Положение в угольной отрасли в России на сегодняшний день достаточно тяжелое. За последние годы в нашей стране происходило снижение добычи угля, которая в 1996 году составила около 250 млн. т. При этом доля угля в топливно-энергетическом балансе России упала до 12 $, а в производстве электроэнергии — до 26% [ [ ] .
В связи с этим специалистами компании «Росуголь» были разработаны научно-практические основы и стратегия реструктуризации угольной промышленности в полностью рентабельное производство. Программа реструктуризации предусматривает реализацию комплекса первоочередных и долгосрочных мер, направленных на повышение эффективности угольных предприятий и обеспечение конкурентоспособности российских углей. Осуществление поставленных задач связано, в первую очередь, с сокращением количества производственных единиц и созданием прибыльного угольного производства на базе перспективных и стабильно работающих угольных предприятий.
По сравнению с 1993 годом нагрузка на очистной забой выросла примерно на 40 $, а удельный вес комплексно-механизированной добычи увеличился с 84% до почти 20% [ { ]. В связи с намеченной реструктуризацией эта тенденция сохранится, что повлечет за собой потребность в создании нового, более совершенного оборудования, отличающегося большей эффективностью и надежностью работы.
Вопрос повышения надежности работы механизированных комплексов на горных предприятиях являлся и является одним из важнейших для добывающей промышленности. В настоящее время в связи с участившимися авариями на шахтах эта проблема приобретает решающее значение. Актуальность задачи повышения надежности горно-добывающей техники определяется также высокой стоимостью оборудования и недостаточно развитой на сегодняшний день ремонтной базой.
Как показывает опыт самым ненадежным и наиболее дорогостоящим элементом в механизированной крепи является гидропривод, стоимость которого составляет более 50^ общей стоимости всей крепи. Основной причиной снижения надежности и эффективности работы гидропривода является загрязненность гидросистемы и потеря рабочей жидкостью своих основных эксплуатационных свойств, следствием чего является преждевременный износ и отказ деталей в процессе работы.
Исследованиями установлено, что от 50 до 80%" всех отказов гидросистемы происходит в результате износа, вызванного повышенной загрязненностью рабочей жидкости Z ] • Поэтому эксплуатационные свойства последней в значительной степени являются решающими для обеспечения надежности и стабильности работы гидропривода механизированных крепей очис тных комплексов.
Эффективность и целесообразность использования водо-масляных эмульсий в качестве рабочих жидкостей для гидросистем механизированных комплексов подтверждена многолетним отечественным и зарубежным опытом их эксплуатации. Однако, несмотря на общие положительные результаты, в ряде случаев все еще наблюдается интенсивная коррозия узлов и деталей механизированной крепи и, как следствие, низкий срок службы отдельных гидроэлементов.
Работы, направленные на решение проблемы получения водомасляной РЖ, обладающей необходимыми защитными свойствами в повышении ресурса гидропривода мехкрепи и комплекса, в целом ведутся в двух направлениях:
— получение PS на базе новых присадок;
— получение эмульсий на базе серийных присадок с применением эффективной диспергирующей техники.
Оба направления не исключают друг друга, однако во втором случае поставленная задача может быть решена в более короткие сроки, тогда как создание и освоение производством новой присадки потребует гораздо больше времени.
Б связи с вышесказанным наибольшее внимание следует уделять вопросам качественного приготовления РЖ в процессе эксплуатации гидросистемы.
Результаты исследований, доказанные практикой, свидетельствуют, что такие основные свойства эмульсии, как стабильность, концентрация, смазывающая способность, антикоррозийная защита, напрямую зависят от линейного размера частиц дисперсной фазы. Причем лишь частицы, диаметр которых не превышает 5 мкм, обладают адгезионной способностью образовывать защитный слой на поверхности трущихся пар, предохраняя их от износа.
Исследователями ИГД им. А. А. Скочинского «Гипроуглемаш» были установлены зависимости смазывающей способности от концентрации некоторых эмулъсолов, применяемых для приготовления РЖ. Характерно, что увеличение концентрации присадки также приводит к снижению смазывающей способности эмульсии, как и её уменьшение, т. е. необходимо придерживаться определенного процентного содержания эму льеола в воде.
В МГГУ Л. А. Омеличкиной была проведена работа по определению влияния дисперсного состава Ш на её смазывающую способность. Полученные результаты свидетельствуют о существенном, снижении скорости износа трущихся поверхностей о О при смачивании их высокодисдерсными эмульсиями, приготовленными при помощи гидромеханиче ского диспергатора.
Как показывает опыт, задача обеспечения требуемого качества? Ж в угольной промышленности может быть решена комплексом мер: начиная с конструирования гидроузлов и применения совершенных методов получения и поддержания необходимых эксплуатационных свойств РЖ, кончая организацией работ по контролю за качеством рабочей жидкости. Правильное решение данной задачи, по мнению специалистов, при незначительных затратах позволит в десятки и сотни раз поднять долговечность гидроузлов, во много раз снизить затраты труда на ремонт и техническое обслуживание ги др ош и пир ов анк ой машины в целом [ 3 ] .
Однако проблему обеспечения надежности работы гидропривода невозможно решить, уделяя внимание только вопросам качества приготовления эмульсий. Опыт показывает, что во время эксплуатации гидросистемы рабочая жидкость подвергается различным физико-химическим процессам — седиментации, коагуляции, бактериологическому заражению и др., что приводит к её загрязнению и преждевременному «старению'*.
Загрязненность рабочей жидкости (особенно твердыми частицами) является на сегодняшний день главной причиной отказов и неисправностей гидросистем, в 3−12 раз сокращающей срок службы гидроагрегатов [ 4 ] •.
Существующие способы очистки РЖ, основными из которых являются отстаивание, фильтрование и центрифугирование, как правило, не могут обеспечить в полной мере восстановления утраченных эмульсией свойств. К тому же периодическая очистка РЖ приводит к простоям оборудования и требует дополнительных затрат на ее проведение.
Следует обратить внимание на то, что в передовых и развитых в области угольного машиностроения странах (Великобритания, США, Германия и др.) намечена тенденция снабжения механизированных угледобывающих комплексов устройствами для приготовления и регенерации рабочей жидкости. Применение данных устройств позволяет значительно снизить расходы на обслуживание гидроагрегатов? 5 ] .
Наибольшая эффективность яри решении задачи регенерации РЖ достигается, как показывает опыт, при помощи преднамеренного диспергирования механических примесей и продуктов окисления масла высокоэффективными диспергирующими средствами. Проведенные в этой области исследования показали, что при регулярной регенерации ЕЕ путем ее диспергирования, можно значительно повысить надежность работы гидропривода и сократить расход запасных частей на устранение отказов в работе механизированной крепи и очистного комплекса в целом.
Перечисленные выше факты позволяют считать актуальной для горной промышленности задачу обоснования параметров статического вихревого диспергатора для приготовления и регенерации рабочей жидкости, повышающего надежность функционирования механизированных крепей.
Дель работы — обоснование параметров и разработка рекомендаций по применению статического вихрезого, диспергатора для приготовления и регенерации рабочих жидкостей, позволяющих повысить надежность работы гидроэлементов механизированной крепи.
Идея работы — оснащение магистрали сброса насоса высокого давления применяемых станций статическим вихревым дис-пергатором, позволяющее использовать кинетическую энергию потока рабочей жидкости вместо электрической энергии привода диспергатора.
Научные положения, разработанные соискателем, их новизна:
— установлена зависимость меж, щг положением впервые предложенного конусного рассекателя потока и частотой акустических колебаний, генерируемых в статическом вихревом диспер-гаторе (СВД);
— установлено, что диспергирующее действие статическо- 1 го вихревого диспергатора сравнимо с действием ультразвука т / ° небольшой интенсивности (/=3 Вт/см*), что позволяет достигать необходимой дисперсности рабочих жидкостей;
— установлено, что скорость износа трущихся поверхностей, смачиваемых эмульсиями, полученными в СВД, в 1,5 раза ниже, чем для эмульсий, приготовленных механическим перемешиванием;
— определена величина угла наклона каналов в гидромеханическом диспергаторе, при котором гидравлическое сопротивление при движении потока жидкости через модулятор минимально.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и «рекомендаций обеспечивается представительным объемом экспериментальных данных, позволивших получить оценки показателей безотказности насосных станций и гидрооборудования механизированных крепей, работавших с применением статического вихревого диспергатора и без него, с доверительной вероятностью! Г не менее 0,8 и величиной относительной ошибки сР не более 0,2- снижением в 1,5−2 раза с применением установки смесительной эмульсионной (УСЭМ) и насосных станций, снабженных вихревыми диспергаторами, количества отказов элементов и узлов гидросистемы мехкрепи, а также уменьшением расхода запасных частей, использованных для устранения этих отказов.
Значение работы. Научное значение заключается в:
— установлении значения площади входного отверстия статического вихревого диспергатора, определяемого положением конусного рассекателя потока, при котором обеспечивается получение необходамой дисперсности рабочих жидкостей з.
Т>|Г" оьд;
— определении величины угла наклона каналов ротора и статора гидромеханического диспергатора, обеспечивающего наименьшее гидравлическое сопротивление при прохождении жидкости через модулятор ГЩ.
Практическое значение заключается в разработке практических рекомендаций по применению статического вихревого диспергатора в магистрали сброса насоса высокого давления насосных станций с целью регенерации рабочей жидкости механизированных крепей.
Реализация вьводов и рекомендаций.
По разработанным рекомендациям изготовлены опытные образцы статического вихревого диспергатора и проведены стендовые и промышленные испытания в ПО «Беларуськалий», по результатам которых было принято решение оснастить ОВД в 1998 году механизированные крепи, применяемые на этом предприятии .
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международном симпозиуме «Горная техника на пороге XXI века» (1996), на техническом совете ОАО «МЭЗ» (1997).
Публикации: По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ и получен I патент на изобретение.
Объем работ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Работа содержит 184 страниц машинописного текста, включая 61 рисунок на 53 страницах и 12 таблиц.
ВЫВОДЫ :
1. Конструкция статического вихревого диспергатора с рассекателем потока позволяет регулировать частоту акустических колебаний, генерируемых СВД и осуществлять тем самым его настройку на заданные режимные параметры насосной станции.
2. Средний диаметр частиц эмульсий, получаемых в статическом вихревом диспергаторе, не превышает 5 мкм.
3. Стабильность и концентрация получаемых в СВД эмульсий, а также бактерицидное воздействие, которое оказывают акустические колебания на обрабатываемую среду примерно в 1,5 раза выше, чем при механическом способе получения эмульсий.
4. Диспергирующее действие статического вихревого диспергатора сравнимо с действием ультразвука небольшой о интенсивности (1=3 Вт/см^).
5. Скорость износа трущихся поверхностей, смачиваемых эмульсиями, при го т ов л е иными в СВД, в 1,5 раза ниже, чем для эмульсий, полученных механическим перемешиванием.
Глава ЗУ. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОШиШЕННЫХ ШНТАНйк РАЗРАБОТАННОГО оборудования ш шшяшения.
И РЕГЕНЕРАЦИИ РАБОЧЕЙ 2ВДС0СТИ J. yiH 1ЩР0-СИСТЕЫ ШХАШЗЙРОВАШХ хСРЖШ.
Испытания созданного нами оборудования в промышленных условиях проводились с целью установления целесообразности использования его на предприятиях горной промышленности для повышения аффективноети и надежности работы гидросистем механизированных крепей очистных комплексов. Оценка целесообразности производилась путем сравнения дисперсности эмульсий, работающих в гидросистеме механизированных крепей с использованием диспергирующих устройств и без них. Кроме того, оценивалось влияние непрерывной регенерации рабочей жидкости на увеличение срока службы элементов гидрооборудования и снижение количества отказов в процессе эксплуатации гидросистемы мехкрели.
4.1. Результаты испытаний насосной станции A3—2С1Л (Польша, Германия), снабженной СВД для регенерации рабочей жидкости.
Насосная станция A3−2CLI, снабженная статическим вихревым диспергатором, прошла испытания на 4-м рудоуправлении производственного объединения «Белкалий» (Беларусь) в составе комплекса ЕДВ (Германия) в течение шести месяцев в период с декабря 1996 по июнь 1997 гг.
Насосные станции типа A3 производства Польши, Германии предназначены, в основном, для питания механизированных крепей водомаедяной эмульсией с 3−5 $ содержанием эмульсола£5?].
Станция АЗ-2СН была выбрана для испытаний не случайно, так как она является аналогом отечественной насосной станции СШ-55 и имеет магистраль сброса насоса высокого давления, в которой и устанавливается вихревой статический даспергатор с целью регенерации рабочей жидкости, идущей на сброс в резервуар системы. Схема станции, снабженной вихревым дис-пергатором, представлена на рис. 4.1.
Насосная станция работает следующим образом. Рабочая жидкость засасывается из бака 8 насосной установкой I и через блок фильтров 3 подается в гидросистему механизированной крепи, откуда через фильтр 4 сливается обратно в бак 8. Закачивание эмульсии из бака производится при помощи специальной поплавковой системы забора рабочей жидкости. Пневмогидроаккумулятор 2 предусмотрен для компенсации утечек и демпфирования пульсаций давления в гидросистеме.
При достижении номинального давления в питающей магистрали гидросистемы, автомат разгрузки переключает подачу на слив в бак по магистрали сброса, в которой установлен вихревой даспергатор, подвергающий рабочую жидкость регенерации.
Процесс регенерации может идти непрерывно. Для этого после остановки насоса высокого давления I включают шестеренчатый насос 5 и при открытом кране 7 рабочая жидкость из бака перекачивается через вихревой даспергатор обратно в бак.
Водомасляная эмульсия готовилась на основе присадки РЗМ при помощи автономной установки для приготовления рабочей жидкости УСЭМ, непосредственно на добычном участке. Для приготовления эмульсии 3/ь-ной концентрации в бак для воды закачивалось 1500 л воды, а в бак для присадки — 45 л эмульсола. Рабочая жидкость готовилась в течение 20 мин и затем насосной станции АЗ-2СМ (Германия): I — насосный узел, 2 — установка гидроаккумулятора, 3 — блок фильтров, 4 — фильтр на сливе, 5 -насос перекачной, 6 — вихревой диспергатор, 7 — вентиль, 8 — бак для РЖ. подавалась в бак для эмульсии насосной станции АЗ-2СМ, снабженной вихревым диспергатором.
Микроскопический анализ отобранных из бака станции проб полученной эмульсии показал, что средний диаметр ее частиц не превышает 5 мкм. Дисперсность образцов оценивалась при помощи счетчика Коултера модели ТА.
Пробы эмульсии готовились следующим образом. Образец рабочей жидкости небольшого объема (20 мл) разбавляли 400 мл деионизированной дистиллированной воды. Затем I мл полученной смеси помещали в 200 мл раствора хлорида натрия с концентрацией С у 5% и тщательно перемешивали.
Распределение частиц эмульсий по размерам характеризовалось при помощи следующего выражения, предложенного в статье • fx3n0(x)dx 4.
Jx-'n6(x)cLx 9 где х — диаметр частиц,.
По (х) — функция распределения числа частиц, М3(х) — функция распределения объема.
В ряде работ 60 J говорится о целесообразности применения счетчика Коултера для регистрации частиц диаметром менее 5 мкм. В этих работах также указывается на хорошую сходимость результатов, полученных с помощью счетчика Коултера и других методов, в частности микрофотографии, микроскопии и нефелометрии. V.
Для микроскопического исследования дисперсного состава были отобраны пробы эмульсии из гидросистем механизированных крепей очистных комплексов, оборудованных на участках $ 5 и № 6. На первом участке в составе комплекса работала крепь? DW, питаемая насосной станцией АЗ-2СМ, оснащенной вихревым статическим диспергатором, на втором — такой же станцией без ОВД. Пробы отбирались по окончании 1-ой и 3-ей рабочих смен из баков насосных станций, секций крепи, сливных магистралей и гидростоек мехкрепей с обоих участков.
Проведенные исследования показали, что дисперсность рабочей жидкости, находящейся в гидросистеме, снабженной вихревым диспергатором, значительно выше, чем в гидросистеме, не оборудованной каким-либо диспергирующим устройством.
Кривые распределения частиц по размерам для проб эмульсий, взятых из гидросистем обоих комплексов, представлены на рис. 4.2. и 4.3. Как следует из графиков, в процессе работы гидросистемы, не оборудованной диспергатором, дисперсность рабочей жидкости значительно снизилась. В то же время в гидросистеме мехкрепи, снабженной ОВД, рабочая жидкость, подвергаясь постоянной регенерации, сохранила свой дисперсный состав практически без изменения, даже к концу третьей смены.
Некоторое уменьшение дисперсности рабочей жидкости, наблюдаемое при взятии проб из гидростоек механизированной крепи, свидетельствует о протекании процессов коагуляции капель дисперсной фазы вследствие того, что не весь объем эмульсии в гидростойке подвержен обмену.
Проведенный микроскопический анализ говорит о том, что в рабочей жидкости в процессе эксплуатации, постоянно проходит процесс коагуляции, что наряду с зазгрязнением жидкости продуктами износа и частицами, попадающими в гидросистему извне,.
Рис. 4.2. Кривые распределения частиц по размерам для РЖ, взятых в гидросистеме механизированной крепи очистного комплекса EDW, эксплуатируемого на участке № 6 4-го РУ ПО «Беларуськалий» без применения ОВД:
1 — из бака станции АЗ-2СМ (до начала работ);
2 — из бака станции (после 1-й доб. смены);
3 — из секции крепи;
4 — из сливной магистрали;
5 — из гидростойки;
6 — из бака станции (после 3-й доб. смены).
Рис, 4.3. Кривые распределения частиц по размерам для ЕЖ, взятых в гидросистеме механизированной крепи очистного комплекса EDV1, эксплуатируемого на участке № 5 4-го РУ ПО «Беларуськалий» с применением СВД:
1 — из бака станции АЗ-2СМ (до начала работ);
2 — из бака станции (после 1-й и 3-й доб. смен);
3 — из секции крепи;
4 — из сливной магистрали;
5 — из гидростойки. служит причиной снижения дисперсности эмульсии. Поэтому непрерывная регенерация рабочей жидкости предотвращает её расслоение и восстанавливает утерянные ею в процессе эксплуатации свойства.
Дальнейшие исследования работы гидросистемы мехкрепи, снабженной вихревым диспергатором, позволили выявить преимущества его использования для повышения надежности работы очистного комплекса. Сущность проведенных исследований заключалась в том, что в процессе эксплуатации на протяжении всего периода испытаний фиксировалось количество отказов в работе комплексов, оснащенного и неоснащенного вихревым диспергатором. Полученные данные представлены в табл. 4.1.
