«ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГРУНТОВЫХ НАСОСОВ В УСЛОВИЯХ ГИДРОАБРАЗИВНОГО ИЗНОСА ...»

Министерство образования и наук

и Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ГОРНЫЙ»

На правах рукописи

МЕНЬШИКОВ Сергей Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ГРУНТОВЫХ НАСОСОВ В УСЛОВИЯХ

ГИДРОАБРАЗИВНОГО ИЗНОСА

Специальность 05.05.06 – Горные машины Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

д.т.н., профессор Александров Виктор Иванович Санкт-Петербург –

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА НАДЕЖНОСТИ И ДИАГНОСТИКИ

СИСТЕМ ГИДРОТРАНСПОРТА НА ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ

ПРЕДПРИЯТИЯХ

1.1 Общая характеристика систем гидротранспорта на горнообогатительных предприятиях

1.2 Литературный обзор изученности вопроса надежности гидротранспортных систем

1.3 Анализ работы грунтовых насосов в условиях гидротранспорта хвостов обогащения

1.4 Основные задачи диагностирования гидротранспортного оборудования на горно-обогатительных предприятиях

1.4.1 Методы оценки механической надежности грунтовых насосов........... 1.4.2 Обзор существующих систем вибродиагностики

1.4.3 Примеры встроенных систем технического диагностирования........... 1.4.4 Методы параметрической диагностики грунтовых насосов................. 1.4.5 Автоматизация оперативного контроля параметров работы грунтовых насосов

1.5 Выводы по результатам проведенного анализа, цели и задачи исследования

2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ЭКСПРЕСС-МЕТОДА

ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВОГО НАСОСА В

СИСТЕМАХ ГИДРОТРАНСПОРТА

2.1 Эффективность работы грунтового насоса на основе анализа взаимосвязей между изменениями параметров работы насоса и его техническим состоянием

2.1.1 Характеристики грунтовых насосов при работе в системах гидротранспорта продуктов переработки минерального сырья

2.1.2

Работа объемных сил жидкости и твердой фазы в каналах рабочего колеса

2.1.3 Влияние крупности частиц твердой фазы на отношение скоростей твердых частиц и жидкой фазы гидросмеси

2.1.4 Параметры определяющие величину коэффициента режима движения и гидромеханические потери на трение в каналах рабочего колеса............. 2.2 Коэффициент технического состояния грунтового насоса

2.2.1 Влияние гидроабразивного износа рабочих поверхностей грунтового насоса на величину коэффициента технического состояния

2.2.2 Коэффициент технического состояния грунтового насоса и параметры вибрации

2.3 Планирование экспериментов и анализ экспериментальных

результатов

2.4 Выводы по результатам теоретического исследования

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАВИСИМОСТИ

ВИБРАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

ГРУНТОВЫХ НАСОСОВ В СИСТЕМАХ ГИДРОТРАСПОРТА

3.1 Экспериментальная установка и методика проведения экспериментов. 3.2 Обработка экспериментальных данных по изменению вибрационных характеристик грунтового насоса в процессе гидроабразивного изнашивания

3.2.1 Экспериментальное определение зависимости ресурса грунтового насоса от параметров вибрации

3.2.2 Экспериментальное определение зависимости коэффициента технического состояния грунтового насоса от параметров вибрации.......... 3.3. Выводы по результатам экспериментальных исследований..................

4 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО

СОСТОЯНИЯ НАСОСНОГО ОБОРУДОВАНИЯ ПУЛЬПОНАСОСНЫХ

СТАНЦИЙ НА ОСНОВЕ СОВМЕСТНОГО АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

КОНТРОЛЯ ВИБРАЦИОННЫХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ

4.1 Разработка структуры диагностирования технического состояния грунтовых насосов на основе анализа эксплуатационных параметров ........ 4.2 Разработка структуры диагностирования технического состояния грунтовых насосов на основе анализа вибрационных сигналов

4.3 Разработка структуры экспресс-диагностики технического состояния грунтовых насосов на основе анализа эксплуатационных параметров и вибрационных сигналов (коэффициента технического состояния грунтового насоса)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А………………………………………………………………... ПРИЛОЖЕНИЕ Б…………………………………………………………………

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы Гидравлический транспорт на предприятиях горно-обогатительной промышленности России является важным звеном технологического процесса добычи и переработки минерального сырья. Этот вид транспорта оправдал себя в качестве экономичного и эффективного внутрифабричного и магистрального способа транспортирования, а эксплуатируемые в настоящее время гидротранспортные системы являются конкурентоспособными в сравнении с другими способами транспортирования.

Анализ работы гидротранспортных систем на горных предприятиях показывает, что эффективность использования этого вида транспорта не соответствует его техническим возможностям: высока трудоемкость работ при эксплуатации оборудования, высок гидроабразивный износ грунтовых насосов и трубопроводов, низок рабочий ресурс насосов, высоки металлоемкость и энергоемкость гидротранспортных систем.

Главной причиной недостаточной эффективности гидравлического транспорта является гидроабразивный износ рабочих колес применяемых грунтовых насосов, что вызывает нарастающий уровень вибрации насосов, снижение напорных характеристик, общего технического состояния гидротранспортной системы и как результат - низкий рабочий ресурс насосов, не превышающий 500 часов непрерывной работы. В настоящее время в условиях эксплуатации гидротранспортных систем на горно-обогатительных предприятиях возникла необходимость диагностического контроля и проведения работ по оценке фактического технического состояния грунтовых насосов и оценке остаточного ресурса насосных агрегатов пульпонасосных станций, что требует дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.

Цель работы Целью работы является разработка метода экспресс-диагностики грунтовых насосов в системах гидротранспорта горных предприятий на основе анализа факторов, определяющих гидроабразивный износ рабочего колеса, и вибрационных характеристик насосных агрегатов для повышения надежности эксплуатации гидротранспортных систем.

Основные задачи

работы - установить фактические сроки службы и основные причины отказов насосного оборудования гидротранспортных систем на основе анализа статистических данных горно-обогатительных комбинатов;

- определить факторы, влияющие на эффективность и надежность работы грунтовых насосов в системах гидротранспорта;

- теоретически и экспериментально определить степень влияния выявленных факторов на ресурс насосного оборудования;

- определить критические значения рассматриваемых параметров для дальнейшего их рассмотрения в качестве предмета для диагностирования;

- разработать и обосновать метод экспресс-диагностики грунтовых насосов в системах гидротранспорта горных предприятий на основе выявленных закономерностей влияния гидроабразивного износа рабочего колеса на вибрационные характеристики насосных агрегатов.

Методы исследования Решение поставленных задач проводилось постановкой теоретических и экспериментальных исследований. Статистические данные по наработке грунтовых насосов в системах гидротранспорта, полученные на горнообогатительных комбинатах, обрабатывались методами математической статистики и регрессионного анализа.

Основные защищаемые положения 1. В качестве критерия периода нормальной эксплуатации грунтового насоса может быть принят коэффициент технического состояния, равный относительному напору при работе насоса на гидросмеси.

2. Коэффициент технического состояния грунтового насоса может быть представлен как функция текущего расхода и среднеквадратичного значения виброскорости.

Научная новизна - развитие методов оценки технического состояния грунтовых насосов в системах гидротранспорта, на основе полученных теоретических и экспериментальных зависимостей напорных характеристик от времени работы насоса и вибрационных характеристик, обусловленных гидроабразивным износом рабочего колеса.

- теоретические зависимости коэффициента технического состояния грунтовых насосов в системах гидротранспорта, определяемые режимом течения гидросмеси в проходных каналах рабочего колеса, крупностью твердых частиц гидросмеси и их концентрацией, в виде произведения механической и гидравлической составляющих.

Практическая ценность работы - экспресс-метод оценки рабочего состояния грунтового насоса в системе гидротранспорта по величине коэффициента технического состояния, измеренным значениям времени наработки и вибрационных характеристик рабочего колеса в заданном диапазоне (СКЗ) виброскорости.

- расчетные зависимости коэффициента технического состояния грунтовых насосов как функции времени наработки, развиваемого напора и изменения среднеквадратичных значений (СКЗ) виброскорости, полученные на основе обработки опытных данных методами регрессионного анализа.

1 АНАЛИЗ ИЗУЧЕННОСТИ ВОПРОСА НАДЕЖНОСТИ И

ДИАГНОСТИКИ СИСТЕМ ГИДРОТРАНСПОРТА НА

ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ

1.1 Общая характеристика систем гидротранспорта на В горнорудной промышленности неотъемлемой частью обогатительного производства является гидротранспортирование концентратов, пульп и хвостов обогащения.

Гидравлический транспорт на предприятиях горной промышленности является важным звеном технологического процесса добычи и переработки минерального сырья. Этот вид транспортирования обеспечивает передачу насыпных материалов без перегрузки по трассам сложного профиля и большой протяженности.

Системы гидротранспорта хвостов переработки минерального сырья по технологическим признакам можно классифицировать следующим образом:

• внутритехнологические, применяемые при добыче, обогащении и складировании продуктов обогащения и отходов переработки минерального сырья;

• дальнего гидротранспорта руды, угля, концентратов, водоугольных суспензий и других дробленых и измельченных материалов на десятки и сотни километров.

К внутритехнологическому гидравлическому транспортированию относятся системы, обеспечивающие внутрицеховые и внутрифабричные потребности технологического процесса переработки сырья. В основном это системы гидравлического транспортирования промпродукта.

Примером дальнего (магистрального) гидротранспорта является гидравлическое транспортирование угля из штата Кентукки до северной части Флориды (США) на расстояние 2400 км с производительностью системы 45 млн.

т/год; магистральный трубопровод ВУС (водоугольных суспензий) БеловоНовосибирск, протяженностью 262 км, с производительностью 900 т/ч [3] и др.

В зависимости от рельефа и дальности транспортирования хвостов от обогатительной фабрики до места складирования (потребителя, терминального устройства) схемы гидротранспорта могут быть:

• одноступенчатые - без промежуточных перекачных станций;

• многоступенчатые, выполняемые с промежуточными емкостями (зумпфами) или без них (по схеме “насос в насос”).

В зависимости от направления уклона местности схемы гидравлического транспортирования подразделяются на:

• с использованием естественного уклона местности, когда обогатительная фабрика расположена выше хвостохранилища (самотечные);

• с преодолением естественного геометрического уклона местности, когда обогатительная фабрика расположена ниже хвостохранилища или терминального устройства (напорные);

• комбинированные, сочетающие первые две схемы (напорно-самотечные) В зависимости от способа подготовки гидросмеси к транспортированию схемы гидротранспорта разделяются на две группы:

• со сгущением пульпы до концентраций, соответствующих расчетному режиму гидравлического транспортирования и процессу обогащения при использовании оборотного водопотребления;

• без сгущения хвостовой пульпы.

Приведенную классификацию существующих систем гидравлического транспортирования минерального сырья на предприятиях горной промышленности можно изобразить схемой, как показано на рисунке 1.1.

Характеристики гидротранспортных систем некоторых горнообогатительных комбинатов приведены в таблице 1.1.

Рисунок 1.1 - Классификация систем гидротранспорта по Режим работы трубопроводов систем гидротранспорта определяется исходными технологическими данными по количественному и качественному составу хвостовой пульпы, поступающей из обогатительного процесса, а также размерами (диаметром) трубопроводов и условиями работы: с заилением или без заиления проходного сечения трубопровода и расчетными параметрами потока смеси: средней скоростью, критическим гидравлическим уклоном и гидравлическим уклоном, соответствующими средней скорости потока гидросмеси. Параметры потока гидросмеси в трубопроводе зависят от состояния его внутренней поверхности с учетом возможных колебаний исходных т технологических данных, расчетных параметров и режимов работы трубопроводов и соответствуют принятой расчетной модели взвесенесущего потока. В настоящее время расчеты параметров и режимов гидравлического транспортирования продуктов переработки минерального сырья производятся по методике ИГМ АН Украины с применением программы “Гидрон”, разработанной в институте Механобр. Параметры действующих систем гидротранспорта продуктов переработки минерального сырья на отечественных и зарубежных горных предприятиях приведены в таблице 1.2. Из приведенных данных следует, что системы гидротранспорта работают на низких концентрациях твердого материала в потоке гидросмеси. Средние значения объемной концентрации и плотности смеси не превышают, соответственно, 8 % и 1150 кг/м3 [5]. Такие низкие средние значения концентрации смеси снижают техникоэкономическую эффективность систем гидравлического транспорта, что в итоге сказывается на себестоимости конечного продукта (концентрата, металла и др.).

В технологии гидротранспорта еще недостаточно используется дозировка подачи материала в трубопровод, а также регулировка и контроль параметров, вследствие чего, как правило, гидротранспортные системы горных предприятий работают в не экономичных и неустойчивых режимах. Средний расход воды на транспортирование, например, 1 м3 хвостов переработки руд составляет 12- м3; песчано-гравийных материалов 15-20 м3; песка 12-18 м3. Удельный расход электроэнергии при транспортировании 1 м3 угля составляет 24-26 кВтч; песчано-гравийных смесей - 4,9-6,6 кВтч; хвостов обогащения - 21,4 кВтч; песка кВтч [1]. При гидротранспорте горных пород средние удельные показатели капиталовложений на 1 м3 транспортируемого материала составляют от 2900 до 7100 руб/м3, из этой суммы 43% составляют затраты на технологическое оборудование, затраты на электроэнергию достигают 55%, на заработную плату от 35 до 42 %. На рисунке 1.2 приведена диаграмма относительных удельных показателей гидротранспорта на отечественных и зарубежных предприятиях; на рисунке 1.3 - диаграмма относительных эксплуатационных затрат по основным статьям расходов на гидравлическое транспортирование минерального сырья на ряде карьеров.

Таблица 1.1 - Характеристики систем гидротранспорта некоторых Алмалыкский Джезказганский лиметалл”:

Таблица 1.2 - Параметры гидротранспорта продуктов переработки минерального сырья на отечественных и зарубежных предприятиях горной промышленности обогащения метр), км (мм) перепад, (м) материала, частиц, (концентр.) скорость, м/c) системы Продолжение таблицы 1. Продукт провод, дли- ческий твердого диаметр ность сме- м3/с (средняя Режим работы системы Уклон, нефелиновые Хвосты золотой Фредди Сауш, Железная руда (Пенсильва-ния, Рисунок 1.2 - Относительные удельные показатели гидротранспорта Рисунок 1.3 - Относительные эксплуатационные затраты по общей себестоимости гидротранспорта на карьерах.

1. Кедровский, 2. Бачатский, 3. Батуринский, 4. Назаровский, 5. Петровский, 6. Керамблок, 7. Корчеватовский.

Экономические показатели ряда передовых предприятий свидетельствуют, что повышение технико-экономической эффективности гидравлического транспортирования достигается при снижении удельного расхода воды и повышении концентрации твердого материала. При гидравлическом транспортировании, например, мелкофракционных закладочных материалов на шахтах Верхне-Силезского угольного бассейна концентрация твердых частиц составляет 45 - 53 % объема закладочной смеси. Такие показатели способствуют резкому снижению удельной энергоемкости процесса гидравлического транспортирования и повышению эффективности добычи и переработки горной массы на данном горном предприятии.

1.2 Литературный обзор изученности вопроса надежности Проблема надежности работы гидротранспортных систем на горнообогатительных предприятиях России, в настоящее время является одной из наиболее актуальных. Анализу технического состояния систем технологического оборудования, а также вопросу повышения их надежности посвящено большое количество работ, разработанных ведущими отечественными и зарубежными специалистами и научно-исследовательскими институтами.

Рассматриваемая задача, несомненно, имеет несколько обособленных путей решения. Исходя из этого, к настоящему времени сформировалось несколько основных направлений исследований в области, занимающейся вопросами надежности и оценки технического состояния гидротранспортных систем хвостов обогащения рудного сырья и применяемого оборудования.

К первому направлению можно отнести работы, посвященные вероятностно-статистической теории надежности, в которых дается формализованный подход к определению основных понятий теории надежности, различные подходы при определении характеристик надежности, методы проверки гипотез и теория резервирования. Примером данного направления может служить книга Дж. Сандлера [54] по теории проектирования сложных систем с заданными показателями надежности. В данной работе значительное место отведено моделям обслуживаемых систем, которыми, в свою очередь и являются технологические узлы горно-обогатительных комбинатов и фабрик.

Представляет интерес книга И. Базовского [10], дающая определение «эффекту перемешивания». Данный эффект проявляется в условиях работы оборудования обогатительных предприятий. Методы исследования и определения количественных показателей надежности технологических узлов гидротранспортных систем изложены в работе Н.Н. Болошина и В.И. Гашичева [15]. Приводятся определения и классификация отказов, выбор и расчет показателей надежности узлов и оборудования.

В работе [7] рассмотрены показатели грунтового насоса, а также предложена методика оптимизации показателей качества насосных агрегатов.

Исследованию надежности насосных установок, применяемых в системах водоотлива посвящены работы Ботаногова А.Я [13], Виноградова В.В.

[17], Заика В.Т. [28], Звягина В.С. [30], Зарипова А.Х. [29].

Применительно к данной работе, представляет большой интерес направление исследований, посвященное вопросам изучения параметров надежности, определяемых гидроабразивным износом гидротранспортного оборудования. Во многом данный интерес вызван потому, что дальнейшее изложение предлагаемых направлений и методов экспресс-диагностики насосного оборудования тесно связано с установлением изменения его технического состояния, что в свою очередь напрямую зависит от степени и интенсивности износа элементов агрегата.

Надежность работы гидротранспортных установок, с учетом данного аспекта, рассмотрены в трудах В.Н. Покровской [49, 50]. Проанализировано изменение вероятности безотказной работы от степени гидроабразивного износа и времени эксплуатации данных установок. Автор выделяет три периода изменения надежности системы: шлифовка насоса, поверхности труб и других элементов, период стабилизации потока, имеющий наибольшую продолжительность и период предельного износа, когда число отказов резко увеличивается.

Обосновывая механизм гидроабразивного изнашивания, автор отмечает, что степень износа пульпопроводов во многом определяется направленностью траектории движения частиц и потока жидкости относительно рассматриваемой поверхности. Данный факт обуславливается действием на частицы двух сил: гидродинамической и центробежной. Показано, что гидроабразивный износ является следствием ударного воздействия потока или трения частиц, в зависимости от режима транспортирования. Также, большое влияние на процесс воздействия частиц оказывает концентрация и скорость движения потока гидросмеси.

По результатам эмпирических исследований, автором была получена информация о распределении локальных концентраций и продольных скоростей по сечению трубопровода, которые носили параболический и экспоненциальный характер.

Исследованию закономерностей гидроабразивного изнашивания рабочих колес грунтовых насосов в условиях Раздольского ГОКа и Окского карьероуправления нерудной промышленности посвящена работа Мизенина В.Я.

[22]. Автором был сделан вывод о существенном влиянии вибрации агрегата в условиях кавитации на сроки службы деталей насоса.

Схожие вопросы затрагиваются в трудах Карлина Б.И. [37], где была выявлена эмпирическая зависимость относительной убыли веса рабочего колеса от количества, перекачиваемой насосом среды.

Гидроабразивному изнашиванию элементов системы гидротранспорта Магнитогорского ГМК посвящены труды Ивановой Т.Д. и Бороховича А.И.

[32-35, 48, 16].

В своей работе Смойловская Л.А. [26] объясняет местный эрозионный износ элементов проточной части насосов неудовлетворительной конструкцией каналов, а также несовершенством профиля рабочего колеса и, что немаловажно, физико-механическими свойствами перекачиваемой жидкости.

Существенный вклад в изучение вопроса гидроабразивного износа ввел Турчанинов С.П., проводивший обширные исследования в лабораторных и промышленных условиях, в области транспортирования угля и закладочных смесей.

В работе [66] автор отмечает, что изнашивание стенок трубопроводов взвесенесущими потоками происходит, главным образом, в результате соударений с ними твердых частиц, а также вследствие трения частиц при скольжении их по стенкам. Схожие модели движения частиц рассматривались в трудах Смолдырева А.Е [60, 61]. Результаты эксперимента находили свое подтверждение визуальным анализом образов из мягких металлов и сплавов (используя при этом транспортный материал крупностью до 12 мм).

Подобный характер износа также описан в работах зарубежных авторов S.

Hattori [75], Dube N.B. [74], Yao M. [80], Sherington I. [78], Karimi A. [77], Hoppel H.W. [76], Suchanek J. [79].

Анализ работ по направлению исследования гидроабразивного износа гидротранспортного оборудования, в общем, раскрывает повышенный интерес к данной проблеме. Однако стоит отметить, что в связи с отсутствием единой теории гидроабразивного изнашивания рабочих поверхностей трубопроводов, грунтовых насосов, дальнейшее развитие данного вопроса происходило путем накопления эмпирических данных и мультипликации исследований при различных типах абразива и изнашиваемой поверхности. Базируясь на этих исследованиях построены зависимости, которые с некоторой степенью приближения отражают физическую сущность процесса гидроабразивного износа, но имеют в своем составе многочисленные эмпирические коэффициенты и ряд допущений, вследствие чего, порою, их авторы приходят к различным выводам.

Следующее направление исследования гидротранспортного оборудования связано с рационализацией параметров и режимов работы грунтовых насосов. К данному направлению, в основном, относятся исследования, проведенные в условиях гидромеханизации. Показано, что для комплексного решения проблемы повышения ресурса грунтовых насосов требуется не только конструктивное усовершенствование проточной части агрегата (в том числе применение износостойких материалов), но и рационализация эксплуатационных режимов насосного оборудования.

К данному направлению относятся труды Ю.Д. Баранова [12], А.И. Бороховича [16], С.П. Козырева [39], А.И. Золотаря [31].

Авторами подчеркивается, что для каждого конкретного случая, увязанного с определенными горнотехническими условиями, необходимо проводить технико-экономическое обоснование рационального эксплуатационного режима.

Несмотря на такое пристальное внимание со стороны научной общественности к данной проблеме, рассматриваемая задача повышения надежности гидротранспортного оборудования по-прежнему не имеет всестороннего комплексного решения. Готовые к внедрению разработки и проекты, в данной области, для российской промышленности и вовсе практически отсутствуют.

1.3 Анализ работы грунтовых насосов в условиях гидротранспорта В связи с выработкой установленного ресурса и моральным устареванием технологического оборудования, в настоящее время, в нашей стране главной причиной отказов в работе систем гидротранспорта является низкая механическая надежность рабочих устройств. По этой причине происходит до 80% аварий и отказов оборудования, треть из которых приходится на грунтовые насосы [34]. Имея большие производственные объемы, крупнейшие горно-обогатительные комбинаты России: Качканарский, Магнитогорский, Михайловский и др. несут огромные убытки из-за обозначенной выше проблемы.

Убытки предприятий складываются из затрат на ремонт технологического оборудования, убытков от простоя гидротранспортного комплекса, а также чрезмерных энергетических затрат при работе оборудования на неоптимальных режимах.

Продолжительность простоев, вследствие отказов гидротранспортного оборудования по перекачке пульп и хвостов обогащения в горнообогатительном производстве составляет десятки тысяч часов, а экономический ущерб исчисляется сотнями миллионов рублей [65].

Экономические показатели гидротранспорта рудных хвостов обогащения, полученные по статистическим данным Алмалыкского ГМК свидетельствуют о том, что в числе общих эксплуатационных расходов, наибольшее влияние оказывают затраты на ремонт грунтовых насосов, которые составляют 40-50%, в то же время убытки от простоев всего гидротранспортного оборудования достигают 65-70%.

Данные по аварийным ситуациям на пульпонасосных станциях в системе гидротранспорта хвостов МОФ ГМК «Алмалык» приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3 - Данные по аварийным ситуациям МОФ ГМК «Алмалык»

п.п. станциях Отключение электроэнергии Разрыв или протечка на пульпопроводе внутри Остановка электродвигателя насоса или самого Отказ подачи масла в насос и электродвигатель Многолетние наблюдения за среднестатистическими сроками службы основных деталей грунтовых насосов, в условиях хвостовых хозяйств Качканарского, Алмалыкского и Костомукшского горно-обогатительных комбинатов, в период с 2005 по 2010 г.г. приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4 - Среднестатистические сроки службы деталей грунтовых Наименование деталей Корпус (спиральный отвод) Сальниковые уплотнения Сроки службы деталей насосов в условиях гидромеханизации (по литературным источникам [70], [72]), приведены в таблице 1.5.

Таблица 1.5 - Средние сроки службы деталей насосов по литературным № лит. Наименование Приведенные данные в таблицах 1.4, 1.5 показывают, что самым напряженным узлом грунтовых насосов является рабочее колесо.

Ресурс рабочих колес для различных условий эксплуатации грунтовых насосов изменяется от 780 до 1320 часов непрерывной работы [64]. Износ рабочих колес, в свою очередь, вызывает значительные вибрационные напряжения, передаваемые опорным узлам насосной установки – подшипникам, срок службы которых резко снижается.

В условиях гидромеханизации, при проведении вскрышных работ на карьерах, по данным литературных источников [4], [6], [45], [47], [69], [46], при перекачке песчано-гравийной массы, сроки службы рабочих колес насосов, примерно в 1,5-2,5 раза ниже, чем корпусов насосов (отводов). На горнообогатительных комбинатах, при перекачке хвостов обогащения, сроки службы рабочих колес, напротив, в 1,5-2 раза выше.

Данные таблицы 1.6 по наработке грунтовых насосов не противоречат известным экспериментальным результатам [51].

Существенный объем работ по исследованию надежности грунтовых насосов на ряде горно-обогатительных комбинатов выполнен в отраслевой лаборатории гидравлического транспорта руды и продуктов её переработки в Ленинградском Горном институте [20]. По данным выполненных исследований было установлено, что наработка рабочих колес грунтовых насосов на Алмалыкском ГМК составляет 1107 ч., корпусов – 471 ч., на Оленегорском ГОК, соответственно, 500 и 240 ч., на АНОФ-2 (комбинат «Апатит») – 1404 и 143 ч. Авторами делается заключение о том, что средний ресурс рабочих колес превышает среднюю наработку корпусов в два и более раза.

Данные по причинам отказов деталей грунтовых насосов на Алмалыкском ГМК сведены в таблице 1.7 [51].

Из приведенных данных следует, что основной причиной отказов грунтовых насосов (до 75%) является гидроабразивный износ основных деталей – рабочих колес, корпусов, передних крышек [34].

Значительный гидроабразивный износ деталей насосов является следствием высоких абразивных свойств перекачиваемой среды. Важно отметить, что факторы, являющиеся следствием гидроабразивного износа основных элементов гидротранспортной системы и приводящие в итоге к её отказу, исследованы недостаточно. В качестве примера следует привести разбалансировку приводного вала рабочего колеса. Следствием данного фактора является повышенная вибрация элементов грунтового насоса, которая, выходя за рамки допустимых параметров вибрационного спектра, приводит к отказу насоса и всей гидротранспортной системы в целом.

Таблица 1.6 - Причины отказов деталей грунтовых насосов 20 Гр-8Т Причины отказов Средний % выхода из строя деталей и узлов грунтового насоса 1. Износ деталей:

Несовершенство конструкции - слабые опорные узлы - крепление рабочих колес насосов 3. Недостатки эксплуатации и - смазка подшипников - контроль вибрации Примечание: за 100% принималось общее количество деталей одного наименования, находящегося в эксплуатации.

Выявление данных факторов, влияющих на надежность рассматриваемого оборудования, а также определение критических значений параметров работы грунтовых насосов – залог успешного осуществления поставленной задачи разработки методов экспресс-диагностики грунтовых насосов.

Другими характерными причинами отказов являются некачественные уплотнения, несовершенство конструкции крепления рабочего колеса на валу насоса и подшипниковых узлов, а также отсутствие системы диагностики и контроля состояния оборудования в процессе эксплуатации.

1.4 Основные задачи диагностирования гидротранспортного оборудования на горно-обогатительных предприятиях В большинстве случаев указанные в предыдущем разделе отказы можно предупредить при правильно организованной системе диагностики гидротранспортного оборудования.

Техническая диагностика является составной частью технического обслуживания. Основной задачей технического диагностирования является сокращение затрат на техническое обслуживание объектов, и на уменьшение потерь от простоя в результате отказов. Техническая диагностика гидротранспортного оборудования призвана обеспечить надежность и эффективность транспорта твердых частиц.

Как было отмечено выше, выработавшее рабочий ресурс оборудование является причиной снижения общей надежности системы, что приводит к значительному перерасходу энергии, затрачиваемой на транспортировку среды. Следствием этого является снижение экономической эффективности данного вида трубопроводного транспорта. Поэтому проблема надежности работы технологического оборудования тесно связана с энергетической эффективностью гидротранспорта. Отсюда можно сделать вывод о непосредственном влиянии надежности и технического состояния оборудования предприятий горно-обогатительного комплекса на эффективность транспортировки пульпы. Поэтому диагностирование параметров работы гидротранспортного оборудования имеет определяющее значение для снижения энергетических затрат и повышению общего уровня надежности системы.

Как было показано, наименее надежным звеном гидротранспортной системы являются грунтовые насосы. Повышение уровня надежности грунтовых насосов, как основного элемента системы гидротранспорта, посредством организации современной методики диагностики насосных агрегатов, является залогом бесперебойной и эффективной работы горнообогатительных предприятий.

Основываясь на вышесказанном, а также на многолетнем опыте эксплуатации гидротранспортных систем можно сделать вывод, что оптимизация режимов работы насосного оборудования, с одновременным решением задачи по снижению энергетических затрат, невозможна без создания единой унифицированной методики комплексной диагностики технического состояния грунтовых насосов.

Технически возможной представляется организация службы диагностики грунтовых насосов, осуществляющая контроль по двум направлениям:

- механическая надежность насосов (методы вибрационной диагностики, трибодиагностики, неразрушающего контроля);

- эффективность транспортировки среды (методы параметрической диагностики).

1.4.1 Методы оценки механической надежности грунтовых насосов Одним из весьма эффективных методов неразрушающего контроля является визуальный метод с помощью бороскопов. Используя бороскопы можно провести быстрое и высокоточное визуальное диагностирование и исследование труднодоступных полостей перекачивающего оборудования без разборки и вскрытия насоса. Эндоскопирование проводится для обнаружения следов коррозии, трещин, эрозии и инородных предметов в проточной части агрегата. Недостатком метода является необходимость остановки оборудования, что в определенной степени ограничивает его использование [71].

Определенную и достаточно полезную информацию о техническом состоянии грунтового насоса можно получить путем анализа отработанного масла, позволяющего судить о степени износа трущихся деталей агрегата по наличию в отработанном масле различных механических примесей. Масло, омывая трущиеся детали насоса, выносит с собой частицы разрушенного материала, в связи с чем оно по праву может быть носителем информации о появлении неисправностей в деталях и темпах их износа. Состояние масла в маслосистеме может быть определено только при организации соответствующей службы на пульпонасосной станции.

Методы акустической диагностики, использующие в качестве информации шум работающего грунтового насоса и его элементов, позволяют при регистрации общего спектра определять вновь появившиеся в процессе эксплуатации, из-за каких-либо неисправностей, новые источники шума и по ним оценивать изменения состояния рабочего колеса, подшипников, корпуса и т.п.

Большое внимание на практике всегда уделяется виброобследованию агрегата, так как вибрационное состояние насосного оборудования является одним из основных показателем, характеризующих состояние элементов грунтового насоса. Вибрационный сигнал является, как известно, носителем информации о различных колебаниях в узлах и деталях объекта. Способность предупреждать появление неисправностей в агрегате выгодно отличает этот вид диагностики от всех ранее указанных.

Спектр вибрации работающего агрегата имеет весьма широкий диапазон, зависящий от множества факторов: частоты вращения узла, зубчатых колес, подвижных элементов двигателя, турбулентных характеристик потока рабочего тела и т.п. В зависимости от конструктивного исполнения грунтового насоса, его сборки и монтажа, условий эксплуатации, вибрация элементов установки может быть самой различной. В некоторых случаях вибрация может стать такой значительной, что заставит пойти на вынужденную остановку агрегата. В противном случае повышенная вибрация может привести к быстрому износу и разрушению узлов агрегата, прежде всего тех, которые в наибольшей степени подвержены вибрации – подшипники, рабочее колесо, корпус насоса.

Эффективность вибрационного метода диагностики можно заметно повысить при наличии исходной эталонной спектрограммы, полученной с грунтового насоса при начале его эксплуатации. Путем наложения спектрограммы, полученной в процессе эксплуатации, на эталонную спектрограмму позволяет проследить, какие параметры вибрации и насколько они отклонились от эталонных, а также определить причину их возникновения и, главное, предупредить развитие вибрации узлов и деталей насосного оборудования, своевременно остановив, при необходимости агрегат.

1.4.2 Обзор существующих систем вибродиагностики По уровню решаемых задач и конструктивному исполнению следует выделить три группы средств диагностирования [56].

Портативные приборы, предназначенные для контроля одного или нескольких диагностических параметров. Используются ремонтными службами для получения оперативной информации о состоянии оборудования.

Анализаторы - позволяют выполнить детальный анализ диагностических параметров. На основании полученной информации проводится обнаружение повреждений на ранней стадии развития. Данные приборы используются специализированными подразделениями - службами технического диагностирования и наладки оборудования.

Встроенные системы технического диагностирования - позволяют осуществлять непрерывный контроль над состоянием оборудования в реальном времени.

В случае контроля одного параметра, устанавливается блок контроля, измеряющий и сравнивающий текущее и заданное значение параметра. При превышении заданного уровня включается звуковая сигнализация; возможна остановка оборудования.

Если количество точек возрастает, их контроль однотипен и выполняется по определённой программе, наиболее целесообразным является соединение измерительной (датчики, линии связи, предусилители) и вычислительной (персональный компьютер) систем.

Возможность использования цифровых технологий позволяет реализовать контроль диагностических (вибрация, температура) и технологических (расход, давление) параметров. В связи с этим появляется возможность постоянного контроля, запоминания, отслеживания тенденций в развитии диагностируемых параметров, что является информативной основой управления технологическим процессом.

1.4.3 Примеры встроенных систем технического диагностирования Обзор существующих стационарных систем вибромониторинга показал, что лидерами в разработке приборов и комплексов в данной области диагностирования являются компании «SPM Instrument» (Швеция), «Brel & Kjr» (Дания), «Schenck» (Германия).

В качестве наиболее характерной системы мониторинга состояния роторного оборудования, находящегося в режиме длительной эксплуатации, может быть рассмотрена стационарная система CMS-Intellionova («SPM Instrument», Швеция).

Система CMS-Intellinova является стационарной измерительной системой, предназначенной для мониторинга и диагностики состояния производственного оборудования. CMS-Intellinova работает совместно с компетентным программным обеспечением Condmaster Nova, которое осуществляет управление системой, а также производит сбор, обработку, сохранение и оценку результатов измерений.

Данный комплекс обладает элементами защиты и включает стационарные системы CMM и MG-4 (рисунок 1.4, рисунок 1.5).

Рисунок 1.4 - Структура информационно-измерительной системы CMM Рисунок 1.5 - Структура информационно-измерительной системы MG- Система CMS-Intellinova может выполнять многофункциональный мониторинг и диагностику состояния производственного оборудования с использованием различных методов измерений, включая:

- метод ударных импульсов SPM dBm/dBc;

- метод ударных импульсов SPM LR/HR;

- спектральный анализ ударных импульсов SPM Спектр;

- измерения общей интенсивности вибрации по стандарту ISO 2372;

- измерения общей интенсивности вибрации по стандарту ISO 10816, включая упрощенный спектральный анализ вибрации;

- многофункциональный спектральный анализ вибрации с автоматизированной оценкой состояния оборудования EVAM;

- анализ орбит;

- измерения аналоговых сигналов стандартного формата от различных датчиков и источников.

Основным полевым узлом структуры системы CMS-Intellinova является системный блок, включающий в себя управляющий блок и несколько различных измерительных блоков, к которым подключены кабельные линии от датчиков, установленных на контролируемом оборудовании. Неограниченное количество системных блоков может быть объединено в общую единую систему.

Системные блоки объединяются в общую систему посредством сети Ethernet, к которой также подключается компьютер с управляющим программным обеспечением Condmaster Nova и с программой связи LinX. Задания на измерения формируются в программе Condmaster Nova, после чего программа связи LinX передает их в соответствующие системные блоки.

Система CMS-Intellinova включает в себя OPC Data Access, с помощью которого может производиться обмен данными с системами АСУ, SCADA, базами данных, измерительными устройствами и таблицами данных.

Система CMS-Intellinova автоматически выполняет самотестирование своей функциональности и самотестирование состояния измерительных линий от датчиков для выявления возможных неисправностей.

Проводя анализ современных систем вибромониторинга, производимых разными фирмами, можно отметить родственную схожесть применяемых технологических схем диагностирования. Например, рассмотренная выше стационарная система CMS-Intellionova («SPM Instrument», Швеция) по своей структуре практически идентична модульной системе вибромониторинга Vibrocam 5000, рисунок 1.6 («Schenck», Германия) и системе защиты Compass-6000 («Brel & Kjr», Дания), рисунок 1.7.

В состав данных систем входят следующие характерные элементы:

- первичные датчики, измеряющие виброскорость, виброускорение, вибросмещение, осевое положение, относительное и абсолютное расширение, температуру подшипника, параметры процесса;

- блоки коммутации измеряемых параметров (CMS-Intellinova, VCVibrodau 5000), имеющие элементы защиты и возможность самостоятельной работы;

- блок преобразования информации и согласования входных сигналов с ПК;

- программное обеспечение (Condmaster Nova, Compass-6000, Vibroexpert СМ-510), устанавливаемое на ПК для мониторинга и диагностирования состояния оборудования.

Рисунок 1.6 - Структура системы вибромониторинга Vibrocam Рисунок 1.7 - Структура системы мониторинга Compass- 1.4.4 Методы параметрической диагностики грунтовых насосов Оценку технического состояния насосного оборудования целесообразно проводить при помощи параметрических методов, основанных на измерении гидродинамических параметров рабочего цикла грунтового насоса. Параметрическая диагностика достаточно широко используется как в задачах оперативного контроля работы ГПА в газодобывающей промышленности, так и при проведении энергетических обследований компрессорных станций.

В настоящее время на КС используется постоянно действующая система измерения параметров работающих агрегатов по ГТУ и нагнетателю [71].

На станциях периодически измеряют параметры рабочего тела P, T по тракту ГТУ, параметры газа P, T по тракту нагнетателя, параметры окружающей среды. Однако, на КС пока не организована система комплексной оценки состояния агрегатов, например, по мощности или по расходу топливного газа, прежде всего из-за сложности достоверного определения расхода рабочего тела по ГТУ и транспортируемого газа по нагнетателю. Использование успешного опыта диагностирования перекачивающих агрегатов, накопленного в газовой промышленности, при одновременном создании комплексной системы оценки технического состояния грунтовых насосов, станет большим шагом в развитии диагностики горно-обогатительного производства, что позволит обеспечить надежное, бесперебойное функционирование оборудования.

Следует также отметить, что большинство методов параметрической диагностики опираются на паспортные характеристики соответствующих агрегатов.

В процессе эксплуатации характеристики агрегатов могут меняться. На рис 1.8 представлена характерная зависимость коэффициента технического состояния Кс грунтового насоса ГрТ 8000/71 Качканарского ГОК от времени наработки T с учетом проводимых ремонтов.

Рисунок 1.8 - Диаграмма зависимости изменения коэффициента технического состояния Кс от времени наработки Т Как видно из рисунка, зависимость Kc(T) явно не монотонная. После проведения очередного ремонта коэффициент технического состояния скачкообразно увеличивается. Однако, полного восстановления не происходит.

Следует отметить, что зависимость Kc(T) может быть получена только на основании постоянного контроля параметров работы конкретного грунтового насоса. Отклонение коэффициента технического состояния от единицы указывает на то, что реальные параметры работы насосного оборудования не соответствуют паспортным значениям. Поэтому, методы диагностирования, основанные на паспортных характеристиках, могут приводить к смещенной оценке энергетической эффективности его работы.

1.4.5 Автоматизация оперативного контроля параметров работы В настоящее время на пульпонасосных станциях отсутствуют автоматизированные системы сбора, обработки и хранения данных о параметрах работы отдельных агрегатов, цехов и трубопроводной системы в целом. В то время как внедрение данной системы обеспечит необходимый уровень мониторинга состояния грунтовых насосов.

Можно выделить два типа систем. К первому типу относятся системы, контролирующие транспортировку среды в целом по сети трубопроводов. В данном случае необходимо обеспечить хранение и обработку информации по всем пульпонасосным станциям и получение сведений о параметрах работы, как отдельного агрегата, так и станции в целом. Прототипом для создания аналога такой системы может послужить автоматизированная система “Агат”, применяемая в ООО “Севергазпром” [71]. Ко второму классу автоматизированных систем относятся системы, устанавливаемые в конкретном цехе. Эти системы должны контролировать полный набор вышеупомянутых параметров грунтового насоса. Кроме того, эти системы должны производить накопление данных, визуализацию отчетной документации о работе оборудования в заданном интервале времени. На основе базы данных о параметрах работы грунтового насоса можно вести оперативный контроль энергетической эффективности работы элементов насосного оборудования.

Внедрение системы комплексной диагностики технического состояния грунтовых насосов, основанной на указанных выше методах, а также разработка способов экспресс-диагностики насосного оборудования, позволит увеличить надежность гидротранспортных систем горных предприятий, обеспечить необходимый уровень мониторинга состояния оборудования, что в свою очередь приведет к повышению экономической эффективности транспорта твердых частиц.

1.5 Выводы по результатам проведенного анализа, цели и задачи Гидротранспортные системы горно-обогатительных комбинатов представляют собой сложные технические комплексы. Определяющим показателем таких комплексов является надежность, характеризующая их способность выполнять заданные функции в процессе эксплуатации.

По результатам выполненного литературного обзора, а также анализа некоторых статистических выкладок, можно сделать вывод о низкой эксплуатационной надежности гидротранспортного оборудования. Наименее надежным звеном рассматриваемой системы, прежде всего, являются узлы и детали грунтовых насосов, применяющихся на пульпонасосных станциях.

Проведенный анализ литературных источников, посвященных проблеме надежности работы гидротранспортных систем, показал, что затронутая проблема, в целом характеризуется повышенным интересом у авторов, ведущих исследования в области гидротранспорта на горно-обогатительных предприятиях. В виду специфики данного вида транспорта, особое внимание при этом уделяется вопросу гидроабразивного изнашивания элементов рассматриваемого комплекса и в частности, деталей грунтовых насосов. В связи с этим, предложены решения по техническому усовершенствованию конструкции насосов.

Слабоизученными по-прежнему остаются вопросы непосредственного влияния гидроабразивного износа на срок службы насосного оборудования.

В частности, недостаточно уделено внимание факторам, которые являются следствием изнашивания деталей грунтовых насосов. Одним из таких факторов является вибрация. Выходя за допустимые рамки вибрационного спектра, вибрационное воздействие приводит к отказу насоса. Выявление и определение критических значений этих факторов, является одной из важнейших задач в рамках данной работы. Данные факторы, в совокупности с определяющими параметрами перекачиваемой среды, являются предметом диагностирования насосной системы.

Проведен обзор предполагаемых к использованию методов диагностирования. Рассмотрены методы параметрической, вибрационной, трибодиагностики, неразрушающего контроля. Приведены примеры успешного внедрения системы автоматизации и оперативного контроля параметров работы перекачивающего оборудования в смежной газодобывающей отрасли.

Была высказана идея о внедрении системы комплексной диагностики технического состояния грунтовых насосов, основанной на указанных выше методах, что, безусловно, повысит надежность и эффективность гидравлического транспорта на горно-обогатительных предприятиях.

Целью диссертационной работы является разработка метода экспрессдиагностики грунтовых насосов в системах гидротранспорта горных предприятий на основе анализа факторов, определяющих гидроабразивный износ рабочего колеса, и вибрационных характеристик насосных агрегатов для повышения надежности эксплуатации гидротранспортных систем.

Достижение поставленной цели связано с необходимостью проведения комплекса теоретических и экспериментальных исследований и решения следующих задач:

- проведение вероятностно-статистического анализа данных горнообогатительных комбинатов по реальной наработке на отказ применяемого насосного оборудования.

- определение факторов, влияющих на эффективность и надежность гидротранспортных систем.

- теоретическое и экспериментальное определение степени влияния выявленных факторов на ресурс насосного оборудования;

- определение критических значений рассматриваемых параметров для дальнейшего их рассмотрения в качестве предмета для диагностирования.

- разработка и обоснование оптимального для каждого конкретного случая способа диагностирования, выявленных для исследования параметров, с учетом поставленной цели: экспресс-диагностики грунтовых насосов.

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ЭКСПРЕССМЕТОДА ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВОГО

НАСОСА В СИСТЕМАХ ГИДРОТРАНСПОРТА

2.1 Эффективность работы грунтового насоса на основе анализа взаимосвязей между изменениями параметров работы насоса и его В этом разделе разрабатывается экспресс-метод оценки эффективности работы грунтового насоса на основе статистического анализа взаимосвязей между изменениями параметров работы насоса в системе гидротранспорта и техническим состоянием насоса с детальной проработкой применительно к конкретному типу грунтового насоса 5ГрТ-8. При этом решается задача по определению эффективности работы системы гидротранспорта в целом.

Математическая модель грунтового насоса в системе гидротранспорта должна соответствовать гидромеханическим характеристикам конкретного насоса. В свою очередь геометрические характеристики данного грунтового насоса адекватно отражаются на индивидуальных стендовых гидромеханических характеристиках. Поэтому одним из приемов, лежащих в основе разрабатываемого метода, является определение вспомогательных коэффициентов и констант путем подстановки данных заводских или паспортных характеристик рассматриваемого насосного агрегата в используемые формулы, чем достигается индивидуальная привязка метода к конкретному насосному агрегату.

Разрабатываемый метод основывается на определении эффективного КПД грунтового насоса и эффективной мощности на основе параметров работы насоса в системе гидротранспорта с учетом отклонения этих параметров от значений, полученных в заводских испытаниях. Изложение метода приведено, в общем случае для любого типа грунтового насоса и более детально для 5ГрТ-8. В процессе разработки метода определяется зависимость КПД грунтового насоса от изменений параметров работы системы гидротранспорта при данной мощности, полученная путем статистического анализа и изучения индивидуальных стендовых (заводских) характеристик данного насоса.

В процессе проведения заводских стендовых испытаний, как правило, получают графики зависимостей показаний штатной системы измерений (частота вращения, расход, давление или напор, температура, концентрация и др.) от эффективной мощности, причем параметры представляются приведенными к стандартным внешним условиям.

Для дальнейшего построения экспресс-метода оценки технического состояния грунтовых насосов, работающих в системах гидротранспорта хвостовых пульп, рассмотрим общие характеристики грунтовых насосов.

2.1.1 Характеристики грунтовых насосов при работе в системах гидротранспорта продуктов переработки минерального сырья Обычно заводские характеристики грунтовых насосов получают при стендовых испытаниях при работе на воде, и они ничем не отличаются от характеристик обычных центробежных насосов.

По известной характеристике грунтового насоса при работе его на чистой жидкости получают соответствующие характеристики при работе на гидросмеси заданной плотности или с заданной концентрацией твердой фазы. К настоящему времени не создано математической модели работы грунтового насоса на гидросмеси, поэтому можно рассмотреть только приближенный полуэмпирический метод приведения характеристик грунтового насоса, полученных в заводских условиях к условиям работы на гидросмеси.

Для анализа влияния твердой фазы потока гидросмеси, движущегося в каналах рабочего колеса грунтового насоса, на его мощность необходимо применить общую теорию турбомашин, теорию Эйлера.

Если предположить, что расход чистой жидкости (воды) равен Qw с плотностью w, а расход твердой фазы потока гидросмеси равен Qs с плотностью s, то общий расход гидросмеси в рабочем колесе насоса будет равен сумме расходов воды и твердой фазы. Входная скорость гидросмеси в рабочее колесо направлена радиально. На выходе из рабочего колеса касательные скорости к плоскости профиля лопаток будут соответственно равны c2 w и c2 s, рисунок 2.1.

Рисунок 2.1 - Треугольник скоростей на выходе гидросмеси из рабочего колеса: Fк - сила Кориолиса, Fц - центростремительная сила Изменение количества движения массы гидросмеси от ее входа в рабочее колесо до выхода равно:

где R - радиус рабочего колеса по выходным кромкам лопаток.

Момент сопротивления, преодолеваемый приводом грунтового насоса равен сумме моментов гидродинамических давлений на лопатках рабочего колеса, так как давления на входе и выходе, действующие на гидросмесь, направлены радиально и момента вокруг оси вала рабочего колеса не создают, т.е.

Мощность, затрачиваемая двигателем на валу грунтового насоса, равная произведению момента на частоту вращения будет равна:

С учетом того, что массовый расход гидросмеси равен сумме массовых расходов жидкой и твердой фаз, т.е. Qh h =Q w w + Qs s, уравнение (2.3) можно переписать в следующем виде:

В общем виде работа, затрачиваемая насосом на подачу 1 кг жидкости, есть напор, т.е. можно записать [1]:

где H th.h - теоретический напор грунтового насоса, при работе его на гидросмеси; h - удельный вес гидросмеси.

зы), тогда из (2.4) получим следующее выражение для теоретического напора грунтового насоса ( h = ):

Выражение перед квадратной скобкой в (2.6) определяет теоретический напор грунтового насоса при работе его на чистой жидкости. Если принять Qs = 0 и Qcм = Qw, то из (2.4) получим:

В итоге можно записать:

Из формулы (2.7) следует, отношение теоретических напоров гидросмеси и чистой жидкости зависит от массовой концентрации гидросмеси и кинематики движения твердых частиц в каналах рабочего колеса грунтового насоса.

2.1.2 Работа объемных сил жидкости и твердой фазы На частицы твердой фазы и жидкости в каналах рабочего колеса действуют центростремительные и кориолисовы ускорения. Вдоль траекторий движения твердых и жидких частиц кориолисовы силы отсутствуют, и работы не производят. Поэтому работа объемных сил, действующих на единицу массы вдоль элементарного траектории в каналах рабочего колеса (рисунок 2.1), равна:

где dAк - элементарная работа объемных сил в канале рабочего колеса;

ds cos = dr.

Секундная работа объемных сил в относительном движении, действующих на массу жидкой фазы гидросмеси Qw w, равна:

Аналогично для твердой фазы потока гидросмеси, получим:

Кроме объемных сил относительного движения гидросмеси в каналах рабочего колеса действуют силы, обусловленные разностью давлений на входе и выходе рабочего колеса - Qw (P2 P1 ), Qs (P2 P1 ) и силы трения, определяемые касательными напряжениями. При условии, что относительные скорости w твердых частиц и жидкости на входе в рабочее колесо одинаковы, изменение кинетической энергии жидкости и твердых частиц будет равно:

где w2 w и w2 s - относительные скорости жидкости и твердых частиц на выходе из колеса; Tw и Ts - потери энергии на трение при движении частиц жидкости и твердого материала.

Решая уравнения (2.11) и (2.12) относительно разности давления, получим:

Работа сил трения пренебрежительно мала по сравнению с работой объемных сил, поэтому ею можно пренебречь, т.е.:

Из данного выражения найдем отношение относительных скоростей твердых части и жидкости:

Из (2.13) видно, что в идеальном случае относительная скорость твердой фазы на выходе из рабочего колеса больше относительной скорости частиц жидкости. Их диаграммы скоростей, рисунок 2.1, видно, что увеличение относительной скорости приводит к уменьшению касательной составляющей с2 u. Поэтому, вероятно, что абсолютная скорость твердых частиц больше отs носительной скорости жидкости, т.е.:

Логика рассуждений приводит к выводу, что движение твердых частиц вдоль относительных траекторий происходит при больших скоростях, чем скорости жидкости. В то же время касательные составляющие скорости твердых частиц меньше, чем касательные составляющие скорости жидкости.

То есть, в межлопаточном канале образуется поток твердых частиц, движущийся относительно струй жидкости. Отметим, что отношение (2.13) получено при условии отсутствия сил трения, действующих на твердые частицы со стороны жидкости. При учете сил трения значение отношения, выw2 w численное по (2.13) уменьшится. Чем больше относительные силы трения, тем величина отношения будет ближе к единице, и тем больше скорости движения частиц будут приближаться к скорости жидкости.

Отсюда следует важное для теории гидротранспорта заключение. Для больших концентраций твердой фазы скорости движения твердых частиц и жидкости равны между собой, так как в этом случае высококонцентрированная гидросмесь будет представлять собой практически однородную жидкость с плотностью большей, чем плотность чистой воды.

2.1.3 Влияние крупности частиц твердой фазы на отношение скоростей твердых частиц и жидкой фазы гидросмеси Как было показано выше, на каждую твердую частицу гидросмеси действуют силы трения и массовые силы. Известно, что силы трения пропорциональны площади миделевого сечения твердой частицы, т.е. пропорциональны ее среднему диаметру - d 2, и квадрату разности скоростей частицы и воды - u 2, т.е.:

Массовые силы пропорциональны массе частицы, т.е. d 3, квадрату окружной скорости v 2 и обратно пропорциональны радиус-вектору частицы R :

Рассматривая геометрически подобные потоки в каналах рабочего колеса, для которых радиус-векторы частиц будут относиться как диаметры рабочих колес D, получим отношение сил инерции к силам трения, действующих на твердую частицу:

Отношение диаметра твердых частиц к диаметру рабочего колеса характеризует отношение сил трения к силам инерции, действующим на твердую частицу при ее движении в каналах рабочего колеса. Чем больше отноd сительный диаметр твердых частиц ( ), тем больше влияние инерционных отношение, тем больше влияние сил трения и тем ближе величина отноD При качественном анализе характера движения твердых частиц в каналах рабочего колеса можно прийти к выводу о величине мощности, потребляемой грунтовым насосом при работе на гидросмеси.

Зададимся плотностью гидросмеси h = 1,2 т/м3. Если задаться отношес2 u нием = 0,8, (т.е. касательные составляющие скорости твердых частиц на 20% меньше составляющих скоростей жидкости), то отношение теоретичеH th.h нение скоростей на 20% соответствует изменению напоров всего на 6%. Влияние крупности частиц твердого материала сказывается сравнительно незначительно на величине теоретического напора. Поэтому, вероятно, в диапазоне встречающихся в практике гидротранспорта крупностей твердых частиц теоретические напоры грунтового насоса практически можно считать такими же, как и при подаче воды.

Мощность насоса, как известно, равна:

где h - удельный вес гидросмеси.

Так как теоретические напоры при работе на воде и гидросмеси практически равны между собой, то мощности насоса будут пропорциональны объемным весам гидросмесей, или их плотностям:

С другой стороны, напор, развиваемый грунтовым насосом равен теоретическому напору H th.h за вычетом всех гидравлических потерь в проточной части насоса:

где hh - гидравлические потери в каналах проточной части грунтового насоса при работе его на гидросмеси.

Гидравлические потери состоят из местных потерь напора и потерь, обусловленных сопротивлением трения [72], т.е.:

где h - потери гидравлического трения при работе насоса на воде; cv - объw емная концентрация гидросмеси: - безразмерный коэффициент.

Для напора грунтового насоса при работе на чистой жидкости и на гидросмеси, можно записать:

где h. м и h. м - потери напора на местные сопротивления для воды и гидроw h смеси, соответственно.

С учетом равенства теоретических напоров и местных сопротивлений при работе насоса на воде и гидросмеси, получим из последних выражений:

В окончательном виде напор, развиваемый грунтовым насосом, работающем на гидросмеси, будет равен:

Разделив последнее выражение на H w, после перегруппировки членов, получим выражение для относительного напора, развиваемого грунтовым насосом:

Формула (2.17) показывает, что относительный напор грунтового насоса зависит от плотности гидросмеси, величины относительных потерь гидh равлического трения и коэффициента, характеризующего режим двиw жения гидросмеси в проточных каналах грунтового насоса.

2.1.4 Параметры определяющие величину коэффициента режима движения и гидромеханические потери на трение в каналах Потери гидравлического трения в проточной части грунтового насоса могут быть записаны обычной формулой Дарси-Вейсбаха, в предположении постоянного сечения каналов:

где r – средний радиус отвода грунтового насоса ( 2r - длина отвода); Dг гидравлический диаметр (как характерный линейный размер – l); v - средняя скорость гидросмеси в отводе рабочего колеса.

Среднюю скорость запишем через касательную составляющую абсолютной скорости на выходе гидросмеси с лопаток рабочего колеса, т.е.:

где R2 - радиус рабочего колеса по выходным кромкам лопаток; c 2u - касательная составляющая скорости гидросмеси на выходе.

Подставим значение средней скорости в формулу потерь гидравлического трения:

то, сравнивая оба значения H w, получим =. Тогда относительные поu2 г тери гидравлического трения в проточной части грунтового насоса могут быть записаны формулой:

Из формулы следует, что относительные гидравлические потери от трения в проточной части рабочего колеса зависят от гидромеханического КПД грунтового насоса и геометрических характеристик рабочего колеса.

При гидроабразивном износе рабочих поверхностей проточной части грунтового насоса относительные гидромеханические потери увеличиваются. Зависимость коэффициента режима движения от параметров потока можно установить, используя положения теории подобия и размерностей [55].

Из анализа факторов, определяющих движение жидкости (гидросмеси) в проточной части грунтового насоса можно записать следующую функциональную зависимость:

где W - гидравлическая крупность твердых частиц, м/с; Х - ускорение массовых сил, м/с2.

Теория размерностей позволяет из семи независимых величин составить четыре безразмерных комплекса и записать функцию :

Вероятно, что основную роль функции играют безразмерные комплексы, составленные из определяющих параметров, и с учетом того, что комплекс пропорционален лобовому сопротивлению твердых частиц при их осаждении в потоке под действием массового ускорения Х, то Ускорения массовых сил в каналах проточной части грунтового насоса во много раз превосходят ускорения силы тяжести g, поэтому гидравлические крупности даже мелких частиц в таком поле ускорений весьма значительны. Плотность твердой фазы хвостов обогащения минерального сырья изменяется в узких пределах, поэтому можно считать, что параметр w величина постоянная, тогда функцию можно представить в виде следующего степенного одночлена:

Средняя скорость потока определяется формулой (2.18), а для ускорения массовых сил можно записать следующее выражение:

где R3 - наружный радиус отвода насоса.

Выражая из формул (2.18) и (2.20) значение c2 u и сравнивая результаты между собой, получим следующее равенство:

что приводит к формуле (2.19).

Подставив значение в формулу (2.17), получим следующий вид зависимости относительного напора грунтового насоса при работе его на гидросмеси:

Из формулы (2.21) следует, что относительный напор грунтового насоса при работе на гидросмеси пропорционален относительной плотности гидросмеси и линейно зависит от этого параметра. Практика эксплуатации грунтовых насосов в системах гидротранспорта подтверждает этот вывод. Формула (2.21) получена при ряде допущений, и справедливость ее может быть подтверждено только по результатам экспериментов.

Обозначим в формуле коэффициент, стоящий после относительной плотности через, т.е.:

Анализ параметров (2.22) показывает, что величина отношения коэффициента напора к квадрату гидравлического КПД грунтового насоса относительно мало изменяется на режимах работы грунтового насоса не очень отдаленных от оптимального режима по величине расхода, т.е. в пределах обычной эксплуатации грунтовых насосов в системах гидротранспорта. Обозначим коэффициент как, тогда формула относительного наг пора грунтового насоса получит следующий вид:

2.2 Коэффициент технического состояния грунтового насоса Отношение фактически можно рассматривать как гидромеханичеHw ский коэффициент технического состояния проточной части грунтового насоса k тсг, учитывающий гидромеханические потери в рабочем колесе и отводе:

Формула показывает, что при измерении напора насоса в метрах столба гидросмеси коэффициент технического состояния изменяется от 1 до нуля. С увеличением относительной плотности коэффициент k тсг линейно уменьшается. На величину k тсг основное влияние оказывают коэффициенты и.

Коэффициент учитывает влияние масштаба, т.е. размеров грунтового насоса, на величину относительных гидравлических сопротивлений трения.

Относительные гидравлические потери на трение, определяемые отношениh ем, будут больше для насосов меньших размеров и меньше для насосов больших размеров, так как изменение размеров (рабочего колеса и геометрии отводов) приводит к изменению числа Рейнольдса, т.е., к изменению режима течения в проточных каналах насоса и гидравлического диаметра Dг. В работе [70] на основе обработки большого массива экспериментальных данных показано, что если число Рейнольдса Re > 1,2·106, то = 0,6. Если Re < Коэффициент характеризует состояние проточных каналов насоса и зависит от так называемого дискового трения. Причиной изменения коэффициента грунтовых насосов является гидроабразивный износ рабочих поверхностей. Степень гидроабразивного износа зависит от многих параметров, а основные из них это: размер и концентрация твердых частиц, угловая скорость потока в рабочем колесе, его геометрические размеры. Функцию зависимости гидроабразивного износа от основных параметров можно записать в следующем виде:

где - угловая частота вращения рабочего колеса, с-1; D рк - диаметр рабочего колеса насоса по выходным кромкам лопаток, м; 0 - относительный диаметр твердых частиц, мм.

В работе [27] на основе экспериментальных данных получена эмпирическая зависимость функции от указанных параметров:

В итоге, имеем, что коэффициент, характеризующий режим потока жидкости в проходных каналах насоса и рабочего колеса, а также коэффициент, характеризующий состояние рабочих поверхностей проходных каналов, зависят в основном от степени гидроабразивного изнашивания рабочих поверхностей, т.е. от параметра.

В этом случае формулу (2.24) можно переписать в следующем виде:

При известном напоре, развиваемом грунтовым насосом можно определить потребляемую мощность при подаче гидросмеси [8]:

где N h - мощность, потребляемая грунтовым насосом при работе на гидросмеси; N w - мощность, потребляемая грунтовым насосом при работе на чистой жидкости (воде).

Мощности N h и N w можно записать в следующем виде:

где h.m и w.m - механический КПД грунтового насоса при работе на гидросмеси и на воде, соответственно; Qh и Qw - подача грунтового насоса, соответственно, гидросмеси и воды.

Тогда (2.25) будет иметь вид:

откуда получаем:

где kтсм - механический коэффициент технического состояния грунтового насоса.

Формула показывает, что отношение напора грунтового насоса при работе его на гидросмеси к напору, развиваемому при работе на чистой жидкости обратно пропорционально механическим КПД грунтового насоса и подачам, соответственно гидросмеси и чистой жидкости. Максимальное значение механического коэффициента технического состояния равно единице.

Общая величина коэффициента технического состояния грунтового насоса будет равна произведению гидромеханического коэффициента технического состояния (2.24) и механического коэффициента технического состояния (2.26), т.е.

Величина коэффициента технического состояния изменяется от единицы до некоторого минимального значения по мере наработки грунтового насоса. Максимальная величина К тс соответствует работе грунтового насоса на номинальных параметрах, соответствующих заводским характеристикам, полученным при испытаниях насоса в заводских условиях и указанных в технической документации на данный конкретный насос.

Следовательно, можно утверждать, что коэффициент технического состояния является обобщенной характеристикой грунтового насоса и может быть принят в качестве критерия периода нормальной эксплуатации гидротранспортной системы.

Данный тезис может быть рассмотрен в качестве одной из возможных формулировок первого научного положения. Значительное снижение величины К тс свидетельствует о механическом износе рабочих элементов грунтового насоса и увеличении гидромеханических потерь в рабочих каналах проточной части.

Однако, в полученном выражении (2.27) зависимость коэффициента технического состояния от скорости гидроабразивного изнашивания, как основного параметра, влияющего на работоспособность грунтового насоса, определена неявно.

Коэффициент технического состояния может быть также получен при известном напоре, развиваемом грунтовым насосом в заданный момент времени. В связи с тем, что транспортируемой средой является пульпа, определение напора стандартными приборами (манометрами) затруднено и может содержать недопустимые погрешности.

2.2.1 Влияние гидроабразивного износа рабочих поверхностей грунтового насоса на величину коэффициента технического состояния При течении гидросмеси в каналах грунтового насоса происходит интенсивное взаимодействие частиц твердого материала с твердыми стенками, ограничивающими форму каналов. Суммарное воздействие твердых частиц на детали грунтового насоса настолько значительно, в течении 1-2 месяцев работы приходится выводить насос в ремонт с заменой рабочего колеса, бронедисков, уплотнений подшипников и других деталей. Так как главными элементами грунтового насоса являются рабочее колесо и отвод, то практически весь насосный агрегат в течении короткого срока оказывается изношенным.

Интенсивность гидроабразивного износа рабочих элементов грунтового насоса зависит от ряда факторов, которые можно разделить на две группы:

1. Факторы, определяемые прочностными свойствами материала деталей, из которого они изготовлены, и абразивные свойства твердых частиц в перекачиваемой гидросмеси;

2. Факторы, определяющие кинетическую энергию твердых частиц, взаимодействующих с рабочей поверхностью деталей грунтового насоса.

Выполненные ранее исследования показывают, что относительная износостойкость сталей, из которых выполнены рабочие детали грунтовых насосов является функцией квадрата ширины царапины, наносимой твердой частицей при взаимодействии с поверхностью изнашиваемого детали. Установлено, что наплавки из специальных сталей (в основном корунда) обладают большей сопротивляемостью абразивному износу.

Кинетическая энергия твердых частиц зависит от скорости ее движения относительно изнашиваемой поверхности. Если предположить, что работа по абразивному износу пропорциональна кинетической энергии твердой частицы, то приходим к выводу, что интенсивность гидроабразивного износа пропорциональна квадрату скорости движения твердой частицы или расходу гидросмеси в рабочем канале грунтового насоса. Суммарный износ, зависящий от общего расхода гидросмеси, повышается пропорционально кубу средней скорости, или кубу расхода.

Кинетическая энергия твердых частиц в единицу времени равна:

где N - суммарное число твердых частиц попадающих на изнашиваемую поверхность при движении гидросмеси; d s - диаметр твердых частиц; v - средняя скорость твердых частиц; s - плотность твердых частиц.

Работа гидроабразивного изнашивания стенок в течение некоторого времени пропорциональна кинетической энергии твердых частиц, т.е.:

где - коэффициент пропорциональности.

Необходимо учитывать, что не все частицы, протекающие в рабочих каналах грунтового насоса, будут взаимодействовать с поверхностями деталей, так как из-за различной их крупности они движутся по разным траекториям. Если бы траектории движения твердых частиц и воды совпадали, то в соприкосновение с изнашиваемой поверхностью оказалось бы весьма малое число частиц, т.е. тех частиц, которые двигались бы по струйке, обтекающей лопатки рабочего колеса.

Практика показывает, что на выходе из рабочего колеса закрутка твердых частиц меньше, чем закрутка частиц воды, т.е. c2 u < c2 u. Поэтому в отs w носительном движении твердого материала в каналах рабочего колеса твердые частицы движутся по направлению к лопаткам со средней скоростью ных траекторий твердых частиц по отношению к струйкам жидкости будет равно:

Время протекания от внутреннего радиуса колеса на входе к внешнему радиусу колеса на выходе будет равно:

где сM.cp. - средняя меридиональная скорость твердых частиц.

Из сравнения последних равенств, находим:

где R2 - наружный радиус рабочего колеса; R1 - внутренний (входной) радиус рабочего колеса.

Полученное выражение можно переписать в следующем виде:

отношения среднего диаметра частиц твердого материала к диаметру рабочеd приближенной формулой:

Следовательно, из всего расхода гидросмеси Q h, поступающего в рабочее колесо грунтового насоса только доля, равная Qh вступает в соприкосновение с поверхностями проходных каналов. Из формулы видно, что чем крупнее частицы твердого материала, тем больше его инерция, и тем большее количество твердого материала вовлекается в процесс гидроабразивного изнашивания рабочих поверхностей грунтового насоса. Для мелкодисперсных гидросмесей большая часть твердых частиц увлекается водой, и меньшая часть твердого материала будет вступать в соприкосновение с рабочими поверхностями.

Таким образом, показано, что гранулометрический состав твердой фазы гидросмеси оказывает существенное влияние на интенсивность гидроабразивного износа грунтового насоса.

Для двух геометрически подобных грунтовых насосов КПД будет одиQh наков, если для этих насосов величина = const, т.е. одинаковые режимы работы, будут на подачах, когда:

Если принять, что количество частиц, непосредственно участвующих в гидроабразивном износе равно n, то количество твердого материала соприкасающегося с изнашиваемыми поверхностями должно быть пропорциоcv Qh нально величине n. Тогда запас кинетической энергии частиц, произd s водящих гидроабразивный износ в течение времени t будет равен:

Если принять А – удельная работа на разрушение единицы массы металла детали, m - масса разрушенного металла за время t, то получим:

Для двух подобных насосов уравнение (2.27) запишется следующим образом:

Для двух подобных грунтовых насосов скорости потоков гидросмеси в каналах рабочих органов пропорциональны окружным скоростям. Для случая когда (кинематический критерий подобия твердых частиц) изменяется незначительно, отношение скоростей v1 и v2 будет постоянным. Кроме того, плотность твердых частиц s1 и s 2, а также концентрация cv1 и cv 2 - постоянные величины. Поэтому можно записать:

Так как получим:

Формула показывает, что относительный износ рабочих поверхностей в грунтовом насосе пропорционален кубу оборотов. Если предположить, что износ грунтового насоса остается постоянным при изменении числа оборотов, то время износа будет пропорционально кубу оборотов. Характеристики грунтового насоса, детали проходных каналов которого подверглись гидроабразивному износу до величины (доли единицы), будут изменяться. Таким образом, можно записать:

где G - масса изнашиваемой детали, например, рабочего колеса или бронедисков, отвода и т.д.

Для подобных грунтовых насосов массы деталей пропорциональны кубу характерного размера, т.е. кубу диаметра рабочего колеса D, тогда:

или где D1 > D2.

Повышение подачи наоса всегда связано с понижением оборотов рабочего колеса (по условию всасывания), поэтому n1 < n 2 и если оба насоса раd d ботают на одной и той же гидросмеси, то 1 < 2 и, следовательно, Таким образом, можно записать:

Долговечность грунтового насоса находится в квадратной зависимости от диаметра рабочего колеса и в кубичной от числа оборотов. Отношение близко к единице, поэтому насосы с большими размерами будут иметь большую долговечность. Величина износа находится в квадратной зависимости от скорости движения гидросмеси в каналах грунтового насоса, а так как увеличение напора связано с увеличением окружной скорости, то его величина также будет пропорциональна квадрату окружной скорости. В связи с этим можно заключить, что величина гидроабразивного износа пропорциональна увеличению напора (для случая, когда увеличение напора обусловлено изменением конструкции насоса, а не увеличением числа оборотов).

Концентрация гидросмеси оказывает меньшее влияние на величину гидроабразивного износа. По формуле (2.27) видно, что износ m прямо пропорционален cv. Однако, величина n, определяющая количество частиц, участвующих в гидроабразивном изнашивании, с увеличением концентрации cv снижается, в результате уменьшается влияние концентрации на величину износа. В работе [72] показано, что в первом приближении можно принять m cv2 / 3, т.е. величина износа пропорциональна величине концентрации в степени 2/3.

Износ рабочих поверхностей деталей грунтового насоса приводит к уменьшению напора на выходе из насоса, поэтому можно записать, что фактический напор будет равен:

где Н hф - фактический напор, создаваемый грунтовым насосом, - допустимая величина уменьшения массы деталей проточной части грунтового насоса (степень износа) Тогда формулу (2.26) для механического коэффициента состояния грунтового насоса необходимо записать в следующем виде:

Соответственно формула коэффициента технического состояния (2.27) примет вид:

Можно считать, что подачи насоса при работе на воде и гидросмеси равны, тогда коэффициент технического состояния будет равен:

Из формулы следует, что с увеличением степени гидроабразивного износа элементов проточной части грунтового насоса, коэффициент технического состояния снижается. При достижении максимальной степени износа, коэффициент технического состояния принимает минимальное значение, при котором насос должен выводиться из работы в ремонт. Степень гидроабразивного износа деталей проточной части грунтового насоса является обобщающей характеристикой рабочего процесса насоса, величина которого зависит как от гидродинамического коэффициента технического состояния kтсг, так и от механического коэффициента технического состояния k тсм. В связи с этим можно записать:

Функцию (2.31) лучше всего представить в виде следующей формулы:

где К 0 - начальное значение коэффициента технического состояния грунтового насоса, определяемое по заводским характеристикам, степень гидроабразивного износа.

Значения величин функции (2.32) можно определить экспериментальным путем. Величина коэффициента технического состояния может быть принята в качестве идентификационного параметра при мониторинге работы грунтового насоса в системе гидротранспорта. Снижение значения коэффициента технического состояния до предельно допустимого уровня является сигналом, свидетельствующим о необходимости ремонта грунтового насоса.

Предельное значение коэффициента технического состояния определяется предельным гидроабразивным износом элементов грунтового насоса, при котором величина развиваемого напора становится меньшей или равной 0,75 Н h [34] и, следовательно, предельное значение коэффициента технического состояния должно составлять К тс = 0,75.

На рисунке 2.2 приведен график изменения коэффициента технического состояния грунтового насоса, построенного по формуле (2.32). В начале работы коэффициент технического состояния равен единице. По мере наработки, начинают проявляться явления гидроабразивного износа, и коэффициент технического состояния монотонного снижается до своего предельного значения (по принятым значениям параметров). Если принять предельно допускаемое значение коэффициента технического состояния, равным 0,75 то степень износа (для принятых данных) составляет 0,26. Это фактически означает, что фактический напор грунтового насоса снижается на 26%.

Рисунок 2.2 - Зависимость коэффициента технического состояния грунтового насоса от степени гидроабразивного износа элементов Необходимо отметить, что производить вычисление коэффициента технического состояния по полученной зависимости (2.32) неэффективно, применительно к рассматриваемой задаче разработки экспресс – метода диагностики грунтового насоса. Для оценки степени гидроабразивного износа деталей насоса в заданный момент времени необходимо знать изменение их массы или функцию изменения интенсивности гидроабразивного износа, зависящую от множества факторов [27].

2.2.2 Коэффициент технического состояния грунтового насоса и Установлено, что для заданных условий эксплуатации абсолютный гидроабразивный износ, будет определяться только временем эксплуатации.

С увеличением времени наработки насоса возрастает потеря массы рабочего колеса, что, в свою очередь, приводит к увеличению параметров вибрации. Таким образом, можно считать, что изменение вибрационных характеристик определяется временем эксплуатации грунтового насоса.

Следовательно, для рассматриваемого в качестве диагностируемого параметра вибрации, например, среднеквадратичного значения виброскорости можно написать следующую функцию [27]:

Для коэффициента технического состояния грунтового насоса, рассматриваемого в качестве идентификационного параметра периода нормальной эксплуатации, значение которого в процессе наработки, вследствие гидроабразивного износа, снижается, также справедливо выражение:

Следовательно, можно утверждать о корректности равенства:

В качестве второго научного положения можно сформулировать тезис о том, что коэффициент технического состояния грунтового насоса может быть представлен как функция среднеквадратичного значения виброскорости.

Обоснование и уточнение данного предположения является одной из задач экспериментального исследования.

Одним из источников вибрации центробежных насосов является ротор с установленным на нем рабочим колесом. Статическая и динамическая неуравновешенность ротора, возникающая при увеличении гидроабразивного износа рабочего колеса по мере наработки грунтового насоса, приводит к возникновению и увеличению сил и моментов, которые приводят к вибрации гидравлической машины. Кроме непосредственно гидроабразивного износа, неуравновешенность системы ротор – рабочее колесо – опорные узлы – рама, является следствием неточности изготовления деталей и узлов, неоднородности материалов, из которых изготовлены основные детали, упругих и остаточных деформаций, возникающих при сборке и работе грунтового насоса, несовершенства технологии балансировки и т.д. В процессе работы насоса неуравновешенность ротора изменяется под действием силового возмущения от перекачиваемого потока пульпы, температурных деформаций и гидроабразивного износа рабочего колеса и других поверхностей деталей проточной части.

Основная вибрация, обусловленная возникновением дисбаланса массы, возникает с частотой вращения рабочего колеса (ротора) n (с-1), т.е. первой основной гармоникой, а нелинейность составляющих вибрации, присущая любой роторной системе, приводит к появлению дополнительных вибрационных составляющих, с частотами кратными частоте первой гармоники:

где i - порядок гармоники, шаг которой t = 1,2,...,n, рисунок 2.3.

График на рисунке 2.3 показывает, что вибрация насоса представляет собой сложное колебательное движение, которое можно представить в виде простых гармоник.

Рисунок 2.3 - Спектр виброускорений корпуса грунтового насоса при 1 – первая гармоника (роторная); 2 – гармоники, кратные Для общего случая колебательное движение характеризуется тремя независимыми параметрами: амплитудой - А, частотой - f и начальной фазой -, связанных между собой законом синуса (косинуса) где y - виброперемещение; - угловая частота колебаний.

После двойного дифференцирования, получим:

где v - виброскорость; j - виброускорение.

Амплитуды - A, виброскорости - v и виброускорения - j связаны между собой соотношениями:

Вместо пиковых значений параметров вибрации большее практическое значение имеют средние абсолютные значения параметров, так как они учитывают предысторию колебательного процесса:

и среднее квадратичное (эффективное) значение параметра:

характеризующее энергию вибрации за период колебаний T.

Среднее значение амплитуды д ля гармонических колебаний:

Каждый из рассмотренных параметров обладает определенной особенностью при его использовании в качестве диагностического признака. Так амплитуда вибросмещения характеризует деформацию конструкции под действием вибрации и может быть использована, если возникающие неисправности приводят к изменению линейных или угловых размеров элементов конструкции (например, размеров и углов входа и выхода потока на лопатках рабочего колеса). Вибросмещения имеют низкочастотный спектр колебаний.

Виброускорение характеризует уровень инерционных нагрузок, возникающих при колебании. Использование виброукорения в качестве диагностического параметра наиболее эффективно применительно к крупногабаритным насосным агрегатам (грунтовым насосам) при относительно низких частотах (от 5 до 50 Гц).

В качестве диагностического признака можно в принципе взять любой из трех параметров вибрации – среднеквадратичные значения вибросмещения ( у ), виброскорости ( v ), виброускорения (j). При этом диагностическим параметром будет являться коэффициент технического состояния, который по мере наработки грунтового насоса изменяет свое значение от максимального значения К тс 1 в начале эксплуатации грунтового насоса до некоторого предельно допустимого значения К тс < 1, определяемого предельно допустимой потерей массы рабочего колеса, вследствие гидроабразивного износа.

В процессе работы грунтового насоса его вибрационные характеристики изменяются, а их текущие значения непосредственно связаны с величиной коэффициента технического состояния, определяемого наработкой грунтового насоса. При этом можно рассматривать следующие функции:

где y, v и j - среднеквадратичные значения вибросмещения, виброскорости и виброускорения, соответственно.

Гидроабразивный износ рабочего колеса является основным фактором, влияющим на работоспособность всей совокупности элементов конструкции насосного агрегата [57-59, 62, 63]. Результатом гидроабразивного износа является в основном разбалансировка вращающихся частей, при которой возникают значительные знакопеременные нагрузки на опорные подшипники, торцевые уплотнения, промвальное соединение. Анализ отказов насосных агрегатов показывает, что гидроабразивный износ рабочего колеса сопровождается, как правило, перегревом обмоток ротора и статора электродвигателей и при этом начинают проявляться и другие неисправности, которые в стационарных режимах не оказывали существенного влияния на отказы насосных агрегатов.

В таблице 2.1 систематизированы основные дефекты грунтовых насосов, проявляющиеся в результате гидроабразивного износа рабочего колеса.

Общее техническое состояние грунтовых насосов можно определить по величине среднего квадратичного значения виброскорости [9]. Нормы вибрации центробежных грунтовых насосов приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.1 - Дефекты грунтовых насосов, возникающие в результате гидроабразивного износа рабочего колеса Повреждения насосных агрега- Характер проявления повреждений Несовпадение осей валов в связи с радиальным смеРасцентровка валов насоса и щением вала рабочего колеса и вала электродвигателя ротора электродвигателя (излом линии вала) и угловое смещение валов (изгиб Нарушение балансировки ро- Локальный износ и поломка элементов ротора (лопаттора насоса и ротора электро- ки рабочего колеса насоса, клинового крепления обдвигателя. моток ротора электродвигателя, бандажных колец).

Односторонний износ вкладышей подшипников. УвеДефекты подшипников скольличенный зазор между цапфой и вкладышем. Расценжения Неравномерный износ тел и дорожек качения. РазруДефекты подшипников качения шение тел качения. Волнистость дорожек качения.

вала электродвигателя. Разноразмерность и овальность тел качения. Перегрев Нарушение геометрии контакта и заклинивание подДефекты торцевых уплотнений. вижной втулки. Утечки через сальниковые уплотнения.

Нарушение крепления насосОтрыв анкерных болтов, ослабление затяжки резьбоного агрегата на рамевых соединений.

фундаменте.

Гидродинамические дефекты Нормативным документом по оценке вибрации на основе измерений на не вращающихся частях машин различных типов (абсолютной вибрации) является международный стандарт [ISO 10816:1998(Е). Mechanical vibration.

Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts.].

В третьей части этого стандарта (ISO 10816-3:1998(Е)) центробежные насосы мощностью свыше 15 кВт и частотой вращения от 120 об/мин до 15000 об/мин отнесены к третьей (для насосов с раздельным приводом) и четвертой (для насосов объединенных с приводом) группам. Границы зон А/В, В/С, С/D для насосов третьей группы приведены в таблице 2.3.

Анализ изменения величины вибрации грунтовых насосов, работающих на режимах, отличающихся от номинального, показал, что уровень вибрации зависит от подачи насосов. Этот анализ проводился на Алмалыкском и Качканарском ГМК, где установлены грунтовые насосы 20 Гр –8 (рисунок 2.4).