МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ЗІНОВ’ЄВ Сергій Миколайович

УДК 622.673.6.002.52

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ УСТАТКУВАННЯ
ДЛЯ ЗНЕВОДНЕННЯ КАНАТІВ ШАХТНИХ ПІДЙОМНИХ УСТАНОВОК

Спеціальність 05.05.06 Гірничі машини

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі гірничих машин Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор
Заболотний Костянтин Сергійович, професор кафедри гірничих машин Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ) Міністерства освіти і науки України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Дворніков Володимир Іванович, професор кафедри гірничозаводського транспорту та логістики Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України;

доктор технічних наук, професор
Білобров Віктор Іванович, головний науковий співробітник Інституту транспортних систем і технологій (м. Дніпропетровськ) Національної академії наук України.

Провідна організація – Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова (м. Дніпропетровськ) Національної академії наук України, відділ механіки машин та процесів переробки мінеральної сировини.

Захист відбудеться “ 22 ” грудня 2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .080.06 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ_, просп. Карла Маркса, 19, тел. ).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ_, просп. Карла Маркса, 19).

Автореферат розісланий “ 10 ” листопада 2004 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
канд. техн. наук О.В. Анциферов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. При видобуванні корисних копалин підземним способом важливе місце належить вертикальному транспорту. Шахтна підйомна установка (ШПУ) – відповідальна ланка у виробничому процесі. Аварія на ШПУ призводить до припинення робіт з видобутку корисної копалини, зав-даючи величезних збитків. Це визначає високі вимоги до надійності і технічного рівня установок та якості їх проектування і виробництва.

За результатами досліджень Інституту геотехнічної механіки (ІГТМ) ім. М.С. Полякова (м. Дніпропетровськ) Національної академії наук України, виконаних під керівництвом проф. П.П. Нестерова, на 85шахт Донбасу і Кривбасу вертикальні стволи обводнені ґрунтовими водами. У процесі роботи ШПУ один підйомний канатПК) виносить від 10 до 20 м3 води за добу. Винесена вода потрапляє на гальмові поля та канатоведучі шківи, що знижує безпеку роботи шахтного підйомного комплексу. Для видалення води з поверхні канатів (зневоднення) застосовують різні пристрої. Наприклад, в ІГТМ розроблена конструкція зневоднюючого пристрою з комбінованим способом очищення: потоком повітря та обтискними центрувальними роликами. Пристрої мають масу понад 100 кг, а повітряний струмінь для розпилення не повністю гаситься в їх камерах і видалена вода знову потрапляє на канат. Ефективність роботи пристрою визначається процентним співвідношенням кількості води, яка видаляється з поверхні каната за одиницю часу (інтенсивність видалення), до кількості води, що виноситься канатом за той же час (інтенсивність винесення), і досягає 85до того ж повітряним потоком видаляється від 45 до 70води. Тому підвищення ефективності роботи пристрою для зневоднення канатів повітряним потоком становить актуальну технічну задачу.

У Національному гірничому університеті запропонована конструкція зневоднюючого устаткування, в якому повітряний потік для видалення води формується створенням розрядження в камері пристрою. Це дає можливість зменшити масу пристрою та запобігти повторному попаданню на канат води, що видаляється.

Ефективність устаткування для зневоднення залежить не тільки від його конструкції, а й від раціонального вибору проектних параметрів: розмірів камери пристрою і необхідного розрядження, – які в свою чергу залежать від низки чинників, серед яких конструкція, діаметр, швидкість руху й амплітуда коливань канатів та обводненість ствола. Робота устаткування характеризується складними гідродинамічними процесами, без вивчення яких неможливо виготовити ефективну конструкцію. В ІГТМ під керівництвом професорів А.П. Нестерова та В.І. Білоброва здійснено цілий комплекс наукових дослід-жень. У результаті отримані статистичні моделі винесення води канатом. Але відсутність моделей, що описують процес видалення води повітрям, не дозволяє аргументовано підходити до вибору параметрів устаткування для зневоднення канатів. Отже, обґрунтування параметрів устаткування для ефективного зневоднення канатів шахтних підйомних установок на основі встановлення закономірностей робочих процесів – актуальна наукова задача.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Тема дисертаційної роботи пов’язана з науковим напрямом кафедри гірничих машин Національного гірничого університету. Дисертація виконана в межах держбюджетної роботи ДП–307 “Розробка наукових основ технічних рішень щодо видалення рідини з поверхні підйомних канатів” (2003-2004) за номером державної реєстрації № U001278.

Мета і задачі дослідження.

Мета дослідження – підвищити ефективність роботи устаткування для зневоднення повітряним потоком канатів шахтних підйомних установок.

Для досягнення мети поставлені та вирішені задачі:

1. Дослідити процес винесення води підйомним канатом.

2. Дослідити процес видалення води з поверхні підйомного каната.

3. Визначити параметри устаткування для зневоднення канатів та розробити рекомендації на проектування.

Ідея дисертаційної роботи полягає у визначенні параметрів устаткування для зневоднення канатів на основі аналізу взаємодії повітряного потоку з водою на поверхні каната, використовуючи сучасні методи гідродинаміки.

Об’єкт дослідження – робочі процеси устаткування для зневоднення канатів шахтних підйомних установок.

Предмет дослідження – параметри устаткування для зневоднення повітряним потоком канатів шахтних підйомних установок.

Методи дослідження. Для обґрунтування вибору напряму дослідження та актуальності теми роботи – аналіз літературних джерел і узагальнення проведених раніше досліджень; при установленні функціональних зв’язків між проектними параметрами устаткування, вивченні процесу винесення води підйомним канатом та процесу видалення води з поверхні каната повітряним потоком – методи математичного, комп’ютерного та фізичного моделювання, включаючи аналітичні методи гідродинаміки і математичної фізики, методи скінченно-елементного моделювання та планування багатофакторного експерименту і статистичної обробки експериментальних даних.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Уперше встановлено. Товщина плівки води на поверхні рухомого каната пропорційна кореню квадратному із швидкості його руху, тому інтен-сивність винесення води канатом перебуває в степеневій залежності від швидкості руху з показником степеня 3/2 при швидкості до 12...15 м/с.

2. Уперше доведено. Інтенсивність видалення води повітряним потоком з поверхні підйомного каната, пропорційна діаметру каната, перебуває в степеневій залежності від величини депресії вентилятора з показником степеня 1/2 і в діапазоні депресії від 1,0 до 15,0 кПа та при довжині камери пристрою понад 300 мм не залежить від довжини камери.

3. Уперше одержано. Величина депресії вентилятора, необхідна для видалення води з поверхні каната, перебуває в степеневій залежності від швидкості руху підйомного каната з показником степеня 3 і дорівнює 6...13 кПа при швидкості 9...12 м/с.

Обґрунтованість та вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечені використанням фундаментальних положень і методів гідродинаміки, математичної фізики, задач на власні значення; контролем точності та збіжності методу скінченних елементів в універсальному пакеті скінченно-елементного моделювання ANSYS .1; використанням апробованих методик проведення досліджень; методу планування експерименту при постановці лабораторних і шахтних експериментів, математичної статистики під час аналізу результатів експериментальних досліджень; контролем точності і похибок вимірювальної апаратури; адекватністю розроблених теоретичних моделей експериментальним дослідженням; задовільним довірчим діапазоном експериментально визначених коефіцієнтів (при ймовірності 95відхилення меж діапазону від математичного сподівання коефіцієнта винесення води становить 14,8а коефіцієнта видалення води – 13,7

Наукове значення роботи – у розвитку теорії робочих процесів устаткування для зневоднення потоком повітря канатів шахтних підйомних установок на основі сучасних методів гідродинаміки, тобто в отриманні виразу для визначення інтенсивності винесення води канатами різної конструкції; визначенні залежності інтегральної функції швидкості повітряного потоку, що характеризує взаємодію повітря з водою, від конструктивних параметрів камери пристрою та перепаду тиску між камерою і атмосферою; визначенні виразу для інтенсивності видалення води з поверхні канатів різної конструкції; отриманні залежності величини депресії вентилятора, необхідної для повного видалення води, від швидкості руху підйомного каната.

Практичне значення одержаних результатів полягає в розробці мето-дичних рекомендацій: 1) по розробці і обґрунтуванню раціональних параметрів пристрою для видалення вологи з поверхні головного каната багатоканатної підіймальної машини; 2) по вибору раціональних параметрів устаткування для видалення води з поверхні підйомних канатів шахтних підйомних установок. Розроблена та обґрунтована автором нова конструкція пристрою для видалення води з поверхні каната захищена патентом України на винахід.

Реалізація результатів. Розроблені методичні рекомендації впроваджені в проектні роботи державного інституту з проектування підприємств гірничорудної промисловості “Кривбаспроект” при модернізації багатоканатних підйомних установок у надто обводнених стволах і на виробничому об’єднанні з видобутку вугілля “Красноармійськвугілля” при розробці конструкції пристроїв для видалення води з поверхні головних канатів. Упровадження устаткування для зневоднення канатів потоком повітря на скіповій підйомній установці шахти “Гвардійська” ВАТ “Кривбасзалізрудком”, обладнаній багатоканатною підій-мальною машиною типу МК 54, дасть можливість збільшити швидкість підйому з 10 до 12 м/с і за рахунок скорочення експлуатаційних витрат отримати річний економічний ефект 600 тис. грн.

Особистий внесок здобувача. Поставлена і вирішена задача обґрунтування раціональних параметрів для видалення води з поверхні підйомного каната; одержано вираз для інтенсивності винесення води підйомним канатом; побудована математична модель двофазної хвильової течії на поверхні рухомого каната; досліджена система дисперсійних рівнянь, отримані вирази для швидкостей і тиску двофазної течії та для інтенсивності видалення води з поверхні підйомного каната; розроблено та виготовлено зразок устаткування для видалення води з поверхні каната; обґрунтовані аналітичні вирази для інтенсивності винесення і видалення води; одержано рівняння, завдяки якому можна вибирати проектні параметри устаткування для зневоднення канатів; сформульовані основні наукові положення; проведені експериментальні дослідження; розроблені методичні рекомендації щодо вибору раціональних параметрів пристрою та устаткування для видалення води з поверхні канатів шахтних підйомних установок.

Апробація результатів. Основні положення дисертації доповідалися на засіданнях ради з напряму “Механіка, машинобудування” Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ, 2003); при проведенні міжнародної науково-технічної конференції “Перспективи розвитку гірничорудної, вуглевидобувної і збагачувальної галузей промисловості”, АТ “НКМЗ” (м. Краматорськ, 2001); науково-практичної конференції “Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу”, НГУ (м. Дніпропетровськ, 2002); наукового симпозіуму “Тиждень гірника-2003”, МДГУ (м. Москва, 2003); міжнародної науково-методичної конференції “Проблеми галузевого машинобудування та підготовки фахівців вищої кваліфікації”, НГУ (м. Дніпропетровськ, 2003); міжнародної науково-технічної конференції “Проблеми експлуатації устаткування шахтних стаціонарних установок”, НДІГМ ім. М.М. Федорова (м. Донецьк, 2004); міжнародної науково-технічної конференції “Сталий розвиток гірничо-металургійної промисловості”, КТУ (м. Кривий Ріг, 2004); VI міжнародної науково-технічної конференції “Проблеми механіки гірничо-металургійного комплексу”, НГУ (м. Дніпропетровськ, 2004); а також на засіданнях кафедри гірничих машин НГУ 2000–2004 рр.

Публікації. За темою дисертації вийшли друком 8 робіт, серед яких 6 – у фахових виданнях, 2 – у збірниках матеріалів конференцій, одержано патент України на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списку літератури з 72 найменувань, 7 додатків, 59 рисунків та 24 таблиць. Загальний обсяг роботи – 130 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі висвітлені суть і стан наукової задачі, обґрунтована необхідність досліджень, наведені характеристика і загальна структура роботи.

Перший розділ присвячено аналізу напрямів удосконалення технічних рішень для видалення води з поверхні ПК багатоканатних ШПУ з шківами тертя, постановці наукової задачі дослідження та вибору загальної методики проведення досліджень.

Для зменшення кількості води, що виноситься канатами на канатоведучі шківи і гальмові поля, фахівцями у галузі шахтного підйому запропоновано
низку технічних рішень. Так, відомі пристрої для зневоднення канатів з використанням сили тертя. Уперше в ІГТМ обґрунтовано конструкцію устаткування для видалення води з поверхні ПК повітряним потоком. Розвиток цієї технічної ідеї втілено у створенні устаткування для зневоднення канатів конструкції НГУ (рис. ), що встановлюється в баштовому копрі нижче відхиляючих шківів (рис. а) і складається з пристрою для видалення води (пристрій ВВ) повітряним потоком (рис. 1 б), водовіддільника, вентилятора з приводом і системи трубопроводів (рис. в).

Очищення каната від води відбувається в камері пристрою ВВ. Струмінь повітря утворюється за рахунок створення розрядження вентилятором у камері названого пристрою, формується у проміжку між канатом та ущільнювальним кільцем і спрямовується уздовж поверхні каната. Утворена в процесі роботи водоповітряна суміш надходить через патрубки пристрою ВВ до водовіддільника, де розділяється на фази.

Робота пристрою для видалення води характеризується складними гідродинамічними процесами взаємодії повітряного потоку з плівкою води на поверхні ПК. Визначення ефективної конструкції та раціональних параметрів устаткування для зневоднення канатів можливе тільки на основі дослідження процесу видалення води з поверхні каната і встановлення функціональних залежностей між проектними параметрами з використанням засобів математичного і фізичного моделювання.

Математичним і фізичним моделюванням процесів, що протікають в устат-куванні, у різні часи займалися відомі фахівці в області шахтного підйому, зокрема П.П. Нестеров, А.П. Нестеров, О.О. Горошко, Ф.Л. Шевченко, М.Г. Гаркуша, В.І. Дворніков, В.І. Білобров, Л.В. Колосов, А.М. Обухов, В.І. Самуся, І.П. Ковалевський, С.Р. Ільїн, К.С. Заболотний, О.Л. Жупієв та інші, які запропонували і обґрунтували низку оригінальних технічних рішень.

а | в | Рис. . Устаткування для зневоднення канатів:

а – розміщення устаткування;

б – пристрій ВВ у розрізі;

в – склад устаткування |

Так, в ІГТМ під керівництвом професорів А.П. Нестерова та В.І. Білоброва виконано цілий комплекс досліджень процесу винесення води канатом ШПУ та її видалення з використанням повітряного потоку. У результаті одержано статистичні моделі винесення води канатом. Але не було вивчено взаємодію потоку повітря з плівкою води на поверхні каната. Відсутність моделі процесу видалення води повітрям не дозволяє обґрунтовано підходити до вибору параметрів устаткування для зневоднення канатів.

Для цілковитого видалення води з поверхні ПК необхідно, щоб інтенсивність видалення In була більшою за інтенсивність винесення води канатом Q.

Процеси, які протікають в устаткуванні для зневоднення каната, можна розділити на такі: винесення води канатом, розпилення води потоком повітря, течія повітряного потоку в камері пристрою, видалення води із зони розпилення, розділення двофазного потоку у водовіддільнику. Як виявив аналіз, перші три процеси вимагають додаткового вивчення, оскільки не досліджувалися за допомогою сучасних методів гідродинаміки.

Наукова задача дисертації – обґрунтування параметрів устаткування для ефективного зневоднення канатів шахтних підйомних установок на основі встановлення закономірностей робочих процесів, подана у вигляді дослідних задач, сформульованих та вирішених у подальших розділах.

У другому розділі досліджено процес винесення води ПК з використанням викладеної нижче фізичної моделі. Плівка води завтовшки h стікає по поверхні вертикально розташованого каната діаметром dк, що рухається з постійною швидкістю vк вертикально вгору. У циліндричному околі каната повітряний потік тече з постійною швидкістю vAN . Використано припущення: течія ламінарна, незмінна вздовж каната та в часі, повітряний кільцевий циліндр завтовшки h0* рухається зі швидкістю vAN без дотичної взаємодії з водою, стікання води та повітряна течія вісесиметричні, винесення води ПК пропорційне його периметру.

Для математичного опису процесу введено систему координат охyz: z спрямована по твірній циліндричної поверхні, у – по дузі, а х – по зовнішній нормалі, при цьому, значенню х відповідає поверхня каната.

З розв’язання рівнянь руху (Нав’є-Стокса і нерозривності) спільно з гра-ничними умовами одержано розподіл швидкості води за товщиною плівки:

,

де – в’язкість води.

Введено позначення питомої інтенсивності винесення води

,

де vср – середня за товщиною швидкість стікання плівки води.

Рис. . Вигляд функції Qп (vк, h)

На рис. наведено графік залеж-ності питомої інтенсивності винесення води від товщини плівки води і швидкості руху ПК, де товщину плівки h дано в мм, а швидкість руху каната vк – у м/с.

Зі збільшенням швидкості руху каната питома інтенсивність винесення води Qп зростає; для кожної швидкості руху каната існує товщина плівки, при якій Qп максимальна:

.

Максимальна інтенсивність винесення води канатом Q відповідає максимуму функції QпОтже, товщина плівки води на поверхні рухомого каната пропорційна кореню квадратному із швидкості його руху. Інтенсивність винесення води канатом визначається як витрата через переріз плівки за формулою

,

де П – периметр каната.

У дослідженнях винесення води, проведених в ІГТМ, не враховано вплив швидкості каната на товщину плівки води. Позначивши відношення периметра каната до периметра циліндра відповідного діаметра коефіцієнтом периметра каната Кр, а відношення максимальної інтенсивності винесення води (з товщиною плівки hQ) до інтенсивності винесення з довільною товщиною плівки коефіцієнтом винесення води Кв, з урахуванням залежності доведено, що інтенсивність винесення води ПК визначається за формулою

.

Коефіцієнт Кв характеризує дійсну інтенсивність винесення води ПК для існуючих умов експлуатації канатів відносно максимально можливої теоретичної, отже, значення цього коефіцієнта для підйомної установки необхідно встановлювати експериментально при найбільшому обводненні ствола. Експеримент проводився на шахті “Центральна” ВО “Красноармійськвугілля”. За даними ІГТМ головний ствол цієї шахти один з найбільш обводнених стволів на шахтах України.

Рис. . Схема експериментальної шахтної
установки для видалення води | Рис. . Гістограма та полігон розподілукоефіцієнта інтенсивності винесення | Експериментальна установка для видалення води була встановлена в копрі нижче відхиляючих шківів (рис. ): 1 – барабан ШПУ; 2 – відхиляючі шківи; 3 – підйомний канат; 4 – пристрій ВВ [11]; 5 – трубопровід; 6 – U-подібний водний манометр; 7 – регулятор опору мережі; 8 – вентиляторна установка;
9 – водовіддільник.

За експериментальними даними обчислено значення коефіцієнта Кв і перевірено гіпотезу про нормальний закон його розподілу. На рис. наведені гістограма експериментального та полігон теоретичного розподілу Кв, а на рис. – експериментально одержані дані для каната діаметром 42 мм (позначені точками) та крива інтенсивності винесення води канатом (суцільна лінія).

З імовірністю 95коефіцієнт інтенсивності винесення води Кв (6,23 ± ,92)·10-1; відхилення меж довірчого інтервалу від математичного сподівання становить 14,8За критерієм Фішера доведено адекватність залеж-ності експериментальним даним. |

Рис. . Експериментальна залежність інтенсивності винесення води від швидкості ПК | У третьому розділі досліджено процес видалення води з поверхні підйомного каната. Спираючись на результати робіт Ю.М. Шехмана, М.С. Волинського, В.Я. Шкадова, В.Є. Накорякова, І.Р. Швейбера, М.А. Можарова, В.Г. Левича, прийнято фізичну модель видалення води з поверхні каната. При певній швидкості повітряного потоку стікання води, досліджене в другому розділі, втрачає стійкість, що призводить до виникнення хвильової течії. Унаслідок впливу повітряного потоку на плівку води амплітуда хвиль зростає і порушується симетрія їх форми. З швидким зростанням амплітуди хвилі значно деформуються, втрачають стійкість і краплі відриваються з поверхні гребенів хвиль, що перекидаються. При розв’язанні задачі використані припущення: канат – циліндричне тіло; стікання плівки по поверхні каната – вісесиметричне, ламінарне; амплітуда хвилі мала порівняно з довжиною – розглядається початок утворення нестійких хвиль; на поверхні плівки води відсутнє дотичне напруження; інтенсивність розпилення води пропорційна площі
взаємодії води з повітряним струменем.

Застосування методу розділення змінних для лінеаризованих рівнянь руху (Нав’є-Стокса і нерозривності) та зображення хвильової течії у вигляді суми двох течій (незбуреної течії і малих збурень) призводять до задачі на власні значення – системи дисперсійних рівнянь, що характеризує хвильову течію:

де , * – густина води і повітря відповідно;  – характеристика змінюваності в часі хвильової течії; k – хвильове число; – коефіцієнт згасання в радіальному напрямі;  – швидкість течії незбуреного потоку; – поверхневий натяг води;

.

З вигляду поля швидкостей і розподілу тиску в плівці води (рис.6) випливає, що від поверхні поділу газової та рідкої фаз хвильова течія експоненціально згасає, і на відстані від поверхні, що дорівнює одній шостій довжини хвилі, амплітуда коливань зменшується на 95; потенційна течія рідини на хвильовий рух не впливає; потенційна течія повітря визначає характер хвильового руху; поверхня каната не впливає на хвильову течію. |

Рис. . Розподіл тиску в плівці води | Рис. . Графік залежності коефіцієнтів
згасання від довжини хвилі при
в околі | У зв’язку зі швидким згасанням амплітуди хвиль від поверхні поділу фаз, покладемо Kd = (l2+k2). З урахуванням малості густини повітря порівняно з густиною води і припущення малості другого доданку відносно інших, система дисперсійних рівнянь спрощується до одного рівняння, з якого одержуємо вираз

,

звідки визначаємо довжину хвилі, амплітуда якої макси-мально зростає

.

Вплив спрощення системи дисперсійних рівнянь на точність розрахунку показаний на рис. , де ,  – коефіцієнти згасання, розраховані за повним і спрощеним дис-персійними рівняннями відповідно. Похибка визначення довжини найбільш нестійких хвиль та швидкості зростання їх амплітуди не перевищує 5З результатів розрахунку параметрів течії плівки води і повітряного потоку за спрощеними формулами видно, що процес течії описаний якісно правильно, але має незначні відхилення (до 10по швидкості і до 12,5по тиску на поверхні поділу фаз) від повної моделі. Величина похибки при віддаленні від поверхні поділу фаз зменшується.

Використавши модель розпилення, запропоновану В.Г. Левичем, та з урахуванням позначення інтегральної функції швидкості повітряного потоку

,

де L – довжина камери пристрою ВВ, одержано вираз для інтенсивності видалення води з поверхні ПК

,

де Kк – коефіцієнт пропорційності між діаметром краплі та довжиною хвилі; Kн – коефіцієнт нерівномірності товщини плівки води; M – кратність збільшення амплітуди хвилі, необхідна для відривання краплі.

У четвертому розділі досліджено вплив конструктивних параметрів пристрою ВВ на процес видалення води, визначено залежність інтегральної функції швидкості повітряного потоку від параметрів камери та перепаду тиску.

Як показано вище, інтенсивність видалення води з поверхні ПК прямо пропорційна інтегральній функції швидкості повітряного потоку . Але пристрій ВВ формує повітряний потік, який видаляє воду з поверхні каната, а це означає, що функція J залежить від особливостей конструкції цього пристрою. Тому необхідно дослідити вплив його конструктивних параметрів на функ-цію J. Для вирішення поставленої задачі застосовано обчислювальний експеримент, результати якого уточнені на лабораторному зразку пристрою ВВ. Оскільки до складу формули для інтенсивності видалення води ввійшли коефіцієнти, які враховують властивості рідини, у процесі досліджень їх узагальнено одним під назвою коефіцієнта інтенсивності видалення води В. Його числове значення визначено за результатами лабораторного та шахтного експериментів.

Під час обчислювального експерименту використана k-е модель турбулентного руху нестисливого потоку повітря у пакеті ANSYS .1Прийнято такі граничні умови: на поверхні ПК і стінках камери пристрою швидкість руху потоку дорівнює нулю; біля входу повітря в камеру тиск дорівнює атмосферному PА, а у відвідному патрубку – PAN. Депресія вентилятора p*=PА - PAN .

Доведено, що при роботі пристрою ВВ два кільцевих струменя повітря, які формуються за рахунок розрядження в камері пристрою у проміжках між канатом та ущільнювальними кільцями, рухаються вздовж поверхні каната назустріч один одному. Досліджено значення функції J у діапазону величини щілини між канатом й ущільнювальним кільцем від 2 до 6 мм, товщини кільця від 5 до 15 мм, довжини камери пристрою 300...600 мм та депресії вентилятора від 1,0 до 15,0 кПа (чотирифакторний експеримент). Використовуючи стандартні статистичні методи обробки результатів експерименту встановлено, що вплив величини щілини, товщини ущільнювального кільця та довжини камери пристрою ВВ змінює величину функції J не більше ніж на 2,3Установлено вигляд рівняння регресії

,

де – швидкість повітряного потоку, знайдена з рівняння Бернуллі;

Л – ефективна довжина взаємодії повітряного потоку з плівкою води на поверхні каната; з похибкою 2,3Л постійна і дорівнює 175 мм.

У рандомізованих точках чотирифакторного експерименту додатково переміщалися патрубки з невеликим кроком від середини камери. Показано, що місце розташування та кількість відвідних патрубків змінюють значення Л не більше ніж на 2

Установлено, що інтенсивність видалення води з поверхні каната прямо пропорційна діаметру каната і кореню квадратному з величини депресії вентилятора

.

Коефіцієнт В характеризує роботу устаткування для зневоднення канатів. Його значення визначено лабораторним експериментом та уточнено шахтним.

У лабораторному дослідженні проведено повнофакторний експеримент. Підйомний канат моделювався циліндрами відповідного діаметра та відрізками круглопрядного каната (ГОСТ ). На нерухомий вертикально розташований канат подавалася вода, яка стікала по його поверхні. Вхідними величинами експерименту (факторами) прийняті діаметр каната, перепад тиску та довжина камери пристрою ВВ, а вихідною (відклик) – інтенсивність видалення води з поверхні каната.

Дані дослідів перевірені на наявність грубих похибок, однорідність дис-персій за критерієм Кочрена і вплив фактора на відклик за критерієм Фішера. У процесі обробки експериментів з’ясувалося, що з імовірністю 95вплив довжини камери пристрою на інтенсивність видалення води відсутній, що свідчить про достовірність розрахунків, зроблених за допомогою пакета ANSYS .1/ED. Вплив решти факторів виявився значущим.

Обчислено величину В і перевірено гіпотезу про відповідність розподілу експериментальних даних нормальному закону. Оцінку характеристик коефі-цієнтів видалення здійснено для циліндра (Вц) та круглопрядного каната (Вк). За критерієм Пірсона визначено, що розбіжність емпіричних і теоретичних частот незначуща. Тому коефіцієнти характеризуються математичним сподіванням та середньоквадратичним відхиленням. Одержано довірчий інтервал для коефі-цієнтів Вц,45 ± 0,36)?10-4 і Вк,42 ± 0,39)?10-4. Відхилення меж довірчого інтервалу від математичного сподівання при ймовірності 95склало 6,6 та 7,2відповідно.

Під час шахтного експерименту значення В установлено для п’яти фіксованих діапазонів депресії вентилятора при максимальній швидкості руху ПК. Як виявлено за критерієм Пірсона, закон розподілу величини В відповідає нормальному (рис. ). На рис.  зображені експериментально одержані дані для каната діаметром 42 мм (позначені точками) та крива інтенсивності видалення води (суцільна лінія). |

Рис. . Гістограма та полігон
розподілу коефіцієнта інтенсивності видалення | Рис. . Експериментальна залежність інтенсивності видалення води від
депресії в камері пристрою ВВ

Порівняння коефіцієнтів В, Вц і Вк , визначених з імовірністю 95засвідчує, що довірчий інтервал коефіцієнта В перекриває довірчі інтервали решти коефіцієнтів та дорівнює (5,34 ± 0,73)·10-4 (відхилення меж довірчого інтервалу від математичного сподівання становить 13,7За критерієм Фішера доведено адекватність залежності експериментальним даним.

У п’ятому розділі визначені проектні параметри устаткування для зне-воднення поверхні ПК, та розроблені рекомендації на їх проектування. Для пов-ного видалення води з канатів необхідно, щоб мінімальна інтенсивність видалення води була більшою за максимальне значення її винесення ПК. Тому значення коефіцієнта депресії вентилятора о, що гарантує видалення плівки води з імовірністю 95приймаємо як співвідношення максимальне значеного коефіцієнту інтенсивності винесення води Кв до мінімального значення коефіцієнта інтенсивності видалення води В. Виходячи з цього і враховуючи вирази та остаточно маємо

,

де  2,41·106.

Це рівняння – основне при виборі параметрів устаткування для зневоднення канатів на базі пристрою ВВ.

Розроблена за результатами проведених досліджень нова конструкція пристрою ВВ (рис. 1 б) захищена патентом України на винахід. Відзнака цієї конструкції в тому, що, завдяки формуванню кільцевого повітряного струменя шляхом створення розрядження в камері пристрою та вибору її раціональних параметрів, у камері пристрою ВВ утворюється ефективніший повітряний струмінь для розпилення плівки води на поверхні ПК.

Техніко-економічна ефективність устаткування для зневоднення канатів проілюстрована на прикладі скіпової підйомної установки шахти “Гвардійська” ВАТ “Кривбасзалізрудком”, обладнаної багатоканатною підіймальною машиною типу МК 54 при збільшенні швидкості підйому з 10 до 12 м/с. У роботі перебувають два скіпи з шиберним затвором вантажністю 26 т. Головні канати (чотири) – діаметром  мм за ГОСТ . Очікуваний річний економічний ефект від впровадження устаткування для зневоднення канатів – 600 тис. грн за рахунок скорочення експлуатаційних витрат.

ВИСНОВКИ

Дисертація являє собою закінчену науково-дослідну роботу, в якій вирішена актуальна наукова задача щодо обґрунтування параметрів устаткування для ефективного зневоднення канатів шахтних підйомних установок на основі встановлення закономірностей робочих процесів.

Основні наукові результати, висновки та рекомендації:

1. Визначення раціональних параметрів устаткування для зневоднення по-вітряним потоком канатів шахтних підйомних установок, яке змонтоване на
копрах баштового типу і складається з пристрою для видалення води, водовід-дільника та вентилятора, можливе тільки на основі встановлення функціональних залежностей між проектними параметрами з використанням засобів математичного і фізичного моделювання, включаючи аналітичні методи гідродинаміки та математичної фізики, скінченно-елементне моделювання, методи планування багатофакторного експерименту і статистичної обробки експеримен-тальних даних.

2. Дослідження процесу винесення води підйомним канатом на математичній моделі, зображеній рівняннями Нав’є-Стокса та безперервності, граничними умовами для швидкості і тиску на поверхні каната та поверхні плівки води, дало змогу одержати розподіл швидкості в плівці води, а також залежність інтенсивності винесення води від товщини плівки і швидкості руху каната. У результаті доведено, що інтенсивність винесення води канатом пропорційна діаметру каната і перебуває в степеневій залежності від швидкості руху підйомного каната з показником степеня /2.

3. Дослідження процесу видалення води з поверхні підйомного каната передбачає наукове вивчення початку процесу втрати стійкості хвилі, коли амплітуда хвиль на поверхні плівки води мала, та визначення інтенсивності видалення води. Приймаючи математичну модель базової течії двофазного потоку у вигляді рівнянь Нав’є-Стокса і безперервності для води, рівнянь Ейлера та безперервності для повітря і математичну модель для збуреної течії у вигляді рівнянь Нав’є-Стокса та безперервності для води і повітря при відповідних граничних умовах, використовуючи методи малих збурень, лінеаризації рівнянь, розділення змінних та розв’язання задач на власні значення, визначено характер розподілу швидкості і тиску в обох середовищах. Доведено, що інтенсивність видалення води з поверхні каната пропорційна інтегральній функції швидкості по-вітряного потоку, діаметру каната і залежить від співвідношення густини води та повітря.

4. Інтегральна функція швидкості повітряного потоку залежить від особливостей конструкції та параметрів пристрою, яким видаляється вода з поверхні підйомного каната. Числовими експериментами на скінченно-елементних k-е ?оделях турбулентного руху показано, що під час роботи пристрою вздовж поверхні підйомного каната по всій довжині камери пристрою формується турбулентний кільцевий повітряний струмінь. Для діапазону величини щілини між канатом й ущільнювальним кільцем від 2 до 6 мм, товщини кільця від 5 до 15 мм, довжини камери пристрою 300...600 мм та депресії вентилятора від 1,0 до 15,0 кПа ефективна довжина взаємодії повітряного потоку з плівкою води з похибкою 2,3постійна і дорівнює 175 мм. Розташування та кількість відвідних патрубків змінює ефективну довжину взаємодії потоків не більше ніж на Статистичний аналіз регресійної моделі для інтегральної функції швидкості підтвердив її адекватність експериментальним даним. Інтегральна функція швидкості, а отже, й інтенсивність видалення води з поверхні каната про-порційні ефективній довжині взаємодії водного і повітряного потоків та кореню квадратному з величини депресії вентилятора.

5. Лабораторним експериментом підтверджено, що інтенсивність видалення води з поверхні циліндричного та круглопрядного підйомних канатів прямо пропорційна діаметру каната і кореню квадратному з депресії вентилятора. Визначено коефіцієнт інтенсивності видалення води: для моделі каната закритої конструкції він дорівнює ,45  0,36)?10-4, а для круглопрядного каната за ГОСТ 7669-80 –  (5,42  0,39)?10-4.

6. З умови повного розпилення в камері пристрою води на поверхні каната одержано основне рівняння устаткування для зневоднення канатів, з якого виходить, що депресія вентилятора прямо пропорційна кубу швидкості руху підйомного каната. За даними статистичної обробки фізичного експерименту, проведеного на шахті “Центральна” ВО “Красноармійськвугілля”, значення коефіцієнта інтенсивності видалення води з імовірністю 95становить  (5,34 ± ,73)·10-4, а коефіцієнта інтенсивності винесення води – (6,23 ± ,92)·10-1. Для гарантованого видалення води з поверхні підйомного каната при швидкості його руху 9 м/с депресія в пристрої для видалення води повинна бути не меншою ніж 5,7 кПа, а при швидкості 12 м/с – 13,2 кПа.

7. Розроблено нову конструкцію пристрою для видалення води з поверхні підйомного каната. Ця конструкція захищена патентом України на винахід і вирізняється тим, що за рахунок формування кільцевого повітряного струменя шляхом створення розрядження в камері пристрою та вибору її раціональних параметрів у пристрої утворюється ефективніший повітряний струмінь для розпилення плівки води на поверхні каната.

8. Експериментальний зразок устаткування для видалення води з поверхні підйомного каната пройшов випробування на шахті  “Центральна” ВО “Красноармійськвугілля”.

9. Методичні рекомендації по вибору раціональних параметрів устаткування для видалення води з поверхні підйомних канатів шахтних підйомних установок впроваджені на ВО “Красноармійськвугілля” і для використання при проектуванні нових пристроїв у ДПІ “Кривбаспроект”.

10. Запропоноване устаткування для видалення води з поверхні підйомного каната дає можливість підвищити швидкість роботи та продуктивність підйомної установки. Очікуваний річний економічний ефект, визначений для ШПУ шахти “Гвардійська” ВАТ “Кривбасзалізрудком”, обладнаної багатоканатною підіймальною машиною типу МК 4, становить 600 тис. грн.

Основні положення дисертаційної роботи відображені в публікаціях:

1. Заболотный К.С., Зиновьев С.Н. Анализ конструктивных решений по удалению влаги с головных канатов многоканатных подъемных машин со шкивами трения // Вибрации в технике и технологиях. – 2000. – № 4 (16). – С. 70-73.

2. Зиновьев С.Н., Жупиев А.Л. Критерии моделирования отрыва капель с поверхности подъемного каната // Вибрации в технике и технологиях. – 2002. – № ). – С. 37-38.

3. Жупиев А.Л., Зиновьев С.Н. Теория рабочих процессов горношахтного оборудования для удаления воды с поверхности подъемного каната // Науковий вісник НГУ. – 2003. – № . – С. 40-42.

4. Заболотный К.С., Жупиев А.Л., Зиновьев С.Н. Анализ технических решений по повышению производительности шахтных подъемных установок в сильно обводненных стволах // Вибрации в технике и технологиях. – 2004. – № ). – С. 19-20.

5. Зиновьев С.Н. Обоснование параметров горношахтного оборудования для удаления воды с поверхности подъемного каната // Науковий вісник НГУ. – 2004. – № . – С. 55-57.

6. Заболотный К.С., Жупиев А.Л., Зиновьев С.Н. Удаление пленки воды струей воздуха с поверхности подъемного каната // Сб. науч. тр. НИИГМ им. М.М. Федорова. – 2004. – Вып. . – С. .

7. Патент № А. Україна. Пристрій для видалення вологи з каната потоком повітря / К.С. Заболотний, С.М. Зінов’єв. Опубл.15.03.2002. Бюл. № .

8. Заболотный К.С., Зиновьев С.Н. Устройство для удаления воды с поверхности подъемных канатов шкивов трения // Сб. тез. и докл. междунар. науч.-техн. конф. “Перспективы развития горнорудной, угледобывающей и обогатительной отраслей промышленности”. – Краматорск, 2001. – С.47-48.

9. Заболотный К.С., Зиновьев С.Н. Моделирование отрыва жидкой пленки и капель с поверхностного слоя жидкости, расположенной на цилиндрической поверхности Матер. междунар. науч.-техн. конф. “Проблемы механики горно-металлургического комплекса” – Днепропетровск, 2002. –С. .

Особистий внесок здобувача в роботи, опубліковані у співавторстві: [1] – доведена актуальність задачі і розроблена схема пристрою для видалення води; [2] – виконано огляд робіт, присвячених розпаду струменів, плівок, крапель рідини, і вибрано критерії математичного моделювання процесу видалення води з поверхні підйомного каната; [3] – розроблена загальна теорія робочих процесів у камері пристрою для видалення води з поверхні підйомного каната; [4] – проаналізовані пристрої і технічні рішення, які можна застосовувати при видаленні води з поверхні каната, та сформульовані наукові задачі, вирішення яких дасть змогу визначати раціональні параметри пристроїв для видалення води з поверхні підйомного каната; [6] – досліджена модель розпилення води на поверхні підйомного каната; [7] – розроблені істотні ознаки винаходу;
[8] – розроблена схема установки для видалення води; [9] – розроблена модель розпилення води на поверхні підйомного каната.

АНОТАЦІЯ

Зінов’єв С.М. Обґрунтування параметрів устаткування для зневоднення канатів шахтних підйомних установок. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.06 Гірничі машини. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2004.

Вивчено взаємодію повітряного потоку з плівкою води на поверхні рухомого підйомного каната ШПУ. Розроблено математичні моделі винесення води канатом та видалення води з поверхні каната. Доведена адекватність побудованих математичних моделей лабораторним і шахтним експериментальним даним.

Обґрунтовано проектні параметри устаткування для зневоднення канатів, що з імовірністю 95 гарантують повне видалення води з поверхні канатів.

Розроблено та впроваджено на ВО “Красноармійськвугілля” і в проектні роботи ДПІ “Кривбаспроект” методичні рекомендації по розробці та обґрунтуванню раціональних параметрів устаткування для зневоднення канатів на основі пристрою для видалення води.

Очікуваний річний економічний ефект від впровадження устаткування для зневоднення канатів на шахті “Гвардійська” ВАТ “Кривбасзалізрудком” становить 600 тис. грн за рахунок скорочення експлуатаційних витрат.

Ключові слова: шахтна підйомна установка, підйомний канат, винесення води, повітряний струмінь, зневоднення канатів.

АННОТАЦИЯ

Зиновьев С.Н. Обоснование параметров оборудования для обезвоживания канатов шахтных подъемных установок. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по спе-циальности 05.05.06 Горные машины. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2004.

Диссертация посвящена вопросу обезвоживания канатов шахтных подъемных установок. На основании проведенного аналитического обзора обоснована перспективность обезвоживания поверхности каната воздушной струей.

Построена модель выноса воды подъемным канатом при максимальном обводнении, учитывающая зависимость толщины пленки воды от скорости движения каната. Получено выражение для интенсивности выноса воды подъемным канатом, подтвержденное данными шахтного эксперимента.

Изучено взаимодействие воздушного потока с пленкой воды на поверхности движущегося подъемного каната. Используя методы малых возмущений, линеаризации уравнений движения, разделения переменных и решения задач на собственные значения, определен характер распределения скорости и давления в пленке воды и струе воздуха.

Построена модель удаления воды воздушным потоком с поверхности подъемного каната. Разработана новая конструкция устройства для удаления воды с поверхности каната, отличающаяся тем, что формирование кольцевой воздушной струи происходит в зазоре между уплотнительным кольцом и поверхностью подъемного каната. В устройстве образуется более эффективная воздушная струя для распыления пленки воды на поверхности подъемного каната. Доказано, что при определении интенсивности удаления воды с поверхности каната влиянием длины и ширины зазора между канатом и уплотнительным кольцом можно пренебречь, а определяющими являются депрессия и длина камеры устройства. Получено уравнение, позволяющее выбрать параметры оборудования для обезвоживания канатов шахтных подъемных установок. Доказана адекватность построенных математических моделей экспериментальным данным. Обоснованы проектные параметры оборудования для обезвоживания канатов, с вероятностью 95 гарантирующие полное удаление воды с поверхности канатов.

Разработаны и внедрены на ПО “Красноармейскуголь” и