повороте на угол j, Fj=0,5bjtgp, где bj – ширина расположения на ленте части груза, отсекаемого шибером вправо и формирующего поток материала Qj, bj=0,5b-lшsin(j – ср).

В динамическом режиме количество материала Qi(t), поступающее через распредустройство 1 (рис. 1, 2) и отсекаемое шибером на грохот с меньшими размерами отверстий просеивающей поверхности, вычисляется по формуле где t – текущее время.

Количество материала Qj(t), поступающее через распредустройство и отсекаемое шибером на грохот с большими размерами отверстий просеивающей поверхности dj, вычисляется по формуле Qj (t) = Q(t)-Qi (t).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. А. с. 1253670 СССР, МКИ В С7 В 1/40 Способ регулирования процесса классификации сыпучего материала по крупности / В. М. Марасанов, Г. П. Дылдин (СССР). – № 3837521/22-03; заявл.

02.01.85; опубл. 30.08.86. Бюл. № 32. – 48 с.

2. Шахмейстер Л. Г., Дмитриев В. Г. Расчет ленточных конвейеров для шахт и карьеров. – М.:

МГИ, 1972. – 298 с.

УДК

ИССЛЕДОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ РУДНОЙ ЧАСТИЦЫ

В ВИБРАЦИОННОМ ГРОХОТЕ

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

В настоящее время в процесс переработки все чаще вовлекается бедное сырье с тонкой и крайне неравномерной вкрапленностью ценного компонента. В связи с этим развитие технологии процессов грохочения является чрезвычайно актуальным. Добиться повышения эффективности данного процесса можно за счет внедрения нового классифицирующего оборудования с большей производительностью и меньшей энергоемкостью.

Вибрационные (инерционные) грохоты характеризуются отсутствием жесткой связи подвижного корпуса с источником колебаний. При этом амплитуда свободных колебаний зависит от величины движущихся масс, жесткости упругих элементов возникающей силы инерции.

По характеру движения короба грохота различают: грохоты с прямолинейными вибрациями, один из примеров которого приведен на рис. 1, грохоты с круговыми вибрациями см. пример на рис. 2.

Рис. 1. Резонансный грохот с эксцентриковым Рис. 2. Принципиальная схема грохота с простым 1 – короб грохота; 2- опорная рама; 3 – шарнирные 1 – короб грохота; 2 – просеивающая поверхность; 3 – опоры; 4 – упругие подставки; 5 – эксцентриковый вал; пружины (рессоры); 4 – подшипники; 5 –вал; 6 – шкив;

Достоинством таких схем являются: высокая эффективность грохочения за счет хорошего расслоения материала на поверхности грохота (85-90 %), высокая производительность, низкое потребление электроэнергии. Но, к сожалению, есть и недостатки – это сложность конструкции, большая металлоемкость и необходимость тщательного контроля за уравновешенностью масс.

Данное исследование посвящено моделированию движения подвижной частицы на поверхности вибрационного грохота.

Если частица брошена вниз на неподвижную поверхность наклонного грохота без начальной скорости c высоты h, то в момент удара о поверхность где m – масса частицы, кг; g - ускорение свободного падения, м/с.

В системе координат хОу, показанной на рис. 3, где y0 – начальная ордината частицы, м; – угол наклона поверхности грохота.

Скорость частицы после удара U связана со скоростью в момент удара V соотношением:

где – угол отражения; k – коэффициент восстановления при ударе.

В соответствии с теоремой об изменении количества движения при ударе где SТР – импульс силы трения; S ТР fS N, согласно гипотезе Рауса; SN – импульс нормальной реакции поверхности при ударе.

Решая систему уравнений (3) и (4), можно определить импульс нормальной поверхности угол отражения частицы а также скорость частицы после удара Составленные уравнения схемы позволяют оценить поведение частицы, брошенной на поверхность неподвижного грохота.

После отражения частицы от поверхности грохота происходит ее свободный полет, затем снова удар и т. д. Если при этом в один из ударов угол падения меньше некоторого критического 0, произойдет проваливание частицы сквозь решетку грохота.

Весь процесс многократного чередования свободного полета с ударами до прохождения частицы сквозь решетку возможно смоделировать на компьютере. При этом, варьируя начальные условия и другие переменные, можно подобрать наиболее рациональные параметры установки.

неподвижной поверхности грохота отличаются от движения частицы при его вибрации. Однако уравнения (3) - (7), описывающие процесс удара, выполняются, так как время удара составляет доли секунды. Для моделирования движения частицы Рис. 3. Расчетная схема относительно вибрирующего грохота необходимо учесть на этапе свободного полета переносные силы инерции, содержания ускорения поверхности грохота.

Дифференциальные уравнения движения частицы (без учета сил сопротивления движению) имеют вид:

где x, y – проекции переносной силы инерции на выбранные оси координат (рис. 2).

Для проверки правильности решения системы уравнений (8) можно использовать зависимости равнопеременного движения Таким образом, исследование движения рудных частиц сводится к численному моделированию многократного чередования ударов этапов их свободного полета с учетом переносного движения поверхности грохота.

УДК

ПОВЫШЕНИЕ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ФУТЕРОВОК ШАРОВЫХ МЕЛЬНИЦ

МЕТОДОМ НАПЛАВКИ С ГЛУБОКИМ ПРОПЛАВЛЕНИЕМ

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Шаровые мельницы являются важнейшими технологическими агрегатами всех обогатительных фабрик. Размалываемые рудные материалы вызывают интенсивный абразивный износ футеровок данных мельниц. Обогатительные фабрики тратят на футеровку мельниц около 70 % всей футеровочной стали, расходуемой в цикле дробления и измельчения.

Это обстоятельство заставляет искать новые пути увеличения срока службы футеровок, работающих в условиях абразивного износа. Данная работа посвящена разработке процесса наплавки с глубоким проплавлением для повышения износостойкости футеровок шаровых мельниц.

При разработке футеровок необходимо учитывать множество факторов. Ни для одной мельницы нельзя предложить стандартного решения. Перед тем как выбрать футеровку из множества возможных вариантов, необходимо рассмотреть ряд аспектов:

эксплуатационные характеристики мельницы;

срок службы футеровки и ее себестоимость;

периодичность технического обслуживания;

коэффициент технической готовности мельницы;

простота обслуживания;

Таким образом, основными определяющими параметрами при выборе системы футеровки для мельницы являются задачи, формулируемые заказчиком, а также общие требования по экономичности процесса измельчения.

Метод глубокого проплавления заключается в применении сварочной дуги большой мощности (наплавка на форсированных режимах). Ведение процесса наплавки мощной дугой позволяет значительно стабилизировать горение дуги за счет смещения катодного пятна с поверхности наплавляемого изделия в основной металл. Способ глубокого проплавления заключается в том, что сварку производят, опираясь обмазкой электрода на изделие, при этом электрод наклоняют в сторону сварки на 70-80 и слегка нажимают им на изделие в направлении сварки.

Для получения глубокого проплавления (см. рисунок) используют электрод 4 с утолщенным покрытием. Сварочная дуга, ограниченная внешним чехлом обмазки, концентрированно передает тепло основному металлу свариваемого изделия, усиливает его расплавление и формирует шов с глубоким проваром. Благодаря глубокому провару, шов образуется в значительной степени за счет расплавления металла соединяемых изделий, что позволяет уменьшить количество присадочного металла до 50 %.

Сварка с глубоким проплавлением производится на повышенных силах тока (400-600 А), что, с одной стороны, обеспечивает наибольшую глубину провара, а с другой – дает возможность увеличить скорость ведения сварки и тем самым повысить производительность сварщиков в 1,5-2 раза.

a – схема сварки; б – поперечный разрез; в – продольный разрез; 1 – электрод; 2 – обмазка;

3 – капля расплавленного электрода; 4 –сварочная дуга; 5 – ванна; 6 – чехольчик; 7, 8 – Данный метод позволяет повысить производительность процесса упрочнения в 1,5-2,0 раза по сравнению с наплавкой на обычных режимах. Повышение износостойкости футеровок шаровых мельниц методом наплавки с глубоким проплавлением позволяет увеличить их эксплуатационную стойкость на 40-45 %, что позволяет снижать затраты на приобретение дополнительных листов футеровочной стали. Такой способ позволяет выполнить одностороннюю сварку стыковых соединений без разделки кромок при толщине металла до 10 мм, двустороннюю сварку – при толщине металла до 18 мм. Преимущества сварки таким способом наиболее полно проявляются при сварке угловых швов, особенно в положении в лодочку. При одинаковом катете угловой шов с глубоким проплавлением будет иметь допускаемое расчетное усилие примерно в 1 5 раза больше, чем обычный угловой шов. Для сварки с глубоким проплавлением может быть применено большинство отечественных толстопокрытых электродов.

Потребление металлов и минерального сырья в мире неуклонно растет, для этого все больше и больше в разработку вовлекаются рудные месторождения с небольшим содержанием полезных компонентов. В результате повышается спрос на все более производительные мельницы, которые становятся ключевым оборудованием обогатительных фабрик, малым числом перерабатывая огромные объемы рудной массы.

Поэтому постоянное поддержание этих крупных машин на пике производительности является непростой задачей. Поскольку основной причиной остановки мельниц является необходимость замены футеровки, все большее значение приобретают ее долговечность при одновременной простоте процедуры замены. Поэтому сегодня при выборе мельничных футеровок для конкретных установок необходимо учитывать абсолютно все составляющие себестоимости эксплуатации мельницы. Для сравнения интенсивности износа футеровок мельниц, применяемых для решения разных задач измельчения, был выбран показатель удельной интенсивности изнашивания, измеряемой в граммах на киловатт (г/кВт).

Теоретические расчеты показывают, что при увеличении срока службы на 40 % расход футеровки снижается на 25 %.

УДК 621.

КОМПРЕССОРНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ В ПОДЗЕМНЫХ

УСЛОВИЯХ ШАХТ И РУДНИКОВ

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Сжатый воздух является одним из основных видов энергии на шахтах и рудниках для приведения в действие бурильных, буросбоечных, добычных, проходческих и погрузочных машин, вентиляторов местного проветривания, насосов, а также в эрлифтных установках при откачке воды и пульпы.

Кроме того, сжатый воздух находит применение для пневмозакладки горных выработок, для приведения в действие толкателей, стопоров, затворов и других устройств технологического комплекса предприятия.

При производстве и распределении сжатого воздуха затраты электроэнергии принято называть потерями.

Непроизводительные потери электроэнергии, подводимой к компрессору, в значительной мере определяют к.п.д. компрессорной установки, удельный расход электроэнергии и в конечном итоге технико-экономические показатели компрессорной станции и пневматической установки в целом.

Энергетическая диаграмма шахтной компрессорной установки (КУ):

1 – потери в компрессорных агрегатах – 50 %; 2 – потери при транспортировании сжатого воздуха – 37 %; 3 – потери Сжатый воздух – один из самых дорогих видов энергии, используемый в современном промышленном производстве. Один килоджоуль энергии, получаемый в пневмоприводах горных машин и механизмов, использующих сжатый воздух, обходится в 7-10 раз дороже, чем тот же килоджоуль, полученный при работе электропривода.

На рисунке показана энергетическая диаграмма компрессорной установки*. Как видно из диаграммы, потери энергии в компрессорных агрегатах установки составляют около 50 % мощности, подводимой к их двигателям, и 37 % теряется при транспортировании сжатого воздуха Традиционная схема обеспечения сжатым воздухом всех шахтных пневмоприемников предполагает устройство централизованной компрессорной станции, расположенной на дневной поверхности, как правило, не слишком далеко от ствола шахты.

Как сократить потери при транспортировании пневмоэнергии?

Одним из путей является децентрализация снабжения пневмоэнергией.

Для реализации этого предложения были приняты винтовые компрессоры маслозаполненного типа, которые в настоящее время являются наиболее надежными и экономичными при производстве сжатого воздуха.

Однако применение винтовых компрессоров в подземных условиях потребовало провести целый ряд организационно-технических мероприятий.

В настоящее время на рудниках и шахтах применяются винтовые компрессоры следующих производителей (см. таблицу):

Компрессоры производства ЗАО «Челябинского компрессорного завода» следующих марок: ДЭН-2606ШМ «Шахтер», ДЭН-2145ШМ «Шахтер», ДЭН-21110ШМ «Шахтер», ДЭН-26132 «Шахтер», ДЭН-21200ШМ «Шахтер».

Компрессоры производства ОАО «Казанькомпрессормаш» следующих марок: 6ВВВВ-32/7, 6ВВ-12/9.

Компрессоры производства СП ООО «Орелкомпрессормаш» следующих марок:

УКВШ-5/7 У1, УКВШ-10/7 АУ2, УКВШ-15/7 У1, УКВШ-20/7.

Марка, исполнение тельность, избыточное, ДЭН-21110ШМ «Шахтёр»

ДЭН-26132ШМ «Шахтёр»

ДЭН-21200ШМ «Шахтёр»

Миняев Ю. Н. Энергосбережение при производстве и распределении сжатого воздуха на горных предприятиях. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2010. – 138 с.

УДК

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ФУТЕРОВОЧНОГО ПОКРЫТИЯ СГУСТИТЕЛЯ

ПРИ ОБОГАЩЕНИИ СИЛЬВИНИТОВОЙ РУДЫ

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Рассматривается возможность уменьшения износа конструкции сгустителя с периферическим приводом. Предлагается применение нового вида футеровочного покрытия на основе полимерных смол.

Сгустители, аппараты или устройства для сгущения. По принципу действия разделяются на гравитационные, инерционные, фильтрационные.

Гравитационные сгустители основаны на осаждении в жидкости твёрдых частиц большей плотности, чем жидкость. Распространены радиальные гребковые сгустители (также называются радиальными отстойниками), представляющие собой цилиндрический резервуар, на оси которого установлена загрузочная воронка для подачи суспензии. Осаждающиеся на коническом дне резервуара твёрдые частицы сдвигаются вращающимися на центральном валу гребками (скребками) к отверстиям в центре дна, через которые сгущенная суспензия откачивается насосом. Верхний слой жидкости (слив) переливается через верхние края резервуара в кольцевой жёлоб и удаляется из него самотёком. Радиальные сгустители применяются в химической, горнообогатительной промышленности, гидрометаллургии, а также для очистки сточных вод. Достоинство этих сгустителей — большая степень сгущения, недостаток — значительные размеры резервуаров. Поэтому их строят двух- и трёхъярусными, с одним общим вертикальным валом. Меньшие размеры — у гравитационных сгустителей, основанных на выделении частиц из горизонтальных или наклонных потоков пульпы при определённых скоростях её движения. Непрерывно поступающая в приёмник пульпа попадает далее в наклонный жёлоб, разделённый продольными стенками на ряд более узких желобков.

Продольные стенки ламинизируют (успокаивают) поток, в результате чего частицы под действием силы тяжести стремятся опуститься в нижние слои потока. На сходе с жёлоба поток разделяется горизонтальной плоскостью на нижнюю — сгущенную часть пульпы и на верхнюю — слив. Эти сгустители по степени сгущения уступают радиальным, но выгодно отличаются от них отсутствием подвижных частей. Применяются в обогащении полезных ископаемых для сгущения пульп, содержащих абразивные тонкие частицы.

Из инерционных сгустителей распространение получили гидроциклоны, применяемые для сгущения пульпы, содержащей песок, угольную мелочь и т. д.

В фильтрационных сгустителях сгущение суспензии происходит за счёт удаления части жидкости через фильтрующую поверхность. Эти сгустители могут быть использованы для сгущения систем с твёрдыми частицами любой плотности, в том числе и с плотностью, равной или меньшей плотности жидкости (например, целлюлоза, бумажная масса).

В настоящее время на обогатительной фабрике ОАО «Сильвинит» сгустители типа СП- футеруют металлическим листом марки Ст 45 (S=10 мм), что влечет за собой определенные проблемы при сгущении пульп и суспензий:

большую металлоемкость конструкции, а следовательно большие затраты на замену материала;

абразивный износ и выкрашивание металла, что приводит к его частой замене;

частицы металла постоянно попадают в хвосты, и поэтому приходится проводить определенные мероприятия по очистке хвостов от металлов, а это опять же влечет за собой дополнительные траты средств и времени.

коррозию металла и т. д.

Поэтому на сегодняшний день очень актуален выбор оптимального футеровочного покрытия.

Промышленность покрытий проделала длинный путь от производства мастик на основе модифицированного битума, каучука и растворителей до современных покрытий на основе полиуретана и полимочевины. В течение 30 лет инженеры-химики создали инновационные полимерные смолы, не содержащие в своем составе растворителей, имеющих высокую прочность и относительное удлинение, быстрое время реакции, высокую износостойкость и способность противостоять воздействию химикатов. Сегодняшние современные покрытия, включая полиуретан и полимочевину, являются самыми перспективными среди наиболее продвинутых развитых смол. Полимочевина, больше чем любое другое покрытие на основе полимерных смол, выделяется в многосторонности применения, прочности и долговечности.

Полимочевина — следующий шаг в развитии покрытий.

Основной характеристикой, отличающей реакцию образования полимочевины от полиуретанов, является то, что вместо смол с концевыми гидроксильными группами в качестве компонента А используются смолы с концевыми аминогруппами (рис. 1, 2). Для ускорения реакции образования полиуретанов используют катализаторы. Реакция образования полимочевины проходит очень быстро даже на холодных поверхностях и не нуждается в катализаторах, то есть является автокаталитической. Причем скорость реакции образования полимочевины настолько высока, что значительно превосходит скорость реакции изоционата (Компонент В) с водой, которая является побочной реакцией образования всех полиуретановых систем. Такая побочная реакция сопровождается выделением CO2 и приводит к образованию пор, вспениванию и уменьшению плотности готового покрытия. И поскольку влага в тех или иных количествах присутствует везде – на поверхности и в порах субстрата, в окружающем воздухе и в самом компоненте А, процесс нанесения полиуретановых покрытий является уязвимым, не очень надежным и зависимым от внешних условий.

Большинство традиционных полимерных покрытий наносятся тонкими слоями в несколько проходов с длительной промежуточной сушкой и твердеют только при положительных температурах за время от нескольких часов до нескольких суток.

Полимочевина же затвердевает так быстро, что дает возможность наносить покрытие требуемой толщины (до нескольких миллиметров) быстро, в один заход – без подтеков. Кроме этого, практически сразу после нанесения покрытия на изделие можно перемещаться по нему, совершать его перевозку, сокращая до минимума время простоя и повышая производительность. При этом известно, что полимочевину можно напылять даже на сталь при -20 С. Такая непревзойденно низкая чувствительность полимочевины к температуре окружающей среды и основе, на которую она наносится, делает этот материал незаменимым при проведении изоляционных работ в строительстве и промышленности.

Быстрое время реакции полиурия (5-15 секунд) оставляет полиуретан и материалы из эпоксидной смолы далеко позади. Это — автокаталитический полимер. Быстрое время реакции полиурия позволяет наносимому покрытию не реагировать с влажностью воздуха и влажностью основания, так что материал может быть легко нанесен по холодному или влажному основанию типа стали, бетона, древесины или полиуретановой пены. Быстрое время реакции — большое преимущество полиурия, в отличие от большинства полимерных покрытий, содержащих большие или меньшие количества летучих органических растворителей, а также пластификаторов, катализаторов и других добавок, вызывающих проблемы, связанные с их пожарной опасностью и токсичностью.

УДК 622.

АНАЛИТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ КРИТЕРИЕВ

ОПТИМИЗАЦИИ РАЗМЕРА МЕЛЮЩЕГО ТЕЛА ПРИ ИЗМЕЛЬЧЕНИИ

ГОРНЫХ ПОРОД

ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

В последнее время все больше внимания уделяется вопросу выбора эффективных форм и размеров мелющего тела. Обеспечение оптимального размера мелющего тела является одним из основных условий, определяющих производительность мельницы и качество измельчения.

Известно также, что энергетическая составляющая ударного разрушения породы при измельчении существенно зависит от размера отдельного мелющего тела [2]. В результате исследований и практики были предложены зависимости для определения оптимального размера мелющего шара. Так, Разумов, Олевский и Бонд предложили формулы [3], учитывающие многие факторы. Например, Бондом предложена следующая формула для определения оптимального размера мелющего шара:

где dШ – оптимальный диаметр мелющего тела, мм; d80 — номинальная крупность исходного питания, мм; Wi — индекс работы по Бонду; p — плотность руды, т/м3; — относительная частота вращения мельницы; D — внутренний диаметр барабана мельницы, м.

Диаметр мелющего шара по К. А. Разумову:

где dШ – оптимальный диаметр мелющего тела, мм; d95 — номинальная крупность исходного питания мельниц, мм.

Оптимальный диаметр шара по формуле В. А. Олевского:

где dШ – оптимальный диаметр мелющего шара, мм; dк – максимальный размер зерна готового рудного материала, мкм; d – крупность исходной руды, мм; 6 – эмпирический коэффициент.

Во всех этих формулах оптимальный размер мелющего шара зависит, в первую очередь, от крупности исходного питания. При этом каждый автор в своей формуле вводит свои добавочные переменные, по его мнению, влияющие на необходимый для эффективного измельчения диаметр мелющего шара. Ввиду этого даже при использовании одинаковых исходных данных эти формулы обеспечивают различные результаты. Кроме того, ни в одной формуле не принимается в расчет твердость руды. Хотя очевидно, что более крепкие руды потребуют больших затрат на свое измельчение, чем менее крепкие. Отчасти эту проблему можно решить, применяя для разрушения особо крепких и прочных пород мелющие шары третьей и четвертой групп твердости [1]. Но проблема заключается в том, что шары четвертой группы твердости выпускаются лишь до диаметра в 70 мм, а шары третьей группы твердости для обеспечения высокой поверхностной твердости прокаливаются практически на всю глубину объема и теряют свою вязкость, вследствие чего после накопления напряжений, превышающих предел прочности, разрушаются. Из практики измельчения известно, что чем крупнее и тверже измельчаемый материал, тем более крупных мелющих тел он требует.

Поэтому для интенсификации измельчения особо прочных руд предлагается применять большие мелющие тела, размер которых скорректирован с учетом твердости руды.

Корректировку нужно проводить с использованием поправочного коэффициента, учитывающего твердость руды. Величина коэффициента будет определяться из соотношения твердости материала мелющих шаров и твердости измельчаемого продукта. Для выявления подобных соотношений были проведены соответствующие исследования.

Была определена и приведена к единой системе измерения твердость мелющих шаров и измельчаемых материалов (см. рисунок).