Обоснование, выбор параметров и создание оборудования по приготовлению водомасляных эмульсий для механизированных крепей

Основными требованиями, предъявляемыми к ГШО при механизации процессов горного производства, является повышение показателей производительности, надежности и безопасности. В среднем по угольной промышленности потери из-за низкого качества функционирования горной техники составляют порядка 70% от стоимости валовой добычи угля. Причем, из них примерно 60% составляют потери производительности, а 40% связаны с затратами на поддержание работоспособности техники [1−7].

Наблюдаемая тенденция к возрастанию сложности горной техники, увеличение ее стоимости, необходимость сокращения сроков окупаемости, особенно в условиях реструктуризации горной промышленности требуют существенного повышения уровня качества, производительности и надежности техники.

Что касается очистных механизированных комплексов, то эффективность и надежность их работы во многом определяется безотказностью и долговечностью работы механизированной крепи, наиболее сложной и дорогостоящей его части, и в особенности гидрооборудования крепи. Основными факторами работы гидропривода являются высокие значения рабочих давлений, достигающие в критических ситуациях 500 МПа в замкнутых гидросистемах стоекналичие в гидросистеме крепи большого количества гидростоек (до 1000 шт.), гидродомкратов передвижки (до 450 шт.), и прочих гидроцилиндров и гидропатронов (до 2000 шт.), с соответственно большим числом предохранительных и разгрузочных клапанов, индикаторов давления, распределителей потоков, гибких и жестких магистралей, общая протяженность которых в отдельных случаях превышает 350 м, с большим количеством соединительной арматуры и уплотнитель-ных элементов.

Питание рабочей жидкостью системы исполнительных элементов осуществляется от насосных станций, расположенных на откаточном штреке. Расход РЖ для гидросистем механизированной крепии гидропривода различных машин по угольной промышленности составляет 200 000 т в год (данные начала 90-х годов).

Кроме того, большой объем ремонтно-восстановительных работ горной техники помимо экономического имеет и социальный аспект, так как ремонтные работы плохо механизированы, требуют большого объема ручного труда, который, как правило, приходится выполнять в тяжелейших условиях шахты.

Улучшить показатели надежности ГШО в общем случае возможно за счет увеличения объемной прочности применяемых в оборудовании материалов и повышения их поверхностной прочности.

Объемное разрушение является результатом, накопления в объеме материала дефектов его структуры, приводящие к макроскопическому разрушению объекта. Такие отказы легко прогнозируются на стадии проектирования и поэтому их число незначительно.

В настоящее время до 80% отказов техники происходит в результате поверхностного разрушения — износа и повреждаемости при трении, поэтому повысились требования именно к поверхностной прочности деталей, определяющей в основном долговечность и безотказность машин. Процессы поверхностного разрушения состоят из большого числа микроскопических актов разрушения, проявляющихся в постепенном уменьшении объема материала — износе. Рассмотрение этого процесса заключается в том, чтобы связать параметры нагружения конкретной триады трения со всем комплексом механических и физико-механических свойств участвующих в этом процессе материалов: двух металлических поверхностей и, находящегося между ними, третьего тела — смазочного материала. Таким образом, необходимо комплексное рассмотрение действия многочисленных факторов четырехзвенной системы: «условия применения — машина — триада трения — смазочный материал».

Смазочный материал — третье тело триады трения, вступая во взаимодействие с материалами поверхностей трения, должно выполнять функции стабильной и прочной защиты от коррозии и смазки, для чего должен обладать рядом эксплуатационных свойств. В гидросистеме механизированных крепей такую роль выполняют рабочая жидкость, которая, в первую, очередь является носителем энергии и, кроме того, выполняет функции охлаждающей жидкости и отвода тепла и продуктов износа.

Опыт эксплуатации гидроагрегатов показывает, что их надежность и срок службы в большей степени определяется именно качеством РЖ, а из-за повышенной загрязненности ее происходит 50−80% всех отказов гидросистем, вследствие чего их ресурс снижается в 3−50 раз [1].

Кроме того, также и особо тяжелые условия функционирования гидрооборудования механизированной крепи обусловили ужесточение требований к эксплуатационным свойствам применяемых рабочих жидкостей.

Обеспечением гидросистем механизированных крепей очистных комплексов высококачественными водомасляньши эмульсиями занимались энерго-механические службы угольной промышленности, ННЦ ГП «ИГД им. А.А.Скочинского», ОАО «Гипроуглемаш», ВНИИПТУглемаш, Горловский машиностроительный завод, ОАО «ПНИУИ», Отраслевая научно-исследовательская лаборатория смазок и рабочих жидкостей при Коммунарском горно-металлургическом институте, ОАО «МЭЗ» и другие организации.

Задача обеспечения высокого качества РЖ при ее цриготовлении может быть решена и за счет создания новых видов эмульсолов, обладающих высокой адгезионной способностью и способностью к самоэмульгированию, а также за счет создания и внедрения в производство эффективного диспергирующего оборудования. Проблема же поддержания качества РЖ в период эксплуатации гидрооборудования может быть решена только путем преднамеренного диспергирования, то есть создания специального оборудования, причем работающего непрерывно в гидросистеме. Кроме того, получение высококачественных эмульсолов с физико-химическими свойствами, позволяющими достигнуть процессов самоэмульгирования и растворения в воде, является в нашей стране до сих не решенным вопросом, несмотря на значительные усилия ученых. Однако, многолетний опыт эксплуатации гидропривода и теоретические исследования доказывают, что некоторые параметры качества и основные эксплуатационные свойства РЖ (смазывающая способность, антикоррозионный свойства и др.) зависят непосредственно от линейного размера капелек дисперсной фазы эмульсии, а следовательно, от технологии и способа их приготовления [1,8,9,10,11,12 и др.]. Установлено, что только частицы размером 2,5 — 5 мкм могут создавать устойчивую защитную пленку на поверхности деталей, т. к. частицы с большим линейным размером не могут удержаться на поверхности металла и, скатываясь, разрушают защитный слой.

Не решена до сих пор и проблема очистки и регенерации РЖ В настоящее время не существует гарантированных средств защиты гидросистем от попадающих в них примесей, а имеющиеся способы и оборудование для фильтрации очистки и регенерации эмульсий либо малоэффективны, либо снижают эксплуатационный свойства РЖ, либо настолько дорогостоящи, что их применение увеличивает стоимость эмульсии в несколько раз. Кроме того, все имеющиеся способы очистки и регенерации РЖ предусматривают слив эмульсии, транспортировку до места расположения установки и обратно, что весьма трудоемко и дорого стоит.

Значительный эффект дает преднамеренное диспергирование механических примесей, содержащихся в РЖ. Экспериментальные исследования показали, что частицы механических примесей малых размеров (<5мкм) не только не оказывают отрицательного воздействия на пару трения, но и обладают рядом положительных свойств.

Все вышеперечисленное вызывает необходимость разработки универсального оборудования, позволяющего эффективно готовить и регенерировать РЖ, измельчать механические примеси, находящиеся в ней и одновременно подавать эмульсию в гидросистему крепи. Причем все операции необходимо производить непосредственно на добычном участке.

Применение такого оборудования позволит разрешить сразу следующие проблемы: исключить весь комплекс по приготовлению РЖ на поверхности шахт и доставку ее к очистному забою, который влечет за собой немалые трудовые и материальные затраты, а также снижение качества и утечки эмульсии при транспортировкепостоянно поддерживать на необходимом уровне дисперсный состав РЖизмельчать механические примеси, тем самым поддерживать высокий класс чистоты эмульсии.

Таким образом, современный уровень развития горного производства требует разработки и освоения нового, более совершенного оборудования, способного обеспечить высокую эффективность приготовления высокодисперсных рабочих жидкостей для гидросистем очистных комплексов и их регулярной регенерации. Кроме того, важной проблемой остается уменьшение габаритов, металлоемкости и энергопотребления такого оборудования.

Как показывает отечественная и зарубежная практика, весьма перспективным для приготовления высокодисперсных рабочих жидкостей на основе водомасляных эмульсий является диспергирующее оборудование, работающее по принципу роторно-статорной системы. Применение такого оборудования расширяется и в количественном, и в качественном отношении: увеличивается не только производство такого оборудования, но и область его применения.

Однако, более интенсивное и широкое внедрение роторного диспергирующего оборудования сдерживается недостаточной изученностью основных закономерностей его работы и протекающих в нем процессов — как гидромеханических и механических, так и физико-химических. Недостаточно разработаны и обоснованы методы расчета параметров оборудования, основанные на изучении нестационарных гидромеханических процессов, протекающих в элементах диспергирующего оборудования, не полностью исследованы вопросы выбора геометрических, кинематических и режимных параметров роторных гидромеханических диспергаторов и их связь с интенсивностью и результатами процесса диспергирования рабочих жидкостей. Таким образом, научное обоснование параметров и разработка нового универсального оборудования для приготовления и регенерации рабочей жидкости, позволяющего повысить надежность гидропривода механизированных крепей, является весьма актуальной научно-технической проблемой для горнодобывающей промышленности.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ — обоснование параметров, расчет и создание оборудования для повышения эксплуатационных свойств рабочей жидкости при ее приготовлении и регенерации (путем диспергирования), позволяющего повысить уровень надежности гидропривода механизированных крепей, а также выработка рекомендаций по его эксплуатации.

ИДЕЯ РАБОТЫ — обеспечение надежности работы элементов гидропривода механизированных крепей очистных комплексов может быть достигнуто за счет повышения дисперсности РЖ при приготовлении и регенерации и, как следствие этого, сохранения ею рабочих характеристик в течение всего периода эксплуатации комплекса.

ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. Математические модели нестационарного гидромеханического процесса в каналах гидромеханических диспергаторов, позволяющие обоснованно рассчитывать конструктивные и режимные параметры с учетом асимметричного, в общем случае, гидравлического сопротивления, и наибольшей величины отрицательного ускорения РЖ в каналах гидромеханического диспергатора (ГМД), как основного фактора интенсификации процесса приготовления РЖ.

2. Закономерности, позволяющие рассчитывать основные кинематические характеристики течения жидкости и режимы работы ГМД с учетом вязкости обрабатываемой среды и оценивать влияние конструктивных и режимных параметров диспергатора на величину отрицательного ускорения, как основного диспергирующего фактора ГМД.

3. Теоремы о скорости изменения площади поперечного сечения системы каналов (отверстий) ротора и статора при их вращательном соосном движении (для роторного диспергатора аксиального типа) и о равенстве нулю интеграла от импульса ускорения по периоду генерации импульсов.

4. Закономерности течения обрабатываемой среды в диспергаторах радиального и аксиального типов, учитывающие влияние геометрических и режимных параметров ГМД на возбуждение кавитационного режима диспергирования, периодичности течения среды на расчетные кинематические зависимости, а также степень влияния нестационарности потока обрабатываемой среды на интенсивность гидромеханических процессов.

5. Закономерности гидромеханического процесса диспергирования в турбулентном режиме работы ГМД и полученные зависимости для расчета диаметра частиц РЖ и их распределения по размерам.

ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ.

Научное значение работы имеют: математические модели нестационарного гидромеханического процесса в каналах гидромеханических диспергаторов, позволяющие получить закономерности и зависимости конструктивных и режимных параметров с учетом асимметричного, в общем случае, гидравлического сопротивления, и наибольшей величины отрицательного ускорения РЖ в каналах гидромеханического диспергатора (ГМД), как основного фактора интенсификации процесса приготовления РЖматематическое описание нестационарного истечения обрабатываемой жидкости через рабочие органы гидромеханического диспергато-ра.

Практическое значение работы заключается: в разработке методов инженерного расчета гидромеханического дис-пергатора и программного обеспечения на ЭВМ, а также в создании на основе разработанной методики конструкции гидромеханического дис-пергатора и его промышленном применениив разработке итерационной процедуры расчета кавитационного режима работы ГМД при заданном оптимальном числе кавитации с доказательством сходимости итерационных вычисленийв разработке приближенных способов решения уравнения нестационарного движения жидкости в ГМД, в том числе, на основе эвристического подхода.

РЕАЛИЗАЦИЯ ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ.

— установки для приготовления и регенерации РЖ в гидросистеме механизированной крепи на базе насосных станций СНТ (завод им. Петровского), СНЛ (Людиновский агрегатный завод), СНП-55 (Брянский машиностроительный завод) и установка для приготовления РЖ на поверхности шахт и в подземных условиях — УСЭМ серийно выпускаются ОАО «МЭЗ» с 1998 года и эффективно работают и на шахтах ОАО «Интауголь», «Воркутауголь», «Кузнецкуголь», «Кузбасс-уголь» и в ПО «Беларуськалий" — разработана методика оценки эксплуатационных характеристик РЖ механизированных крепей очистных комплексов, которая утверждена Комитетом по угольной промышленности;

— разработана инструкция по приготовлению и регенерации РЖ на смесительных установках на базе насосных станций типа CHT, СНЛ, СНП-55, АЗ-2СМ, которая утверждена Комитетом по угольной промышленности.

ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ, ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ заключается в том, что математические модели нестационарного гидромеханического процесса, протекающего в рабочих зонах ГМД, корректно подтверждаются:

— достаточным объемом экспериментальных исследований работы ГМД в лабораторных и промышленных условиях;

— удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, расхождение между которыми не превышает 15%.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международном семинаре «Проблемы и перспективы развития горной техники» (секция «Горные машины и оборудование») (Москва, 1994), на научно-технической конференции «Композиционные материалы и изделия из них под воздействием различных видов энергии» (Москва, 1995), на IX Всероссийской конференции «Математические методы в химии» (Тверь, 1995), на научно-технической конференции «Полимерные материалы: производство и экология» (Ярославль, 1995), на IV Всероссийском научно-техническом семинаре «Пути и средства повышения экологической безопасности гальванических производств» (Ярославль, 1995), на Международном симпозиуме «Горная техника на пороге XXI века» (Москва, 1995) — на Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы химии и химической технологии» (Курск, 1995) — на Международном научно-практическом семинаре «Применение роторных гидромеханических диспергаторов в горнодобывающей промышленности: теория, практика» (Солигорск, 1998) — на Межреспубликанском научнопрактическом совещании «Актуальные проблемы теории, практики и создания роторных аппаратов» (Малаховка, 1999) — на научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение эксплуатации и хранения технических объектов» (Москва, 1999)§ на научно-технической конференции «Материалы и изделия из них под воздействием различных видов энергии» (Москва, 1999) — на III Международном симпозиуме «Техника и технология экологически чистых производств» — программа ЮНЕСКО (Москва, 1999) — на IV Международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии» (Курск, 1999) — на Международной научно-практической конференции «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 1999) — на XVII Международной конференции «Методы граничных и конечных элементов в механике деформируемых тел и конструкций» (Санкт-Петербург, 1999) — на Международном экологическом конгрессе (V Всероссийской научно-практической конференции) «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 2000) — на конференции «Неделя горняка» (Москва, 2000) — на Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Санкт-Петербург, 2000).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликована 61 работа, в том числе 1 монография, получено 13 патентов РФ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения и 3-х приложений, содержит 325 страниц машинописного текста, 56 рисунков, 5 таблиц и список использованной литературы из 172 наименований.

ВЫВОДЫ:

1. Приведены результаты работ по созданию оборудования для снабжения механизированных крепей очистных комплексов высокодисперсной рабочей жидкостью.

2. Созданы и внедрены в производство: автономная установка по приготовлению РЖ для гидропривода механизированных крепей — УСЭМустановка на базе насосной станции CHJI (УСЭП (Л)) — универсальное диспергирующее оборудование для установки на насосных станциях типа CHT, CHJI, СНП-55, АЗ-2СМ, в том числе и уже работающих.

3. Разработаны различные конструктивные модификации ГМД, позволяющие повышать эффективность эмульгирования обрабатываемых жидкостей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе дано научное обоснование параметров диспергирующих машин, разработаны и внедрены в угольной промышленности технические решения, вносящие существенный вклад в ускорение научно-технического прогресса в области создания оборудования для приготовления и регенерации высокодисперсных эмульсий гидросистем механизированных крепей, позволяющего улучшить эксплуатационные свойства рабочих жидкостей и повысить надежность гидропривода очистных комплексов, что имеет существенное значение для повышения производительности горношахтного оборудования.

Выполненные в работе исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработаны математические модели нестационарного гидромеханического процесса в каналах Гидромеханического диспергатора с учетом асимметричного, в общем случае, во времени гидравлического сопротивления, позволяющие обоснованно рассчитывать конструктивные и режимные параметры с учетом наибольшей величины отрицательного ускорения РЖ в каналах ГМД — основного фактора интенсификации процесса приготовления РЖ.

2. Установлены зависимости влияния конструктивных и режимных параметров ГМД на величину отрицательного ускорениямера влияния степени нестационарности потока обрабатываемой среды на интенсивность гидромеханических процессов в диспергаторепериодичности течения в каналах диспергатора на расчетные кинематические зависимостипроизведен учет установления режима течения в диспергаторах радиального и аксиального типапроизведена оценка влияния основных геометрических и режимных параметров ГМД на возбуждение ка-витационного режима диспергирования.

3. Разработаны приближенные способы решения уравнения нестационарного движения жидкости в ГМД, в том числе на основе эвристического подходаполучено аналитическое приближенное решение для случая малых величин гомохронностиполучена приближенная формула для расчета основных кинематических характеристик течения жидкости в ГМД и режима работы диспергатора с учетом вязкости РЖ.

4. Доказана теорема и проведен расчет площади проходного сечения системы каналов ротора и статора гидромеханического диспергатора с каналами треугольного сечения как функции времени, показаны преимущества такого диспергатора. Доказана теорема о скорости изменения площади поперечного сечения системы каналов (отверстий) ротора и статора при их относительном вращательном соосном движении — для роторного диспергатора аксиального типа и о равенстве нулю интеграла от импульса ускорения по периоду генерации импульсов.

5. Разработана итерационная процедура расчета кавитационного режима работы ГМД при заданном оптимальном числе кавитации и доказана сходимость итерационных вычисленийисследован гидромеханический аспект процесса диспергирования в турбулентном режиме работы диспергатора, получены формулы для расчета размера частиц РЖ и их. распределения.

6. Экспериментально получены зависимости параметров процессов течения и приготовления РЖ от основных режимных и конструктивных параметров ГМД и установлено: увеличение перепада давления в ГМД приводит к повышению дисперсности РЖ, причем это влияние носит монотонный характер, и энергетическое воздействие этого фактора пропорционально его третьей степени, а влияние скорости вращения ротора на дисперсность РЖ носит, наоборот, экстремальный характер;

329 влияние радиального зазора на дисперсность РЖ пропорционально величине зазора в степени — 2,5- существование такого диапазона изменения отношения ширины канала ротора к ширине канала статора, при котором приготовление РЖ I наиболее эффективно (ар=2ас).

7. По разработанной технической документации серийно изготавливаются в ОАО «Малаховский экспериментальный завод» гидромеханические диспергаторы в составе универсального диспергирующего оборудования, предназначенного для установки на насосных станциях типа СИЛ, СНТ, СНП-55 и АЗ-2СМ для приготовления и регенерации РЖ в гидросистеме механизированной крепи и установки УСЭМ для приготовления РЖ на поверхности шахт и в подземных условиях, которое внедрено на шахтах ОАО «Интауголь», «Воркутауголь», «Кузнецку го ль», «Кузбассуголь» и в ПО «Беларуськалий». Созданное оборудование позволило снизить расход запасных частей гидропривода мехкрепей в среднем в 1,9 раза.