Энергоемкость системы с грунтозаборным устройством для добычи железомарганцевых конкреций с морского дна Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

TECHNICAL SCIENCES

ЭНЕРГОЕМКОСТЬ СИСТЕМЫ С ГРУНТОЗАБОРНЫМ УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ ДОБЫЧИ ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОНКРЕЦИЙ С МОРСКОГО ДНА

Александров В.И.

д.т.н., проф., зав. каф. Горных транспортных машин

Сержан С.Л.

к.т.н., ассистент каф. Горных транспортных машин Санкт-Петербургский горный университет

THE PARAMETERS OF SYSTEM WITH SOIL INTAKE APPARATUS FOR MINING FERROMANGANESE NODULES

FROM SEA BED

Alexandrov V.I.

professor, Head of Department Mining Transport Machines

Sergan S.L.

Ph.D, assistant, Department Mining Transport Machines Saint-Pertesburg Mining University

АННОТАЦИЯ

Существующие темпы развития промышленности влекут за собой увеличение потребления минерально-сырьевых ресурсов. В настоящее время остро возник вопрос об обеспечении российской металлургической промышленности марганцевым сырьем, поскольку, с одной стороны, основные источники марганцевой руды отошли к Украине, Грузии и Казахстану (значительная доля запасов окисленных марганцевых руд СССР) а с другой, - потребителями марганца являются все предприятия черной металлургии и машиностроения. Скорейшее освоение залежей железомарганцевых конкреций (ЖМК) морских и океанических месторождений позволит в значительной степени устранить импортную зависимость по марганцевому стратегическому сырью.

Для эффективной разработки морских месторождений ЖМК, особенно на больших глубинах, необходимы надежные средства механизации гидроподъема горной массы, обладающие достаточной производительностью. Известные в настоящее время устройства для добычи твердых полезных ископаемых из морских месторождений не достаточно эффективны и не отвечают современным требованиям по безопасности, производительности, энергоемкости и экологичности. Не достаточно изученными остаются вопросы о влиянии гидростатического давления, определяемого глубиной расположения капсулы, на эксплуатационные и энергетические характеристики добычного оборудования и зависимости производительности системы от вида грунтозаборного устройства и его параметров. В настоящей работе приведены результаты по изучению закономерностей влияния гидростатического давления, определяемого глубиной погружения промежуточной капсулы, на энергоемкость процесса добычи с обоснованием параметров грунтозаборного устройства с гидравлическим приводом.

ABSTRACT

The current rates of industrial development require an increase in the consumption of mineral resources. At the present time acutely raised the question of ensuring the Russian metallurgical industry manganese raw materials, because, on the one hand, the main sources of manganese ore moved to the Ukraine, Georgia and Kazakhstan, and on the other of consumers manganese are the all steel industry and mechanical engineering. The speedy development of deposits of ferromanganese nodules (FMN) of marine and ocean deposits will significantly eliminate the dependence on imported manganese strategic raw materials. For effective development of offshore fields FMN, especially in deep water, need reliable means of mechanization hydraulic hoisting rock mass with sufficient capacity. Presently known devices for mining of solid minerals from offshore fields is not effective enough and do not meet modern requirements for security, performance, energy consumption and environmental friendliness. Insufficiently studied questions remain about the influence of hydrostatic pressure determined by the depth of the capsule on performance and power characteristics of the mining equipment and depending on the type of system performance dredge device and its parameters. This paper presents the results of studies of the effect of the laws of hydrostatic pressure, determines the depth of of immersion of the intermediate buffer on the energy consumption of the mining process with a substantiation parameters of soil intake devices with hydraulic drive.

Ключевые слова: гидроподъём, железомарганцевые конкреции, промежуточная капсула, грунтоза-борное устройство, гидропривод

Keywords: hydraulic hoist, ferromanganese nodules, intermediate buffer, soil intake device, hydraulic drive

Рассматривается добычной комплекс (рис. 1), ная капсула (буфер) с поддерживаемым атмосфер-

включающий придонное оборудование, в состав ным давлением, надводное плавсредство (рудо-

которого входит грунтозаборное устройство (ГЗУ) сборник) и трубопроводы, состоящие из нижней

и тележка с приводным двигателем, промежуточ- секции длиной L1 и верхней секции длиной L2.

Рудосборник

Рисунок 1 - Схема глубоководного добычного комплекса

Процесс добычи ЖМК включает в себя подготовку конкреций к транспортировке и двухступенчатый гидроподъем с глубины акватории Hx до морской

поверхности: подъем от дна до капсулы на высоту H2

, осуществляемый за счет сработанного гидростатического напора, определяемого глубиной погружения капсулы, и транспортировка из капсулы на рудосбор-ник на высоту H , производимая грунтовыми насосами, установленными в капсуле.

При определении эффективного режима эксплуатации системы за основные параметры были

выбраны следующие: глубина акватории Н1, радиус обработки поля r, длина трубопровода Lx и

L ; конструкция трубопровода, связанная с потерями энергии, плотность твердого и морской воды р и р , плотность гидросмеси р , удельный расход q, пористость конкреций Ж, объемная

концентрация С б, скорость потока V , критическая скорость гидросмеси V .

Необходимым условием при эффективной работы системы является постоянство производительности, достигаемой гзу - G = const.

Для устойчивого процесса гидроподъема конкреций от дна до капсулы должно выполняться условие:

V

> 1,1v

кр 7

трубопровода определяется как функция относительной глубины погружения капсулы Н = ,

с учетом потерь напора на сопротивления в трубопроводе:

V =

см

2 gH

H

(2)

I

где % - коэффициент гидравлического сопротивления; - коэффициент местных сопротивлений шарового шарнира; О - внутренний диаметр трубопровода; I - длина звена составного трубопровода положительной плавучести, ^ - длина нижней секции трубопровода, определяемая как

L =аН, 1 +

Г \2

f R Л v H1 у

с учетом радиуса

окружности обрабатываемого поля Я и коэффициента безопасности С.

Критическая скорость потока определяется по формуле:

V

= 4,9^сГ = K.c°J6, (3)

(1)

где V см - средняя скорость потока; V - критическая скорость потока. Таким образом, необходимым и достаточным условием функционирования системы гидроподъема по трубопроводу нижней секции является превышение скорости потока критического значения, определяемого крупностью частиц конкреций. Скорость потока в нижней части

18Р

где С - коэффициент лобового сопротивления конкреций, С б - объемная концентрация гидро-

смеси;

ент.

к4 = 4,9

gD

C

размерный коэффици-

Объемная концентрация и плотность гидросмеси определяются по формулам:

4

Соб

P =

г^ см

Рсм — P0 = K2KWHP0 +PтеК4 Pте _P0 K2K3\[H + K4

^P0 +Pте(1 - т)_ K4

+ (1 - m)

q

K2 K3 л/ H + K,

(4)

(5)

где P т

плотность твердой составляющей

потока, ро - плотность воды, q

Q

Q

K = F

P т

G

К. = 1 — m - размерные и без-

- удельный

P т

фазы, т

K 2 =

размерные коэффициенты.

При подстановке коэффициентов К1...К4 в формулы (2) - (5) условие (1) с учетом некоторых

объемный расход твердой допущений и преобразований (замене л[И = 2,

К к

а =-4— , Ь = <хКх т д ) принимает

расход пульпы, ^ - объемный расход жидкой фазы, и =

пористость твердых частиц

K 2K 3

K 2K 3

v D l у

•о, 1 +

2

' Л Л

v H1 у

Н =

16а3 N + 9a4 — 256

b

следующий вид:

24 + аг3 -Ь = 0. (6)

Решением уравнения (6) будут четыре корня. Единственным неотрицательным действительным

будет г2 = И :

--И 2

2 Л2

a

+--M

3M 16

16a2 — — + 128M 3M

2

+

4a2 — — + 32M 3M

32N

(7)

где обозначено: м =

Wb2 b3 +

a 2b

N 0,33

vy256 27 16у

N =

a

2b

4 3M

+ 3M.

Формула (7) определяет относительную вы- твердых частиц ЖМК заданной крупности с мор-соту погружения капсулы под водную поверхность, ского дна. На рисунке 2 условие (1) выполняется в обемпечиваюющую устойчивый гидроподъем точке А, где пересекаются кривые скорости потока

и критической скорости.

Рисунок 2 - Области эксплуатации добычного комплекса

Общая энергоемкость процесса добычи ком-

Мощность грунтового насоса будет увеличи-

плексом складывается из энергоемкости процесса ваться с ростом относительного напора Н. Мощ-

гидроподъема ЖМК из капсулы на рудосборник

N

Э =-—

гп у—1

л Л G

Ун !э m

и зависит от мощности грунтового насоса

N..

и энергоемкости Э йпроцесса отделения конкреций от донной поверхности

3 „ =

отд

т

_п

мн imp 1дм 2 Унр У эр ж

Умн Утр Удм2 Упр У эр т

Где Л, Л' Лмн - КПД насоса, электродвигателя и масляного насоса, соответственно; цтр-КПД трансмиссии; Лд 2 - КПД приводного двигателя; Лнр - КПД питающего водяного насоса, расположенного на рудосборнике; Лэр - КПД электродвигателя, приводящего насос.

( \ " с

1 + Р

N =р НН

н г см 1

vD l у

8

2 гл4

gn2 D

ность всего придонного оборудования не зависит от величины Н и определяется суммарной мощностью двигателя

N ЛЛ, N Ш = эф + '

Лс

эф.пд

Л„д

где

N

эф.дм1

- мощность, затрачиваемая на вра-

(8) щение двигателя придонного оборудования, Л

КПД двигателя маслонасоса; N^ пд - мощность,

расходуемая в придонном двигателе; Л „а - КПД

придонного двигателя.

Подвод рабочей жидкости (воды) к придонному двигателю осуществляется насосом, расположенным на рудосборнике. Мощность грунтового насоса, установленного в погружной капсуле, определяется следующим уравнением:

G

Ж

V Ртв

(К 4 + К 2 Кз^Ш ) +7-, р=\0,52

(К 2 К зл/H )

X

G

Ж

р

г^ т

(к 4 + КК^Ш

"2^3

X

(9)

Мощность насоса на рудосборнике равна

нр Ро нр ^^нр ' (10)

Н = Q

нр

где ^ - расход насоса на рудосборнике, Н - напор, создаваемый насосом на рудосбор-

нр

нике ( 8

К2

gn2d; 2gj^S)2

+ H дм2 )

2

)

В - диаметр гибкого трубопровода, £ - коэффициент местных сопротивлений по длине трубопровода; Р - коэффициент запаса; Нйж2 - сработанный в гидродвигателе напор на создание движущего момента и преодоление гидромеханических сопротивлений; к - коэффициент сброса (учитывающий влияние сопротивления принимающей среды той же плотности на величину напора, выталкивающего воду).

Вытеснение отработавшей воды из приводного двигателя маслостанции осуществляется непосред-

ц0 = УИ-Ь -лИ-5) /2 ё

10 s

ственно в воду, что определяет дополнительные потери, характеризуемые коэффициентом К. Для определения значения К были выполнены специальные эксперименты. Величина коэффициента К определялась как отношение коэффициентов расхода при сливе в атмосферу Ц0 и в воду ц при переменном напоре, т.е.

ц 0

K =

М< в

(11)

где

м< в

t s

в

H

8);

$ - площадь бачка, из которого истекала жидкость, £ - площадь отверстия во вкладыше струе-

формируещего устройства, И И - соответственно, начальный и конечный напор, ^ и ^ - соответственно, время истечения воды в атмосферу и в воду.

Результаты испытаний (рис. 3) показали, что при истечении в воду имеют место дополнительные

сопротивления, что оказывает влияние на мощность насоса, питающего придонное оборудование. Коэффициент К влияет на энергоемкость процесса приготовления и, следовательно, на общую энергоемкость процесса добычи. Величина коэффициента с учетом погрешностей составила:

К = 1,06 ± 0,016.

Рисунок 3 - Результаты испытаний истечения жидкости в воду (затопленное истечение)

симости

По формулам (9) и (10) строится график зави-Ын (Н) и Ынр (Н), а по (8) график энергоемкости процесса добычи, как функции относительной глубины погружения Э(н) , (рис. 4).

Аппроксимация кривой Э = / (И) дает параболическую зависимость с коэффициентом корреля-

Я2 = 1.

ции

гшт

5 4,5 4

зо

л

t

0 к

1 3.5

к

1 1 1 О&ластъ работы насоса s | а а. в J 1 и 1 1 1 1 Область работы естественной тягн

У

У

Э=3, 3965^ + 0 R' Э, ,4231х + № = 1 смтекса 1961 У

NH У

\

\

V ^тяги

0,3 0,4 0,5 0,6

Относительная глубина

I

1 л

Л

1,6 Й

о

it

1А Ф

о

1.2 а

ш

п

1 "

я

0,3 Л 2

0,6 я

о

0,4 П

0.2

0

H.Hi

Рисунок 4 - Зависимость энергоемкости процесса добычи и мощности оборудования от Н

Мощность так же описывается параболической кривой, причем разбивается на два участка: первый - работа грунтового насоса, мощность, которого определяется по (9); работа естественной

Т7 Н

тяги, зависящая от Н =- (отношение глубины

Н1

погружения капсулы к глубине месторождения ЖМК).

Таким образом, энергоемкость процесса добычи конкреций есть функция относительной глубины, описываемая по параболическому закону, зависящая от коэффициента сброса К. Эффективный

режим системы с грунтозаборным устройством.

определяется по математической модели, с учетом комплекса варьируемых параметров.

Конструкция ГЗУ (рис. 5) имеет вертикальную ось вращения приводного двигателя 2, который концентрично установлен в защитный кожух 5, переходящий в ловитель 1, образуя кольцевой транспортирующий канал 5. Такое решение позволяет увеличить КПД грунтозаборного устройства. Отделенные рабочим органом 3 конкреции в полном объеме попадают в кольцевой канал за счет естественной тяги Н = Нх — Н2 (рис. 1), обусловленной наличием погруженной капсулы с атмосферным давлением. Скорость потока

Рисунок 5 - Грунтозаборное устройство для добычи конкреций: 1 - ловитель, 2 -двигатель рабочего органа, 3 - рабочий орган, 4 - кожух, 5 - кольцевой канал, 6 -стрела, 7 - поворотный гидродвигатель, 8 - тележка, 9 - режущие пластины

воды в зоне отделения конкреций меньше, чем в кольцевом канале, поэтому для поднятия ЖМК со дна должно выполняться следующее условие:

Р + Р + Р > G + Р , (12)

й V йй /I V тг>~ 4 '

сти рыхлителя;

Р -

подъемная сила от восходя-

где Р

^ ек

наклонной плоскости рыхлителя ( Рек = 0,55ртвУ2); V - скорость конкреции от воздействия на нее наклонной под углом а плоско-

сила воздействия на конкрецию

щего потока воды (Рвв = 0,55р0); $ - поперечное сечение конкреции (миделево); - скорость воды в зоне рыхления ЖМК; РА - подъемная

сила (Архимедова); о„ - сила тяжести конкреции

условно шарообразной формы. Разность суммы «подъемных» сил и «сопротивляющихся» подъему, равна

/

АР = £р „

(®Rcptga)2

2

- ^р0

S..

л

S„

V + ®R tga

кк cp О

2

+

S

+ Sр 0

S

V

2

-(р me -р 0 )У ,

где Ю - угловая скорость рабочего органа; Я - радиус планшайбы рабочего органа; V -

(13)

где М - момент резания на рабочем органе (

В

скорость потока в кольцевом канале;

S„„-

), Р

- сила резания,

рез г ' ср

D

площадь входных сечений, соответственно, ловителя и кольцевого канала; V - объем конкреции.

Геометрические размеры кольцевого канала (его внутренний и внешний диаметры) должны обеспечивать прохождение конкреций заданной крупности, и удовлетворять условию устойчивого гидроподъема, т.е. скорость в кольцевом канале должна превышать критическую скорость, аналогично условию (1)

^ =

D2

mp

4kb (D +

к \ крп

5) кр,

(14)

где Vф - фактическая скорость потока в нижнем трубопроводе, 6к - максимальная крупность конкреций, В - диаметр трубопровода, В -

диаметр корпуса гидродвигателя, к - коэффициент стеснения канала крепежными ребрами.

Отделение частиц конкреций от донной поверхности производится рабочим органом (рыхлитель или коническая коронка), вращение которого осуществляется объемным высокомоментным гидродвигателем. Подача исполнительного органа (качания ГЗУ в горизонтальной плоскости) производится неполноповоротным гидродвигателем. Учитывая специфику компоновки ГЗУ, гидродвигатель рабочего органа должен быть достаточно компактным и обеспечивать необходимую мощность резания, которая находится по формуле:

Я - Я

N. = Мю = 7рЬ6 ст „ рот ю , (15)

эф

2

М = Р ^

рез 2

средний диаметр рабочего органа, Ю - угловая скорость рабочего органа, 7 - количество рабочих камер в гидродвигателе, р - давление в рабочей камере, Ь - длина рабочей части ротора, 6 - радиальная высота рабочей камеры, Я - радиус

статора, Я - радиус ротора.

Устойчивый процесс гидроподъема в кольцевом канале осуществляется при определенной площади его сечения, на величину которой влияет радиус статора, определяемый из условия (14)

Я = 0,5(В - 2Н), (16)

ст 7 \ крп /' 4 7

где Н - толщина стенки корпуса.

Остальные конструктивные параметры двигателя определяются машинным способом с помощью программы ЕпётеС.

Обеспечение заданного уровня производительности достигается применением ГЗУ с вертикальным осью вращения двигателя и образованием кольцевого канала, по которому происходит устойчивый процесс гидроподъема конкреций заданной крупности.

ВЫВОДЫ

1. Энергоемкость процесса добычи железомар-ганцевых конкреций системой с грунтозаборным устройством, имеющей режим эффективной работы, описывается параболической функцией относительной глубины погружения промежуточной капсулы.

2. Эффективный режим работы морского добычного комплекса на шельфе, характеризуемый глубиной погружения промежуточной капсулы, определяемой математической моделью с учетом комплекса варьируемых параметров.

2

2

3. Рациональные параметры грунтозаборного устройства, характеризуемые производительностью системы по горной массе и мощностью, обеспечиваются вертикальной и концентричной установкой гидродвигателя исполнительного органа во всасывающем трубопроводе и ловителя, накрывающего зону добычи с образованием кольцевого канала, формирующего направленный поток гидросмеси железомарганцевых конкреций заданной крупности.

4. Механические характеристики гидродвигателя для привода грунтозаборного устройства и местные сопротивления на выходе из приводного двигателя при сливе рабочей жидкости в окружающую среду (морскую воду) зависят от коэффициента сброса К в водную среду, величина которого равна 1,06.

Литература

1. Сержан С.Л., Александров В.И. Грунтозаборное устройство. Патент РФ № 2517288 / Опубл. 27.05.2014, Бюл. №15. 2014 - 10с.

2. Сержан. С.Л. Оснащение грунтозаборного устройства рабочим органом с объемным гидродвигателем / Горное оборудование и электромеханика. - 2013. - №10. - С. 39-42.

3. Нурок Г.А., Бруякин Ю.В., Бубис Ю.В.

Технология добычи полезных ископаемых со дна озер, морей и океанов. М., 1979. - 381с.

4. Ялтанец И.М., Егоров В.К. Гидромеханизация. Справочный материал. - М.: Издательство МГГУ, 1999. - 338с.

5. Юнгмейстер Д.А., Смирнов Д.В., Соколова Г.В. Обоснование параметров и компоновок придонных агрегатов для сбора железомарганцевых конкреций/Горное оборудование и электромеханика, №8, 2010.

6. Алиев Н.А., Акопов С.Г., Джангиров В.А., Шулико В.П. Гидроподъем полезных ископаемых со дна морей и океанов посредством корпусно-секционных турбомашин/Теория и практика металлургии, №5, 2009, с. 111-119.

7. Грейнер Л. Гидродинамика и энергетика подводных аппаратов/Пер. с англ. - Л.: Судостроение, 1978. - 384с.

8. Герхард Хаукс. Подводная техника. Пер. с нем. - Л.: Судостроение, 1979, 288 с.

9. Кириченко Е.А., Гоман О.Г., Кириченко В.Е., Романюков А.В. Моделирование динамических процессов в глубоководных пневмогидро-транспортных системах. Монография. - Днепропетровск.: изд. НГУ, 2012. - 266с.

10. Антонов Я.К., Козыряцкий Л.Н., Малаш-кина В.А. Гидроподъем полезных ископаемых. -М.: Недра, 1995, 173с.

КЛАСТЕРНЫЙ АНАЛИЗ В ЗАДАЧАХ ОЦЕНКИ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ ГОРОДСКОЙ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ

Башкатов А.М.

Приднестровский государственный университет им. Т.Г.Шевченко, к.т.н.

Тирасполь

CLUSTER ANALYSIS IN THE TASKS FOR ASSESSMENT POLLUTION OF URBAN AIR ENVIRONMENT

Bashkatov A.M.

Transnistrian State University T.G. Shevchenko, assistant professor

Tiraspol

АННОТАЦИЯ

В рамках экологического мониторинга предлагается применить методы кластерного анализа, которые на основе ввода групп индексно - территориальных показателей и нормирования частот регистрации выбросов на постах контроля, учете данных метеоконтроля, позволят прогнозировать уровни загрязнения воздушной среды в отдельных районах города.

ABSTRACT

As part of the environmental monitoring is proposed to apply the cluster analysis methods that, based on the input groups indexed - territory cial indicators and valuation Frequency Registration emissions control posts, taking into account the meteorological monitoring data will allow forecasting vat air pollution levels in some areas of the city.

Ключевые слова: кластерный анализ, индексный показатель, уровень, фактор, загрязнители воздуха, экологический мониторинг

Keywords: cluster analysis, index, level, factor, air pollutants, environmental monitoring

проблемы

Контроль над состоянием воздушной среды является неотъемлемой частью экологического мониторинга, где о характере загрязнений опасными

химическими веществами и пылью судят о безопасности объекта/территории. На практике эти операции осуществляют путем дистанционного зондиро-