Обоснование и выбор параметров системы гидротурбинного привода горной машины для подводной добычи железомарганцевых конкреций

Минеральные ресурсы континентов, которые широко используются в промышленности, ограничены. Месторождения полезных ископаемых постепенно истощаются, их эксплуатация становится все более сложной и дорогостоящей, вероятность обнаружения на континентах новых месторождений с каждым годом уменьшается. Основная масса крупных материковых месторождений цветных металлов уже открыта, разведаны их запасы и многие из них разрабатываются [73]. Однако в последние десятилетия было установлено, что дно морей и океанов располагает огромными ресурсами полезных ископаемых, которые уже успешно разрабатываются в прибрежных районах мирового океана. Среди полезных рудных ископаемых в океанах выделяются следующие типы [71]: гидротермальные сульфидные постройки на поверхности океанического дна, сульфидная минерализация в толще океанической коры (природные образования), железомарганцевые концентрации на дне глубоководных впадин, металлоносные осадки открытого океана, прибрежно-морские россыпи [34]. Разработка подводных россыпей за рубежом дает до 100% циркония и рутила, около 70% ильменита и более 40% касситерита. По данным экономистов США, морские россыпи уже в 1968 г. дали сырья на 50 млн долл. Некоторые страны полностью или в значительной степени удовлетворяют свои потребности в том или ином минеральном сырье за счет разработки подводных месторождений.

Ведущее место в добыче россыпных металлоносных минералов занимает Австралия, ее восточное побережье, где россыпи тянутся на полторы тысячи километров. Только в песках этой полосы содержится около 1 млн. тонн циркона и 30.0 тыс. тонн монацита. Ведущим производителем концентратов ильменита, рутила и циркона являются также США (россыпи этих металлов почти повсеместно распространены на шельфе Северной Америки — от Калифорнии до Аляски на западе и от Флориды до Род-Айленда на востоке). Наиболее богатые в мире прибрежно-морские и подводные аллювиальные россыпные месторождения оловоносной руды — касситерита сосредоточены в странах Юго-Восточной Азии: Бирме, Таиланде, Малайзии и Индонезии. Морские месторождения приобретают все большее значение из-за истощения запасов на суше и потому, что морские месторождения оказались богаче наземных по содержанию металла. Более или менее значительные и богатые прибрежно-морские россыпи магнетитовых (содержащих железо) и титаномагнетитовых песков встречаются на всех континентах [9]. Однако промышленными запасами располагают далеко не все из них. Крупнейшие по запасам скопления железистых песков расположены в Канаде. Весьма значительными запасами этих минералов располагает Япония. Разработка прибрежно-морских россыпей магнетита осуществляется в Индонезии и Филиппинах. На Украине россыпные титано-магнетитовые месторождения эксплуатируются на пляжах Черного моряв Тихом океане — в районе острова Инсурут [39]. Особый интерес в международных экономических отношениях представляет добыча полиметаллических, или, как их чаще называют, железомарганцевых конкреций (ЖМК) [7,10]. В их состав входит множество металлов: марганец, медь, кобальт, никель, железо, магний, алюминий, молибден, ванадий, всегодо 30 элементов, но преобладают железо и марганец. ЖМК встречаются в большом диапазоне глубин, их находят в пределах шельфовых морей — Балтийском, Карском, Баренцевом и др. Однако наиболее ценные и перспективные месторождения расположены на дне Тихого океана. В полиметаллических конкрециях имеется больше, чем на суше, кобальта в 5 тыс. раз, марганца — в 4 тыс. раз, никеля — в 1,5 тыс. раз, алюминия — в 200 раз, меди — в 150, молибдена — в 60, свинца- 50 и железа — в 4 раза [6,8,14]. Поэтому добыча ЖМК из морских недр очень выгодна.

Несмотря на то, что, на данный момент, разработано большое количество комплексов для добычи полезных ископаемых с поверхности морского дна, как отечественными, так и зарубежными специалистами, они не могут считаться приемлемыми, так как не в полной мере отвечают современным требованиям к надежности, не обладают достаточной производительностью, не могут работать при сложном рельефе дна, в неблагоприятных погодных условиях и не обеспечивают необходимые показатели экологичности [20].

Все выше изложенное показывает, что разработка комплексов и привода горных машин для подводной добычи полезного ископаемого является актуальной задачей и для успешного решения требует проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований. Все это подтверждается Федеральной целевой программой «Мировой океан», одной из подпрограмм которой является создание технологий для освоения ресурсов и пространств Мирового океана. (Указ президента Российской Федерации от 17 января 1997 г.).

Цель работы — научное обоснование и установление закономерностей, позволяющих выявить рациональные параметры системы с гидротурбинным приводом, обеспечивающей устойчивую работу подводной добычной машины с максимальной мощностью на исполнительном органе и использующей в качестве источника энергии гидростатическое давление, определяемое глубиной погружения.

Идея работы — работа подводного гидротурбинного привода добычных машин с максимальной мощностью при переменном характере изменения внешних нагрузок и использовании источника постоянного давления обеспечивается путем одновременного изменения определяющих факторов на основе функциональных зависимостей, связывающих их с нагрузкой и мощностью на его исполнительном органе и определяемых на стадии проектирования добычной системы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

1. Провести анализ работы гидротурбинных приводов подводных добычных машин и определить области изменения значимых факторов.

2. Разработать алгоритм функционирования системы гидротурбинного привода подводной добычной горной машины, обеспечивающий ее работу с максимальной мощностью на выходном валу турбины и выполнить компьютерное моделирование работы устройства.

3. Получить математическое описание и разработать устройство для реализации полученного алгоритма функционирования.

4. Разработать стенд и план факторного эксперимента, построить экспериментальные статические и динамические характеристики физической модели устройства.

5. Разработать методику расчета параметров подводного гидротурбинного привода горной машины, обеспечивающего устойчивую работу при максимуме полезной мощности.

Методы исследований: при решении поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования включали составление блочных и принципиальных схем, их математическое описание, компьютерное моделирование, анализ полученных результатов. Экспериментальные исследования включали создание физической модели, разработанной системы гидропривода, разработку многофакторных планов, проведение экспериментов при широком диапазоне регулирования основных параметров. Результаты экспериментов обрабатывались методами математической статистики.

На защиту выносятся следующие научные положения:

1. При использовании источника постоянного входного давления режим работы подводного гидротурбинного привода с максимальной мощностью определяется путем совместного решения уравнений связи между сработанным давлением, угловой скоростью, нагрузкой, мощностью и конструктивными параметрами турбины, что позволяет определить геометрическое место точек рабочих режимов и максимальных мощностей.

2. При работе горной машины по добыче железомарганцевых конкреций и переменном характере изменения внешних условий среды следует использовать алгоритм управления, обеспечивающий режим работы подводного гидротурбинного привода с максимальной мощностью, определяемый путем выбора сработанного давления как функции угловой скорости и нагрузки на исполнительном органе, а также скорости передвижения устройства.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Установлено, что для подводного гидротурбинного привода, работающего с источником постоянного давления, имеется функциональная зависимость между сработанным давлением, угловой скоростью, нагрузкой и конструктивными параметрами, обеспечивающая его устойчивую работу с максимальной мощностью.

2. Получены аналитические зависимости, позволившие разработать методику определения режимных параметров, обеспечивающую максимальную мощность подводного гидротурбинного привода при непрерывном изменении нагрузок.

3. Выявлены зависимости, позволившие разработать методику определения конструктивных параметров гидротурбинного привода по результатам испытаний его физической модели в режиме холостого хода и торможения.

Практическая значимость работы:

1. Разработана методика расчета параметров подводных гидротурбинных приводов, обеспечивающая устойчивую работу при максимуме полезной мощности.

2. Разработан алгоритм, обеспечивающий максимальную мощность на валу исполнительного органа при переменных нагрузках.

3. Разработан алгоритм определения статических и динамических характеристик гидротурбинного привода.

4. Разработан стенд для испытаний физических моделей подводных гидротурбинных приводов, позволяющий определять их статические и динамические характеристики во всем диапазоне изменения нагрузок.

Личный вклад соискателя:

1. Разработан алгоритм, обеспечивающий работу гидротурбинных приводов с максимальной мощностью.

2. Разработано устройство, реализующее алгоритм работы гидротурбинных приводов с максимальной мощностью.

3. Получены зависимости между угловой скоростью, сработанным давлением, нагрузкой и скоростью движения подводной добычной машины, позволяющие определить рациональный режим работы.

4. Разработан экспериментальный стенд, позволяющий имитировать условия работы добычного модуля под водой, в частности, ступенчатое изменение нагрузки на исполнительном органе.

5. Разработана методика определения на стадии проектирования параметров работы подводного радиального гидротурбинного привода в режиме максимальной мощности при переменных внешних нагрузках.

Реализация работы. Полученные научные результаты и разработанная методика расчета системы гидротурбинного привода горной машины переданы в ФГУП «ВНИИОкеангеология им. И.С. Грамберга» для использования при проектировании привода подводных машин.

4.1. Выводы по четвертой главе.

1. Разработанная методика позволяет определить максимальную мощность привода на стадии проектирования системы при заданных конструктивных параметрах.

2. В случае не полной априорной информации методика позволяет определить недостающие данные и определить максимальную мощность.

3. Методика позволяет прогнозировать изменения максимальной мощности в зависимости от изменения скорости самоходной тележки и нагрузки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой на базе выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований содержится новое решение актуальной научной задачи, заключающейся в обосновании и выборе параметров системы гидротурбинного привода горной машины обеспечивающей повышение эффективности подводной добычи железомарганцевых конкреций.

1. Доказано, что использование зависимостей между сработанным давлением, угловой скоростью, нагрузкой, мощностью и конструктивными параметрами позволяет увеличить мощность гидротурбинного привода на 15−30% при непрерывном изменении внешних условий.

2. Экспериментально установлено, что предложенный алгоритм управления подводной горной машины, реализованный на физической модели, обеспечивает максимальную мощность гидротурбинного привода в пределах 12−30 м глубины погружения подводного модуля, угловой скорости в диапазоне 40−140 с" 1 и скорости перемещения ходовой тележки от 0,1 до 1 м/с.

3. Показано, что для подводной добычи полезных ископаемых целесообразно в качестве привода исполнительного органа добычной машины использовать радиальный гидротурбинный привод, работа которого обеспечивается перепадом давлений между подводным модулем и поверхностью океана и не требует специальных насосов и электрооборудования.

4. Разработана методика расчета параметров подводных гидротурбинных приводов, обеспечивающих устойчивую работу при максимуме полезной мощности.

5. Разработана методика определения конструктивных параметров гидротурбинного привода по результатам испытаний модельного образца в режиме холостого хода и торможения.

6. Разработан алгоритм определения статических и динамических характеристик радиального гидротурбинного привода подачи исполнительного органа.

7. Использование результатов исследования, в частности, разработанного устройства для управления системой гидротурбинного привода повышает производительность добычи полезного ископаемого и увеличивает время безотказной работы гидротурбин.