CC BY
1УДК 621.671.22
Овчинников Николай Петрович, канд. техн. наук, доцент. Алексеев Ян Данилович, аспирант, Бояров Михаил Михайлович, студент.
Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова, 677016, Россия, г. Якутск, ул. Кулаковского, 50.
E-mail: [email protected]
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ НАСОСОВ В УСЛОВИЯХ КИМБЕРЛИТОВЫХ РУДНИКОВ
Аннотация: Подземная разработка кимберлитовых месторождений на территории Западной Якутии сопряжена с обильным поступлением шахтной воды в горные выработки. Без применения достаточного количества насосного оборудования проникающие в подземные горные выработки шахтные воды делают процесс добычи алмазосодержащих руд более сложным и в первую очередь небезопасным для рабочего персонала. В настоящее время с целью борьбы с шахтными водопритоками на подземных кимберлитовых рудниках используются различные однопоточные центробежные насосы, обладающие по сравнению друг с другом определенными преимуществами и недостатками. Так как шахтный водоотлив является неотъемлемым технологическим процессом при добыче алмазосодержащего сырья, повышение эффективности эксплуатации относящегося к нему оборудования является актуальной научно-практической задачей.
Цель работы: сравнительный анализ эффективности эксплуатации различных типов центробежных насосов, используемых в процессе подземной разработки месторождений кимберлитовых руд, расположенных на территории Западной Якутии.
Методы исследования: для достижения поставленной цели использовался комплексный подход, включающий анализ значительного статистического и практического материала по работе вышеуказанных насосов, а также ранее опубликованных работ по тематике исследования, экспериментальные исследования, проводимые на лабораторной установке, на базе консольного насоса К8/18, аналитические расчеты и компьютерное моделирование в программной среде «АРМ Win Machine».
Ключевые слова: Рудник, шахтная вода, центробежные насосы, эффективность эксплуатации, износ, подшипник.
Информация о статье: принята 19 ноября 2018 г.
Э01: 10.26730/1816-4528-2018-5-42-47
Введение. Практика показывает, что с момента ввода в эксплуатацию кимберлитового рудника «Удачный» все его водоотливные установки подверглись определенным изменениям.
Первой введенной в эксплуатацию водоотливной установкой на указанном руднике является
участковая водоотливная установка УНС-380. которая была изначально оборудована тремя центробежными секционными насосами модели ЦНС 180-212
(рис. 1).
Указанные центробежные насосы были демонтированы в декабре 2013 г., так как после запуска комплекса главного водоотлива их присутствие на руднике стало необязательным.
Откачиваемые ранее насосами шахтные воды теперь самотеком поступали в водосборники главного водоотлива.
Вскоре руководство рудника решило снова смонтировать ранее демонтированные секционные насосы модели ЦНС 180-212 по причине того, что поступаемые в водосборники главного водоотлива с вышележащих горизонтов шахтные воды в процессе своего перемещения систематически размывали почву нижележащих горных выработок.
Кроме секционных насосов модели ЦНС 180-212, на участковой водоотливной установке также были установлены два химических насоса консольного типа модели Х-200-150-500 (рис. 2).
В декабре 2014 г. секционные насосы были вновь демонтированы с рудника и отправлены на консервацию.
С того момента по настоящее время перекачку шахтной воды обеспечивают только химические насосы консольного типа. На рис. 3 показано, как выглядит водоотливная установка УНС-380 в настоящее время.
Все вышесказанное предопределило цель данной работы, заключающейся в сравнительном анализе эффективности эксплуатации секционных насосов с химическими насосами консольного типа.
Основная часть. Одним из основных показателей эффективности эксплуатации центробежного насоса, как и любой другой технологической машины, является надежность.
На кимберлитовых рудниках АК «АЛРОСА» фактическая наработка эксплуатируемых
центробежных насосов до планового ремонта или на отказ в большинстве случаев не соответствует установленным нормативам и значительно ниже их, что свидетельствует о наличии ряда факторов на производстве, неблагоприятно сказывающихся на эксплуатационных свойствах насосного оборудования.
К числу факторов, неблагоприятно сказывающихся на надежности секционных насосов, относится повышенная загрязненность откачиваемых шахтных вод находящимися во взвешенном состоянии абразивными механическими примесями, контакт с которыми приводит к постепенному истиранию деталей проточной части секционного насоса, в частности, диска и кольца гидропяты [1-8].
Стоит отметить, что интенсивный гидроабразивный износ является основной проблемой, встречаемой при эксплуатации центробежных насосов различного исполнения [1-11].
Узел гидропяты является с точки зрения безотказности наименее надежным элементом в конструкции секционных насосов, работающих на кимберлитовых рудниках АК «АЛРОСА» [7, 8].
Практика показывает, что при интенсивном гидроабразивном износе деталей узла гидропяты снижается давление в разгрузочной камере секционного насоса, что приводит к постепенному росту осевого смещения его ротора в сторону всасывания.
В конечном итоге эксплуатация секционного насоса при повышенном осевом сдвиге ротора (2,8...3 мм) может привести к катастрофическим разрушениям его базовых деталей, в частности, дисков рабочих колес, что объясняется их затиранием об корпусные детали.
Кроме этого, в условиях водоотливных установок кимберлитовых рудников снижение давления в разгрузочной камере секционного насоса наступает вследствие механического и коррозионного износа уплотнительных колец, а также засорения сетчатого фильтра приемного клапана. Отметим, что засорение сетчатых фильтров является результатом заиливания водосборников.
В работе [1] доказано, что в процессе эксплуатации секционного насоса осевая сила может возрасти в 2...7 раз, в то время как несущая способность узла гидропяты превышает начальную расчетную осевую силу лишь в 1,3... 1.4 раза.
Выполненные автором экспериментальные исследования, имитирующие работу секционного насоса при увеличенном осевом сдвиге ротора в сторону всасывания, показали, что пятикратного увеличения осевой нагрузки вполне достаточно, чтобы
Рис.3. Участковая водоотливная установка УНС-380 Fig. 3. Local pumping unit UNS-380
Рис. 2. Центробежный насос модели Х-200-150-500 Fig.2 Centrifugal pump model H-200-150-500
Рис. 4. Зависимость динамической нагрузки на подшипники насоса К8/18 от подачи Fig. 4. Dependence of dynamic stress on the bearings ofpump K8/18 from flow of water
разрушить его рабочее колесо. Затираемые на практике с рабочими колесами корпусные детали в процессе эксперимента имитировались стальным кольцом, а повышение осевой силы на ротор имитировалось увеличением момента затяжки корпусных шпилек с помощью динамометрического ключа от 2,26 до 10,73 Н м.
Исходя из вышеизложенного, констатируем, что эксплуатация секционного насоса требует особого тщательного контроля со стороны обслуживающего рабочего персонала.
Тщательный контроль за работой секционного насоса возможен только в случае его оснащения следующими контрольно-измерительными приборами, а именно датчиком измерения осевого смещения, тепло- и вибродатчиками (крепятся на подшипниковых узлах), а также теплодатчиком и расходомером (монтируются на трубе разгрузки) [7].
Практика показывает, что в условиях кимберли-тового рудника «Удачный» средняя наработка секционного насоса до отказа ниже, чем у химических насосов консольного типа.
С точки зрения безотказности наименее надежным элементом в конструкции консольных насосов (в том числе и модели Х-200-150-500) является подшипник.
В соответствии с источником [12], теоретическая долговечность Ь радиального шарикоподшипника определяется следующим образом:
60п \Р/ 4 '
где п - частота вращения ротора центробежного насоса; С - динамическая грузоподъемность подшипника (определяется по каталогу); Р- приведенная динамическая нагрузка, воздействующая на подшипник; а - степенной показатель, зависящий от типа подшипника.
Известно, что рост величины Р наблюдается при разбалансировке вала центробежного насоса. Одной из частых причин разбалансировки вала является
гидроабразивный износ посаженного на нем рабочего колеса, ведущий к снижению подачи и напора насоса [6].
Выполненные по известной формуле (2) [12] расчеты свидетельствуют, что с течением времени воздействующая динамическая нагрузка на подшипниковые опоры консольного насоса возрастает, однако значительный рост указанной нагрузки наступает только при достаточном снижении подачи насоса (рис. 4).
Р = R-k-f (2)
где Р - приведенная динамическая нагрузка, Н; R - радиальная нагрузка, Н; к- коэффициент динамичности (безопасности);/- температурный коэффициент.
Значения радиальной нагрузки и коэффициента динамичности были получены в результате экспериментальных исследований, аналитических расчетов и численных расчетов НДС ротора насоса в программной среде «АРМ Win Machine» [12-15].
В свою очередь практика показывает, что в случаях поломки подшипника(ов) рабочие колеса насосов модели Х-200-150-500 обычно находились в удовлетворительном состоянии, другими словами, потеря их массы была незначительной.
Таким образом, констатируем, что износ рабочих колес насосов модели Х-200-150-500 в условиях участковой водоотливной установки УНС-380 не является основополагающей причиной преждевременных отказов подшипников.
Опросы работников подземного механоэнерге-тического участка (ПМЭУ) Удачнинского ГОКа показали, что насосам модели Х-200-150-500 характерна периодическая работа с низкими гидравлическими параметрами. Работа насоса с такими параметрами обычно связана с преждевременной откачкой шахтных вод из горных выработок (т.е. насос начинает работать вхолостую).
Рис. 5. Термография нагретого подшипника насоса модели К8/18 Fig. 5. Thermography of heated bearing of pump model K8/18
Работа насоса на сухом ходу приводит к нарушению охлаждения его вала и сальникового уплотнения, что в конечном итоге вызывает их перегрев, а также перегрев подшипников, температура которых в условиях насосной станции УНС-380 со слов работников ПМЭУ может доходить до 90 °С.
При перегреве подшипников наблюдается ухудшение эксплуатационных свойств их смазки [13].
Экспериментально было установлено, что при температуре подшипника свыше 70 °С его консистентная смазка потеряла свою первоначальную вязкость (рис. 5).
Известно, что изменение вязкости смазки ведет к разрушениям подшипников, в частности, к интенсивному износу в местах трения.
Таким образом, установлена наиболее распространенная причина поломки подшипников консольных насосов, эксплуатируемых в условиях подземных кимберлитовых рудников (в том числе и модели Х-200-150-500).
Для обеспечения надежной работы центробежных насосов модели Х-200-150-500 предложено на их нагнетающих трубопроводах установить реле расхода, которые позволяют автоматически отключать насосное оборудование при падении протока жидкости до критического уровня.
Выводы:
1) Проведенные авторами исследования показали, что замена секционных насосов химическими насосами консольного насоса на водоотливной установке УНС-380 кимберлитового рудника «Удачный» является оправданным шагом.
2) Для повышения срока службы подшипниковых узлов действующих насосов на водоотливной установке УНС-380 авторами предложено смонтировать на их нагнетательных трубопроводах реле расхода.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Долганов A.B., Еслентьев АО.. Чераков Е.О., Торопов Э.Ю. Анализ эффективности разгрузочных
устройств шахтных центробежных секционных насосов // Известия Уральского государственного горного университета, 2014. -№ 2(34). - С. 31-35.
2. Тимухин С. А., Долганов A.B., Попов Ю.В., Чераков Е.О., Еслентьев А О, Торопов Э.Ю. О разработке шахтных центробежных секционных двухпо-точных насосов // Известия Уральского государственного горного университета, 2014. - № 2(34). -С. 41-44.
3. Долганов A.B. Шламы медно-колчеданных рудников: проблемы и пути решения // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2013. -№ 4.-С. 10-14.
4. Долганов A.B. Влияние износа элементов проточной части шахтных насосов ЦНС(К)300-360 на режимы их работы // Известия Уральского государственного горного университета, 2012. - № 27-28. -С. 110-113.
5. Стюфляев С.С. Сравнительный анализ многоступенчатого насоса типа ЦНС с оппозитным расположением колес и с гидропятой / С.С. Стюфляев, О.Г. Шипулин // Молодой ученый, 2017. - № 3. - С. 165-171.
6. Овчинников Н.П., Викулов М.А., Бочкарев Ю.С., Довиденко Г.П. // Экспериментальные исследования эксплуатационных свойств насосной установки с изношенным рабочим колесом. Горный журнал, 2016. - № 9. - С. 85-88.
7. Овчинников Н.П. Комплекс мер по обеспечению безаварийной работы главных водоотливных установок кимберлитовых рудников // Вестник Кемеровского государственного технического университета, 2018.-№ 1.-С. 112-117.
8. Vikulov М.А. Measurements of section pump of rotor axial position at Udachny mine / М.А. Vikulov М.А., N.P. Ovchinnikov, D.E. Makhno // Advances in Engineering Research, 2017. - Vol. 133. - P. 884-891.
9. Khalid Y.A. Wear analysis of centrifugal slurry pump impellers / Y.A. Khalid, S.M. Sapuan // Industrial
lubrication and tribology, 2007. - Vol. 59. - № 1. - P. 18-28.
10. Rick Kesler. Considerations is selecting a positive displacement slurry pump // Mining World, 2016. -Vol. 13(4).-P. 34-37.
11. Kranzler Thomas. Improwing pump materials for harh enviromnents / Thomas Kranzler, Raimo Arola // Sulzer Technical Review, 2013. - Vol. 2. - P. 10-12.
12. Машошин О.Ф. Теоретический расчет долговечности подшипников, установленных в агрегатах ЛА, работающих при переменных циклических нагрузках / О Ф. Машошин, В.К. Харина // Научный Вестник МГТУ ГА. Серия Аэромеханика и
прочность, поддержание летней годности ВС. 2008. -№130.-С. 106-111.
13. Михайлов А.К. Конструкции и расчет центробежных насосов высокого давления / А.К. Михайлов, В. В. Малашенко. - М.: Машиностроение, 1971.-304 с.
14. Соколов Е.В. Динамические процессы нагру-жения деталей центробежных химических насосов / Е.В. Соколов, Д.Т. Анкудинов, А. В. Феофанов // Насосы и оборудование, 2006. - № 2 - С. 22 - 24.
15. Вику лов М.А. Динамический расчет ротора насоса / М.А. Викулов. Н.П. Овчинников // Горный информационно-аналитический бюллетень, 2014. -№9.-С. 359-364.
Nickolay P. Ovchinnikov, C.Sc. (Engineering), associate professor, Yan D. Alexeev, post-graduate student, Mikhail M. Boyarov, student.
M. K. Ammosov North-Eastern Federal University, 677016, Russia, Yakutsk, Kulakovskyi St, 50.
COMPARATIVE PERFORMANCE ANALYSIS OF VARIOUS TYPES
OF CENTRIFUGAL PUMPS IN CONDITIONS OF UNDERGROUND KIMBERLITE
MINES
Abstract: Underground mining of kimberlite fields in Western Yakutia is associated with the abundant flow of mine water in mine workings. Without the use of a sufficient number of pumping equipment, mine waters that penetrate into the underground mine workings make the process of extracting diamond-containing ore more difficult and, above all, unsafe for workers. Currently, in order to combat the mine water inflows in underground kimberlite mines, various single-flow centrifugal pumps are used, which have certain advantages and disadvantages when compared to each other. Since mine drainage is an integral technological process in the extraction of diamond-containing raw materials, increasing the performance of the related equipment is an important scientific and practical task.
The main aim of the study: comparative performance analysis of various types of centrifugal pumps used in the process of underground mining of kimberlite ore in Western Yakutia.
The methods used in the study: To achieve this goal we have used a comprehensive approach including: analysis of significant statistical and practical material on the performance of the above pumps as well as previously published works on the subject of research, experimental studies conducted in a laboratory setting on the basis of the cantilever pump K8/18, analytical calculations and computer modeling in the software environment "APM Win Machine ".
Keywords: Mine, mining water, centrifugal pumps, performance, wear, bearing.
Article info: received November 19, 2018
DOI: 10.26730/1816-4528-2018-5-42-47
REFERENCES
1. Dolganov A.V., Eslent'ev AO.. Cherakov E.O., Toropov EhYu. Analiz ehffektivnosti razgruzochnyh ustrojstv shahtnyh centrobezhnyh sekcionnyh nasosov // Izvestiya Ural'skogo gosudarstvennogo gornogo universiteta, 2014. - N. 2(34).-P. 31-35.
2. Timuhin S.A., Dolganov A.V., Popov Yu.V., Cherakov E.O., Eslent'ev A.O. Toropov Eh.Yu. O razrabotke shahtnyh centrobezhnyh sekcionnyh dvuhpotochnyh nasosov // Izvestiya Ural'skogo gosudarstvennogo gornogo universiteta, 2014. - N. 2(34).-P. 41-44.
3. Dolganov A.V. Shlamy medno-kolchedannyh rudnikov: problemy i puti resheniya // Gornyj
informacionno-analiticheskij byulleten', 2013. -N. 4. -P. 10-14.
4. Dolganov A.V. Vliyanie iznosa ehlementov protochnoj chasti shahtnyh nasosov TCNS(K) 300-360 na rezhimy ih raboty // Izvestiya Ural'skogo gosudarstvennogo gornogo universiteta, 2012. - N. 27-28. - P. 110-113.
5. Styuflyaev S.S. Sravnitel'nyj analiz mnogostu-penchatogo nasosa tipa CNS s oppozitnym raspolozheniem koles i s gidropyatoj / S.S. Styuflyaev, O.G. SHipulin // Molodoj uchenyj, 2017. - N. 3. - P. 165-171.
6. Ovchinnikov N.P., Vikulov M.A., Bochkarev Yu.S., Dovidenko G.P. // Eksperimental'nye issledo-vaniya ehkspluatacionnyh svojstv nasosnoj ustanovki s
iznoshennym rabochim kolesom. Gornyj zhurnal, 2016. - N. 9. - P. 85-88.
7. Ovchinnikov N.P. Kompleks mer po obespech-eniyu bezavarijnoj raboty glavnyhvodootlivnyhustano-vok kimberlitovyh rudnikov // Vestnik Kemerovskogo gosudarstvennogo tekluiicheskogo universiteta, 2018. -N. 1.-P. 112-117.
8. Vikulov M.A. Measurements of section pump of rotor axial position at Udachny mine / M.A. Vikulov M.A., N.P. Ovchinnikov, D.E. Makhno // Advances in Engineering Research, 2017. - Vol. 133. - P. 884-891.
9. Khalid Y. A. Wear analysis of centrifugal slurry pump impellers / Y.A. Khalid, S.M. Sapuan// Industrial lubrication and tribology, 2007. - Vol. 59. - № 1. - P. 18-28.
10. Rick Kesler. Considerations is selecting a positive displacement slum pump // Mining World, 2016. -Vol. 13(4).-P. 34-37.
11. Kranzler Thomas. Improwing pump materials for harh enviromnents / Thomas Kranzler, Raimo Arola // Sulzer Technical Review, 2013. - Vol. 2. - P. 10-12.
12. Mashoshin O.F. Teoreticheskij raschet dol-govechnosti podshipnikov, ustanovlennyh v agregatah LA, rabotayushchih pri peremennyh ciklicheskih nagruzkah / O.F. Mashoshin, V.K. Harina // Nauchnyj Vestnik MGTU GA. Seriya Aehromekhanika i prochnost', podderzhanie letnej godnosti VS, 2008. - N. 130.-P. 106-111.
13. Mihajlov A.K. Konstrukcii i raschet cen-trobezhnyh nasosov vysokogo davleniya / A.K. Mihajlov, V. V. Malashenko. - M.: Mashinostroenie, 1971. — 304 p.
14. Sokolov E.B. Dinamicheskie processy nagru-zheniya detalej centrobezhnyh himicheskih nasosov / E.V. Sokolov, D.T. Ankudinov, A. V. Feofanov // Na-sosy i oborudovanie, 2006. - N. 2 - P. 22 - 24.
15. Vikulov M.A. Dinamicheskij raschet rotora na-sosa / M.A. Vikulov, N.P. Ovchinnikov // Gornyj infor-macionno-analiticheskij byulleten', 2014. - N. 9. - P. 359-364.
Библиографическое описание статьи
Овчинников Н.П., Алексеев Я.Д.. Бояров М.М. Сравнительный анализ эффективности эксплуатации различных типов центробежных насосов в условиях кимберлитовых рудников // Горное оборудование и электромеханика — 2018. —№ 5 (139). —С. 42-47.
Reference to article
Ovchinnikov N.P., Alexeev Ya.D.. Boyarov M M. Comparative performance analysis of various types of centrifugal pumps in conditions of underground kim-berlite mines. Mining Equipment and Electro mechanics, 2018, no. 5 (139), pp. 42-47.
