Національна

Академія наук України

Інститут геотехнічної механіки

ім. М.С. Полякова

АЛІЄВ НАТІКБЄК АЛІЙОВИЧ

УДК 622.532:620.169.1

РОЗВИТОК НАУКОВИХ ОСНОВ СТВОРЕННЯ КОРПУСНО-СЕКЦІЙНИХ ШАХТНИХ НАСОСІВ ПІДВИЩЕНОЇ ДОВГОВІЧНОСТІ

Спеціальність 05.05.06 - "Гірничі машини"

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ-2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у ВАТ „Науково-дослідний інститут гірничої механіки імені М. М. Федорова” Мінвуглепрому України, м. Донецьк.

Науковий консультант - доктор технічних наук, професор Грядущий Борис Абрамович, директор Донецького вугільного інституту Мінвуглепрому України.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Малєєв Віктор Борисович,

Донецький національний технічний університет МОН України, зав. кафедри “Теоретична механіка” м.Донецьк;

доктор технічних наук, професор

Шевчук Степан Прокопович,

Національний технічний університет МОН України, “Київський політехнічний інститут”. Інститут енергозбереження та енергоменеджмента, зав. кафедри електромеханічного обладнання енергоємних виробництв; м.Київ;

доктор технічних наук, професор

Блюсс Борис Олександрович,

Інститут геотехнічної механіки ім.М.С.Полякова НАН України, зав. відділом геодинамічних систем та вібраційних технологій, м.Дніпропетровськ.

Провідна організація: Донецький державний науково-дослідний інститут комплексної механізації шахт (Дондіпровуглемаш) Мінвуглепрому України, м.Донецьк.

Захист відбудеться 15 вересня 2006 р. о 1330 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01 при інституті геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова Національної Академії наук України за адресою: 49005,

м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а, факс. (0562) 462426.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту геотехнічної механіки імені М.С. Полякова Національної академії наук України за адресою: 49005, м. Дніпропетровськ, вул. Сімферопольська, 2а.

Автореферат розісланий 14 серпня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.188.01,

доктор технічних наук В.Г.Перепелиця

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Основою паливно-енергетичного комплексу України є кам'яне вугілля, розвідані запаси якого складають близько 100..110 млрд.т. На найближчі роки потреба економіки України у вугіллі оцінюється в 200...220 млн.т. на рік. У той же час в останнє десятиліття річний видобуток знаходиться на рівні 70...80 млн.т.

Планомірне зростання і інтенсифікація вуглевидобутку в Україні є стратегічною задачею галузі й економіки в цілому, оскільки саме цей шлях дозволяє зберегти енергетичну безпеку країни.

Експлуатаційна надійність і довговічність шахтного обладнання визначають не тільки рівень видобутку, але в більшості випадків і безпеку обслуговуючого персоналу.

Водовідливні установки як одна з найважливіших і енергоємних ланок стаціонарного гірничошахтного облад

нання займають особливе місце: з одного боку забезпечують безпечне ведення гірничих робіт, з іншого – при їхньому функціонуванні на окремих підприємствах споживання електроенергії доходить до 25-30% від загального обсягу енергоспоживання.

Річний об’єм відкачуваної води на поверхню складає близько 1,0 млрд.м3, на що витрачається електроенергії більш ніж 1,8 млрд. кВт/рік.

У гірничодобувній і вугільній промисловостях при організації водовідливу використовуються в основному багатоступінчасті корпусно-секційні відцентрові насоси (далі КСВН) горизонтального і вертикального виконання.

Як показують досвід експлуатації і багаторічні дослідження, для низькочастотних КСВН шахтного водовідливу, що перекачують непросвітлену шахтну воду, яка найчастіше являється суспензію з включеннями твердого, середня тривалість безвідмовної роботи насосів коливається від 850 до 6000 годин при середньому ресурсі до капітального ремонту 7100 годин. Для високочастотних насосів середнє напрацювання на відмову менше і складає від 800 до 1100 годин при середньому ресурсі до капітального ремонту 2400 годин.

Основними чинниками, що визначають довговічність, утрату робочих характеристик і напрацювання на відмову КСВН, є наступні:

1. Гідроабразивне зношування вузлів і проточної частини працюючих на шахтній воді КСВН, що призводить до збільшення об'ємних втрат, розбалансування роторів і росту вібрації, втрати напору.

2. Корозійне зношування деталей і насосів під дією шахтних вод, які здебільшого є хімічно активними середовищами, що також призводить до збільшення вібрації і виходу з ладу проточної частини КСВН.

3. Кавітаціонне зношування, яке особливо виявляє себе на перших ступенях шахтних КСВН, що призводить до стрибкоподібного росту вібрації і руйнування деталей проточної частини динамічної машини.

4. Робота шахтних КСВН у зоні ненормованої вібрації, яка викликана механо-гидравлічною динамікою системи, обумовлена її конструктивними особливостями і неврівноваженістю обертових деталей проточної частини, недосконалостями зборки.

5. Чинники, які визначають працездатність агрегату в цілому: якість центрування, тип з’єднувального вузла, рівень вібронавантаженості електродвигуна, жерсткість рам і фундаментів, розбалансування агрегату внаслідок релаксації кріпильних деталей, динамічні процеси в трубопроводах, наявність елементів гасіння вібрації, способи монтажу трубопроводів.

6. Відсутність надійної апаратури постійного контролю параметрів насосного агрегату, включаючи напір, подачу, температуру підшипникових вузлів, осьове положення ротора, витрата текучого через вузол розвантаження, тренди рівня вібрації й шуму, що не дозволяє організувати технічну діагностику агрегатів з оцінкою залишкового ресурсу та оперативно запобігати аварійні відмовлення і руйнування КСВН.

Тому створення довговічних шахтних КСВН із можливістю протистояння їх проточної частини гідроабразивному, кавітаційному і корозійному руйнуванню з ресурсом до капітального ремонту не менше ніж 20-25 тис. годин є актуальною науковою проблемою, яка має першорядне значення для вугледобувної галузі України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводилися відповідно до наукових і тематичних планів Науково-дослідного інституту гірничої механіки ім. М.М.Федорова стосовно реалізації рішень і наказів Міністерства вугільної промисловості України, у тому числі: наказу №92 від 31.08.1992р. "Про організацію виробництва насосів типу ВНС на заводах Держвуглепрому України"; наказу №171 від 17 травня 1995р. "Про заходи щодо забезпечення усталеної роботи водовідливного господарства шахт"; наказу №195 від 16 квітня 2003р. "Про створення державного підприємства "Укршахтгідрозахист" з водовідливу, гідрозахисту діючих шахт та запобіганню підтоплення територій після закриття шахт"; наказу №355 від 09.06.2003 р. "Про внесення доповнень до наказу Міністерства палива та енергетики України №195 від 16.04.2003 р. ", наказу №333 Мінпаливенерго від 18.06.04 "Про розроблення програми заміни підіймальних установок, головних вентиляторів, стаціонарних компресорів і головних водовідливних установок на 2005-2007 рр.", наказу №552 Мінпаливенерго від 07.09.04р. "Про розроблення довгострокової програми капітального ремонту обладнання шахт на 2005-2010 рр. та створення єдиної ремонтної бази".

Зазначені роботи виконувалися відповідно до договорів і планів наукових праць Науково-дослідного інституту гірничої механіки ім. М.М.Федорова, у яких автор дисертації є науковим керівником, у тому числі:

- договір № 07150403000 з Міністерством палива та енергетики України щодо виконання роботи: "Розробити та освоїти серійне виробництво вітчизняних установок з високонавантаженими заглибними електронасосними агрегатами для відкачування шахтних вод з вертикальних стволів і свердловин" – 2004 - 2006 рр;

- багатоцільові договори № 372/04/0704461, № 0704285, №0704340, №0704291, № 0703564, № 0703595, №0704587 з 2000 по 2006рр. з державними підприємствами "Укршахтгідрозахист", "Обласна дирекція "Донвуглереструктуризація", ДП "Дзержинськвугілля", НВО "Енергія", "Севастопольський завод "Молот", РМЗ "Спецшахтобуріння".

Мета роботи: наукове обгрунтування побудови довговічних, з мінімізованою динамікою шахтних КСВН, що перекачують хімічно агресивні середовища з високим вмістом механічних домішок і часток мінерального походження, із проточною частиною, стійкою гідроабразивному, кавітаційному і корозійному руйнуванню.

Для досягнення поставленої мети сформульовано наступні задачі:

1. Установити загальні закономірності процесів, що визначають довговічність КСВН, їх взаємозв'язок з контактно-вібраційними, гідроабразивними, кавітаційними і корозійними видами впливу шахтної води на деталі проточної частини.

2. Розробити метод нормування показників віброактивності деталей проточної частини шахтних КСВН, які викликають контактно-вібраційний знос і зміну функціональних характеристик, пов'язаних з неоднорідністю поля неврівноважених відцентрових сил.

3. Установити загальні закономірності процесу формоутворення деталей проточної частини КСВН, які забезпечують їх геометричну, кінематичну і технологічну автентичність, а також стабільність за показником мас і неврівноваженості.

4. Розробити математичну модель процесів проходження рідини в проточній частини і теорію профілювання лопаток робочих коліс, які забезпечують варіацію характеристик без зміни основного параметра - зовнішнього діаметра з переходом на модульно-функціональний метод їх виробництва, який дозволяє одержувати високоточні модулі з можливістю піддавати кожного з них селективній системі впливу.

5.Розробити математичну модель енергетичних і кавітаційних показників КСВН із проектованими робочими характеристиками коліс та їх оптимізацію.

6.Розробити концепцію побудови параметричного ряду КСВН на основі математичної моделі та модульно-функціонального методу їх виробництва з варійованою проточною частиною робочого колеса для однакових за конструкцією і суміжних за подачею насосів при незмінності зовнішнього діаметра колеса та геометрії системи відводу.

7.Розробити методи впорядкування неврівноважених мас по ротору, використовуючи керівний чинник, який характеризує їх вібронавантаженість для організації синфазного способу збирання.

8. Розробити математичну модель вимушених коливань ротора КСВН із детермінованим розподілом неврівноваженостей на валу за законом ланцюгової лінії або параболи.

9.Обґрунтувати системний підхід до вібромоніторингу КСВН на базі основних частот збудження вібрації, порівняльного аналізу математичної моделі вимушених коливань з отриманими експериментальними спектрами коливань.

10. Провести експериментальні дослідження робочих характеристик, параметрів стану і довговічності побудованих КСВН на водовідливних установках шахт.

Об'єкт дослідження - КСВН водовідливних установок шахт.

Предмет дослідження - робочі процеси в шахтних КСВН як механо-гидравлічної системи при перекачуванні гідроабразивного, високомінералізованого, хімічно активного середовища.

Методи дослідження. Досягнення поставленої мети забезпечується використанням методології, заснованої на раціональному сполученні теоретичних і експериментальних методів досліджень. Експериментальні дослідження проводяться в натурних умовах і на стендових установках, максимально наближених до експлуатаційних умов з використанням сучасних методів вимірювань, а також шляхом упровадження всього комплексу поставлених задач у технологічні процеси заводів-виготовлювачів насосів і арматури до них. Обробка результатів експериментів проводиться методами математичної статистики, теорії вірогідності і випадкових процесів. Адекватність математичних моделей реальним системам встановлюється шляхом порівняльного аналізу результатів теоретичних і експериментальних досліджень.

Ідея роботи полягає в розробці комплексного способу дії на багатофункціональну систему - насосний агрегат на макро- і мікрорівні при створенні шахтних КСВН з високими показниками надійності, довговічності і ККД.

Основні наукові положення та результати, що виносяться на захист:

1. Вібронавантаженість КСВН знижується в 1,5–2 рази при застосуванні модульно-функціонального способу виробництва робочих коліс і синфазного їх збирання на роторі. Синфазне збирання, яке приводить до збільшення ККД на 2-3% і довговічності до 20..25 тис. годин, здійснюється на основі закону ланцюгової лінії, що відображає в просторі катеноїд.

2. Ймовірносно-статистичними методами аналізу чинників, які впливають на рівень вібронавантаженості КСВН як горизонтального, так і вертикального компонування, встановлено, що розкид середньої величини залишкового дисбалансу після балансування по прийнятих вибірках його середньої величини в генеральній сукупності не перевищує 6-7% при прийнятій вірогідності 0.9973. Відношення досягнутого залишкового дисбалансу до маси колеса обмежено 16,5 мкм по мінімуму і 41,5 мкм по максимуму для кількості обертів 1500 хв-1, відповідно 8,2 мкм і 20,4 мкм для кількості обертів 3000 хв-1.

3. Побудова і оптимізація проточної частини корпусно-секційних відцентрових шахтних насосів з коефіцієнтом швидкохідності ns=60-90 на основі збереження постійності діаметрів робочих коліс і незмінності систем лопаток відведення, в однакових за конструкцією, суміжних за подачею насосів, при мінімізації втрат енергокавітацій, значущо при відношенні мінімального натиску до максимального як 1:3 і подач в співвідношенні 1:2. При цих співвідношеннях подач і натисків гідравлічний ККД варіюється відповідно від 0.8952 до 0,9227, ККД відведення від 0,960 до 0,966, ККД ступені – від 0,864 до 0,891, що на 4-6 % вище досягнутого для машин такого типу.

Побудова параметричного ряду на основі даної концепції створює умови для уніфікації вузлів і деталей проточної частини і дозволяє у декілька разів зменшити число типорозмірів шахтних заглибних КСВН-основного устаткування водовідливів шахт, що закриваються.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше методами математичної статистики і теорії ймовірності для робочих коліс шахтних насосів різних типів, модифікацій і виконання визначено оптимальні межі відхилень і взаємного розташування формотворних поверхонь, неврівноваженостей мас, вібропоказників із приведенням їх до зовнішнього діаметра.

2. Вперше теоретично розроблено і реалізовано метод синфазного складання КСВН на основі ймовірносно-статистичного аналізу інтегрального показника - балансової міри і розподілу залишкової неврівноваженості коліс по валу насоса з пропонованої вибірки за детермінованим принципом. За детермінований принцип розподілу прийнято закон ланцюгової лінії, що відповідає першій формі коливань системи, з утворенням у просторі при обертанні вала мінімальної поверхні. ККД насосів з детермінованим розподілом залишкової неврівноваженості по ротору збільшується на 2-3 % щодо серійних при зниженні віброактивності агрегату в 1,5-2,5 рази.

3. Розроблено математичну модель відносного потоку в міжлопаткових каналах робочого колеса, яка базується на гіпотезі сталості збільшення напору на елементарній ділянці лопатки з урахуванням впливу кінцевої кількості лопаток, просторової зміни профілю в меридіанному перетині, з можливістю варіювання теоретичних подач, напору на колесо і переходом на модульно-функціональний метод їх виробництва.

4. Вперше науково обґрунтовано підхід до розробки параметричного ряду заглибних відцентрових шахтних насосів для вугільних підприємств України на основі збереження сталості зовнішнього діаметра робочих коліс в однакових за конструкцією і суміжних за подачею насосів зі збереженням геометрії відводу.

5. Доведено, що для КСВН заелементне балансування деталей проточної частини з розподілом неврівноваженостей на валу за оціненим критерієм є необхідною і достатньою умовою зниження рівня їх вібрації на відміну від балансування ротора в зборі, що не забезпечує мінімізацію віброактивності через необхідне вторинне поелементне розбирання ротора.

6. Вирішено задачу вимушених коливань ротора насоса з розташованими рівномірно дисками-колесами, позиціюнованими на валу за законом розподілу балансових мір, з можливістю здійснювати і зіставляти величини віброхарактеристик з експериментальними.

7. Вперше сформульовано підхід до технічної діагностики КСВН у вигляді правила ідентифікаційного коду при віброметрії та аналізі технічного стану агрегатів, відповідно до якого стало можливим у системі КСВН визначати внесок того чи іншого чинника на вібронавантаженість насоса, динаміку регресування та оцінювати його залишковий ресурс.

8. Вперше для КСВН, які працюють на шахтній воді, обґрунтовані, розроблені і реалізовані наукові методи і способи впливу на динамічну машину як на механо-гідравлічну систему, за результатами чого отримані насосні агрегати з довговічністю більше ніж 20 тис. годин.

Практичне значення отриманих результатів полягає у використанні при розробці, проектуванні й організації серійного виробництва КСВН нового покоління і модернізації модульно-функціонального методу виробництва робочих коліс з варіацією продуктивності і напорів, методів передскладальної підготовки, балансування і складанні насосів з детермінованим розподілом неврівноваженостей по ротору, підвищеним ККД насосів, моніторингу,

діагностики і динаміки зношування з прогнозуванням їх залишкового ресурсу. Розроблені методи побудови насосів з варійованими характеристиками робочих коліс і уніфікацією відводу, мінімізацією сумарних втрат енергії для однакових за конструкцією і суміжних за подачею насосів реалізовані при розробці параметричного ряда заглибних КСВН зі зменшенням номенклатури корпусних деталей.

Практична реалізація основних положень, рекомендацій і висновків роботи.

Розробки, основні положення і рекомендації по цій роботі використані в створюваних у НДІГМ ім. М.М.Федорова насосах НСШМ 320-800; при виробництві робочих коліс насосів ЦНСШМ 300-660; формоутворенні деталей проточної частини і складання насосів ЦНС 300, ЦНС 180, ЦНСШМ 300-660 на НВО "Енергія" (м.Дружковка), а також на ремонтно-механічних заводах ДП "Дзержинськвугілля" при організації виробництва і капітального ремонту насосного парку ДП "Укршахтгідрозахист" і ДП "Обласна дирекція "Донвуглереструктурізація".

Для організації водовідливних комплексів шахт, які закриваються, з використанням ствола як водозбірника уперше разом з НДІГМ ім. М.М.Федорова Севастопольським заводом "Молот" були розроблені і запущені у виробництво заглибні насосні агрегати вітчизняного виробництва АНПШ-375. При розробці технологічних процесів виготовлення і балансування робочих коліс, гістограмного аналізу і синфазного складання насосів АНПШ-375 були використані основні результати і висновки цієї роботи.

У цілому заводами і підприємствами за рекомендаціями, науковими і практичними положеннями роботи виготовлені та експлуатуються в шахтах галузі більш ніж 500 насосних агрегатів під постійним їх контролем і моніторингом. Економічний ефект від впровадження результатів роботи лише по ДП “Дзержинськвугілля” складає 750 тисяч грн.

Особистий внесок автора в отримання наукових результатів полягає в постановці і формулюванні наукової проблеми, цілей і задач роботи. Розробка і дослідження запропонованих до реалізації в насосних установках наукових положень і технічних рішень, результатом яких є збільшення довговічності агрегатів, виконані при особистій участі автора як наукового керівника. Теоретичні дослідження, які ввійшли до дисертації, виконані автором самостійно. Йому належать основні ідеї роботи і методики теоретичних і експериментальних досліджень. У роботі використані матеріали експериментальних досліджень насосних агрегатів і деталей проточної частини КСВН ЦНС 300, ЦНСШ 300, ЦНСШМ 300, проведені безпосередньо автором на стендах і в експлуатаційних умовах. Узагальнення результатів експериментальних досліджень, а також роботи насосів на шахтних водовідливних установках виконано за участю співробітників інституту під керівництвом автора.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися, обговорювалися та одержали позитивну оцінку більш ніж на 24 міжнародних науково-технічних конференціях, семінарах, нарадах, зокрема: конференції, присвяченій 45-річчю ДГМІ "Перспективи розвитку вугільної промисловості в XXІ столітті" (м.Алчевськ, 2002.), І, ІІ та ІІІ Міжнародних науково-технічних конференціях "Вібрація машин: вимірювання, зниження, захист" (м.Донецьк, 2003, 2004, 2005), Регіональній науково-технічній конференції "Механіка і сучасна техніка" (м.Донецьк, 2005), "Форумі гірників" (м.Дніпропетровськ, 2001-2003, 2005), ІІ Міжнародній науково-технічній конференції "Гірнича електромеханіка й автоматика" (м.Донецьк, 2002-2003), ІV Міжнародній науково-технічній конференції "Гірнича електромеханіка й автоматика", присвяченій 100-річчю Гейера В.Г. (м.Донецьк, 2004), VІІІ, ІX, X, XІ, XІІ Міжнародних науково-технічних конференціях "Машинобудування і техносфера XXІ століття" (м.Донецьк, 2001-2005), Міжнародній науково-практичній конференції, присвяченій 60-річчю ДВАТ "Луганськгіпрошахт" "Уголь-Mіnіng Technologіes - 2003" (м.Алчевск, 2003), Регіональній науково-технічній конференції "Механіка і сучасна техніка", присвяченій 70-річчю кафедри "Теоретична механіка" ДонНТУ (м.Донецьк, 2005)

Публікації. Основні результати досліджень опубліковані в 57 роботах, що містять 3 авторські свідоцтва, 8 патентів України на винаходи і 1 монографію. Ключові положення дисертації представлені в 45 статтях, у тому числі 14 статей опубліковано без співавторів, 35 статей - у провідних фахових виданнях, 10 статей - у періодичних збірниках наукових праць.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів і загальних висновків, містить 375 сторінок, зокрема 280 сторінок основного тексту, 112 малюнків, 28 таблиць, списку використаних джерел з 311 найменувань і 32 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі наведено аналіз сучасного стану і розвитку шахтного насособудування і шляху підвищення довговічності насосів при мінімізації енергоспоживання.

Показано, що в створенні і дослідженні КСВН для шахтного водовідливу велику роль відіграли праці видатних вітчизняних учених: Д.Я.Алексапольського, І.М.Вершиніна, І.М.Вознесенського, В.Г.Гейера, І.Г.Єсьмана, О.О.Ломакіна, В.В.Малюшенко, В.А.Марцинковського, А.К.Михайлова, В.С.Пака, У.Н.Пінегіна, Г.Ф.Проскури, С.С.Руднєва, Г.В.Складнова, Д.Я.Суханова, М.М.Федорова, Н.М.Шапова, Н.Є. Шуковського.

Великий внесок у розробку схем і засобів шахтного водовідливу, зокрема і КСВН, зробили: О.В.Адам, Е.І.Антонов, Д.Г.Белецький, П.Ф.Бєліков, М.А.Прочан, Є.А.Воловик, А.П.Герман, В.І.Грубий, Е.И.ДанІлов, А.П.Дєньгін, О.В.Докукін, А.Н.Зоря, А.А.Каплюхін, Н.Г.Гаркавий, І.І.Куренков, Н.Г.Логвинов, В.В.Мазуренко, В.Б.Малєєв, С.С.Малигін, Г.М.Нечушкін, Н.Є.Офенгенден, В.В.Пак, М.В.Паламарчук, В.М.Попов, І.Л.Повх, М.С.Рабінович, М.Г.Ріпп, Ю.В.Тимохін, Г.М.Тимошенко, В.А.Фадін, С.П.Шевчук.

Виконані фахівцями дослідження, що були спрямовані на розвиток теорії побудови насосів і засобів шахтних водовідливних установок в Україні і за кордоном, визначили загальну систему підходу до рішення проблеми водовідливного комплексу обводнених і глибоких шахт. На їх основі розроблений новий ряд шахтних насосів типу НСШ із використанням у деяких його типорозмірах першого колеса з підвищеною усмоктувальною здатністю і застосуванням сталевого лиття замість чавунного, робочих коліс насосів, ущільнень; досліджена робота розвантажувального вузла з оптимізацією контактуючих поверхонь по зносу; розроблений аналітичний метод розрахунку водовідливних установок і ряд оригінальних технологічних схем; розроблена єдина система безрозмірних параметрів насосних водовідливних установок із заглибними насосами, що підкачують, засоби і схеми видалення шламу з водозбірних ємностей; розроблено гідроелеватори, ерліфтні водовідливні установки та ін.

Однак до теперішнього часу мало досліджений вплив на віброактивність і довговічність КСВН процесів гідроабразивного, корозійного і кавитаційного зношування вузлів і проточної частини працюючих на шахтній воді, які призводять до розбалансування роторів, росту вібрації, утрати робочих характеристик.

Мало досліджена робота КСВН у режимі підвищеної вібрації, обумовленої нестаціонарною гідродинамікою, неоднорідністю поля неврівноважених відцентрових сил обертових деталей проточної частини агрегату, технологічними і конструктивними недосконалостями, особливостями складання та його недосконалостями.

Не досліджений вплив на роботу шахтних КСВН методів і технологічних підходів до формоутворення деталей проточної частини, зокрема основне, визначальне функціонування агрегату - робочі колеса. Конструктивні особливості КСВН (відсутність подовжнього рознімання, вимоги по мінімізації неврівноваженості коліс, зведення вібропараметрів до нормованих величин) вимагають розробки закономірностей розподілу залишкових неврівноважених мас по валу. Виявлення впливу цих закономірностей на віброактивність агрегату ймовірносно-статистичними методами, організація складання КСВН на основі виділеного керуючого чинника вимагають теоретичного дослідження та розробки наукових методів і обґрунтування практичної реалізації її при виробництві насосів.

Недостатньо досліджені принципи і методи створення робочих коліс з рівними між собою обсягами міжлопатковихх конфузорних каналів, однакових за масою і неврівноваженістю, зносостійкими по різним робочим поверхням тих самих деталей проточної частини. Не повною мірою вивчені та апробовані в шахтних КСВН впливи прогресивних методів зміцнення пов’язаних пар на основі матеріалів, які гасять вібрацію, зокрема модифікованих чавунів, спеціальних методів прогресивної обробки коліс, їх балансування і складання на динаміку машини.

Недостатньо розроблені методи побудови робочих коліс з варіацією робочих характеристик при незмінних габаритах проточної частини і лопаткової системи відводу з мінімізацією енергокавітаційних втрат як задачі оперативного коректування за вібропоказниками КСВН.

Крім того, розв’язання останньої задачі дозволяє побудувати параметричний ряд КСВН на основі уніфікації корпусних деталей і знизити кількості типорозмірів насосів при збільшенні їх ККД.

Усе вищезазначене визначає наукову спрямованість роботи на розв’язання вказаних проблем, суть якої полягає в дослідженні і побудові насосних агрегатів високої надійності і довговічності на основі комплексного аналізу і розробки прогресивних наукових методів побудови високоточних робочих коліс, їх доскладальної підготувки, зокрема балансування на робочих оборотах, зниження неврівноваженості і віброактивності насосів за допомогою розробки методів складання на основі детермінізму розподілу неврівноваженостей по ротору, теоретичного обґрунтування такого складання математичними методами, визначення характеру коливань у залежності від кількості коліс і способу розподілу їх на роторі.

У другому розділі проведено аналіз загального рівня вібронавантаженості насосних агрегатів, інтенсивності росту вібрації, акустичних показників, розбалансування, пов'язаного з контактно-вібраційним, гідроабразивним, корозійним зносом і кавітаційною ерозією деталей проточної частини. Показано, що недостатня довговічність шахтних КСВН, енерговитрати і низькі величини ККД безпосередньо залежать від геометричних, кінематичних і технологічних похибок обертових деталей проточної частини, матеріалів, які використовуются, і способів впливу на них при формоутворенні, доскладальної підготувки, зокрема балансування і складання насосних агрегатів.

В основу мінімізації зазначених параметрів покладено розроблений метод нормування показників віброактивності-дисбаланса, віброзміщения і неврівноваженої маси. Базою для мінімізації та оптимізації зазначених параметрів є запропоноване поелементне балансування обертових деталей проточної частини шахтних КСВН у динамічному режимі на експлуатаційних обертах.

Для реалізації методу розроблені балансувальні верстати рамного типу СДБ-4 і СДБ-4А, на яких проведені дослідження неврівноваженості обертових деталей проточної частини шахтних насосів вертикального і горизонтального виконань для всього спектра обертів робочих коліс, засобів відкачування води в гірничо-видобувній галузі, які вживаються.

Дослідження та аналіз, проведені для деталей проточної частини (зокрема більш ніж 5000 робочих коліс) шахтних КСВН різного типу, матеріалу і виконання дозволили визначити вплив геометричних, кінематичних, точностних і конструктивних чинників на неврівноваженість, оцінити вплив недосконалостей виробництва і складання на вібронавантаженість агрегатів із КСВН. Критерієм оптимізації і нормування зазначених параметрів є отримані при балансуванні початкові (до коректування неврівноваженої маси) і залишкові (після коректування) дисбаланси, величини залишкової неврівноваженої маси і віброзміщения, що заміряні приладами ВБ-5 і М-795.

На основі отриманих даних побудовані залежності початкових Dп і залишкових дисбалансів Dз робочих коліс від геометричних недосконалостей, пов'язаних із взаємним відхиленням формотворних поверхонь щодо бази: г торцевого.

Залежності регресіона залежність між початковим і залишковим дисбалансом, геометричними, кінематичними і технологічними недосконалостями в загальному вигляді описані системою рівнянь другого ступеня (1) і для двох випадків у чисельному і графічному виді представлені на рис. 1 і 2:

(1)

Dн – початковий дисбаланс;

, - радіальне та торцеве биття корінного диска;

1, 2 – радіальне биття горловини та ступиці колеса;

, - торцеве биття площини ступиці та горловини колеса.

Множинна регресіона залежність між залишковим дисбалансом, геометричними і технологічними недосконалостями в загальному вигляді можуть бути описані системою рівнянь другого ступеня, аналогічних (1) при заміні початкового дисбалансу на залишковий, і ротацією індексів.

Рис.1. Множинна регресіона залежность початкового дисбалансу від радіального биття колеса і торцевого биття горловини для робочого колеса заглибного насоса АНПШ-375.

Рис.2. Множинна регресіона залежность залишкового дисбалансу від радіального биття корінного диска і торцевого биття корінного диска для робочого колеса насоса ЦНСШм-300.

Сумісним рішенням рівнянь множинної регрегіоної залежності вигляду (1) між початковим, залишковим дисбалансом і параметрами системи отримані зони варіювання технологічних недосконалостей для мінімізації вібронавантаженості КСВН.

У результаті розв’язання задачі про нормування геометричних, кінематичних, конструктивних і технологічних недосконалостей (зокрема по кроку між лопатками, по ширині виходу потоку з робочого колеса) отримані співвідношення, що дозволяють оцінювати рівень і точність виробництва обертових деталей шахтних КСВН горизонтального і вертикального виконання:

=(1,25-1,35)10-3 Dn ; 1=(4,55,5)10-5 Dn; = (1,125-1,235)10-4 Dn; (1)

2=(2.25-4.25)10-4 Dn ; Дt=(6,2511,75)10-4 Dn; в=(2,254,25)10-3 Dn ,

де Dn - зовнішній діаметр робочого колеса, мм;

Дt – відхилення за межлопаточним шагом;

в – відхилення за шириною колеса.

Розроблена теоретична методика нормування геометричних, кінематичних, конструктивних і технологічних параметрів робочих коліс у сукупності з доскладальною підготовкою і поелементним балансуванням є основою для складання КСВН із мінімальною віброактивністю.

У третьому розділі розглядається створення довговічних, працюючих на шахтній воді КСВН нормованої вібронавантаженості, з вузлами і деталями проточної частини робочих коліс, які протистоять гідроабразивному, корозійному і кавитаційному зношуванню.

З цією метою в роботі розроблено математичну модель проточної частини коліс, пов'язану з механо-гідравлічною системою машини, на основі якої створено метод формоутворення лопаткової системи, що дозволяє мінімізувати відхилення від геометричного прототипу як за формою, так і за масою. Розроблена модель також є базою для створення модульно-функціонального виробництва робочих коліс з можливістю вибіркового впливу на робочі поверхні, рівноміцні і стійкі до шахтної води і кавітації. Такий підхід забезпечує протистояння проточної частини вимиванню, зносу, руйнуванню з мінімізацією росту вібрації від зазначених чинників.

В основу теорії профілювання лопаток робочих коліс закладена гіпотеза про те, що питома робота насоса повинна забезпечувати розрахунковий ряд напорів або варіацію характеристик без зміни головних геометричних параметрів робочого колеса (рис.3). Обґрунтовані та отримані силові співвідношення, на основі яких формуються профіль, кут охоплення в плані і довжина лопатки, що пов'язані з робочими параметрами насоса.

Рис.3. Розрахункова схема щодо визначення профілю лопатки

Отримана закономірність

(2)

дозволяє для заданого відношення теоретичної величини питомої роботи при нескінченній кількості лопаток до теоретичної величини питомої роботи при скінченій кількості лопаток, заданих Q і H, одержувати параметр логарифмічної спіралі , що описує контур лопатки. На рис. 4 наведено пучок логарифмічних спіралей, що пов'язує напори, продуктивності і параметр логарифмічної спіралі , розрахований для різних подач Q і відношення

.

Отримана математична модель, що пов’язує теоретичні та діючі напори з геометричними параметрами колеса, дозволяє проводити профілювання лопатки і меридіанного перетину колеса для близьких за подачею КСВН при незмінному зовнішньому діаметрі колеса, виконувати коректування профілів, варіацію робочих характеристик з уніфікацією вузлів і деталей проточної частини насоса зі збереженням параметрів відводу і мінімізацією енергетичних втрат.

Рис.4. Спектр конфігурацій лопаток насосів, обкреслених по логарифмічній спіралі в залежності від продуктивності (Q) і напору (H) при частоті обертання n=1500 хв-1

З цією метою для розрахунку і проектування КСВН з одержанням даних про вплив зміни геометричних параметрів проточної частини робочих коліс постійного діаметра на їх прогнозні енергокавітаційні характеристики Інститутом проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного НАН України було проведено адаптація програмного комплексу, призначеного для розрахунку радіально осьових турбін.

У результаті було показано можливість значної зміни величини напору, створюваного робочим колесом при фіксованих значеннях подач за рахунок зміни геометричних параметрів лопатки робочого колеса.

Розроблена концепція побудови проточної частини реалізована при проектуванні і розрахунку енергетичних і кінематичних показників робочих коліс АЗЕ-630.75, АЗЕ-630.110, АЗЕ-630/5245 заглибних насосних агрегатів з оптимізацією геометричних параметрів, прогнозовані розрахункові показники яких відповідають направляючому апарату і лопатковому відводу групи коліс (рис.5, 6), при мінімізації сумарних втрат енергії у відводі (рис.7):

Рис. 5. Плани лопаток робочих коліс заглибного насоса АЗЕ-630.75, АЗЕ-630.110 і АЗЕ-630.225/5245

Рис. 6. Меридіанний переріз робочих коліс

Рис.7. Порівняння сумарних втрат енергії в направляючому апараті і лопатковому відводі з робочими колесами АЗЕ-630.75, АЗЕ-630.110 і АЗЕ-630.225/5245

У табл. 1 наведені розрахункові значення ККД для заглибних насосів при використанні розроблених робочих коліс.

Таблиця 1.

Розрахункові дані параметрів і К.К.Д. робочих коліс заглибних КСВН

Тип колеса | Подача,

Q, м3/с | Теор.

напір,

Hт, м | Напір робочого колеса, H, м | Швидко-хідність,

ns | ККД робочего колеса,

зг р к | ККД

відведення,

зг отв. | ККД

сту-пенІ,

зг ст. | ККД

насоса,

з

АЗЕ-630.75 | 0,175 | 260,1 | 237,7 | 74,86 | 0,9138 | 0,960 | 0,877 | 0,767

АЗЕ-630.110 | 0,175 | 238,4 | 213,4 | 81,16 | 0,8952 | 0,966 | 0,864 | 0,756

АЗЕ-630/5245 | 0,175 | 244,8 | 225,8 | 78,80 | 0,9227 | 0,966 | 0,891 | 0,78

У цілому такий підхід дозволяє створювати не тільки високоточні, мінімізовані за неврівноваженістю і контактно-вібраційному впливу, стійкі до гідроабразивно-ерозійного, корозійно-кавітаційного зношування робочі колеса, але і високоекономічні КСВН.

У четвертому розділі поставлена і розв’язана задача впливу вібронавантаженості та мінімізації енергетичних втрат на процеси, пов'язані з динамікою КСВН і її вимушених коливань, що вимагає розробки методів упорядкування неврівноважених мас по ротору, виділення керуючого чинника і розробки синфазних способів складання.

Гістограмний (рис. 8) і статистичний аналіз параметрів і характеристик робочих коліс різних типів і модифікацій, конструкторсько-технологічного виконання і матеріалів для шахтних насосів як горизонтального, так і вертикального компонувань дозволив визначити характер законів розподілу щільності, дисперсії, відхилення, середньоквадратичної помилки, відхилення середньої величини у вибірці від середньої величини в генеральній сукупності параметрів коліс.

Рис. 8 Гістограма і графік функції густини ймовірності розподілу початкових (1) і залишкових (2) дисбалансів коліс заглибних електронасосних агрегатів АНПШ-210 для вибірки =20 одиниць; розбивка сукупності =7.

Відхилення середньої величини досліджуваних параметрів від середньої величини в генеральній сукупності показує, що тільки для величин залишкових дисбалансів її розкид не перевершує мінімального припустимого значення (табл. 2).

На основі аналізу доведено, що для усіх типів коліс, які застосовуються для шахтних КСВН (зокрема заглибних) як керуючий фактор організації детермінованого розподілу залишкових неврівноваженостей і синфазного складання має бути прийнята балансова міра, що є характеристикою залишкової віброактивності колеса. Показано, що основним напрямком створення надійних, довговічних (більш ніж 20 тис. часів) і ремонтопридатних насосних агрегатів з малою віброактивністю є розробка і впровадження методики виготовлення високоточних робочих коліс насосів, балансування з наступною організацією доскладальної підготувки і завершальної технологічної операції - складання насосного агрегату з детермінованим розподілом їх по валу.

При організації синфазного складання за результатами балансування в динамічному режимі колеса комплектуються на валу парами, по позитивній різниці балансових мір із розподілом їх за законом ланцюгової лінії (рис. 9а), з утворенням у просторі при обертанні мінімальної поверхні-катеноїда (рис. 9б). При цьому директриса ланцюгової лінії, що відповідає мінімуму балансових мір, має розташовуватися в середній частині насоса.

Таблиця 2.

Аналіз показників штампозварених робочих коліс

Ймовірно-статистичний показник | Матема-тичне сподіван-ня,

М(х) | Дис-персія,

у2 | Середньоквадратична помилка,

ух= | Відхилення середньої величини параметра від середньої величини у генеральній сукупності, | Закон розподілу густини ймовірності

За масою | 16,313 | 0 | 0,0487 | 0,1460

За початко-вим дисбалан-сом | 1742,128 | 1876932 | 94,3155 | 282,9465

За залишко-вим дисбалан-сом | 488,621 | 140079 | 25,7659 | 77,2976

На рис. 10 наведено регресіоні залежності розподілу характеристик віброактивності і їх просторового відображення у світлі представлення складання як технологічної операції.

а)

б)

Рис. 9. а) Графік розподілу балансних мір для робочих коліс (параболічна апроксимація) насосів типу ЦНСШМ 300-600;

б) катеноїд обертання залишкових невріноваженостей робочих коліс при розподілі їх по роторі за законом ланцюгової лінії

Рис. 10. - Регресіона залежність розподілу позитивних різниць балансових мір

1- шахта "Відродження" ДП "Львівугілля", 2. - шахта ім. М.І.Калініна 3. - шахтоуправління "Трудовське", 4. - шахта ім. Ф.Е.Дзержинського.

Аналіз функцій розподілу балансних мір і їх адекватності функції навантаження показує, що за сили, які збурюють вимушені коливання роторів динамічних турбомашин з урахуванням загасання, можуть бути прийняті функції параболічного виду або закону ланцюгової лінії, еквідистантні функції розподілу балансних мір.

(3)

Така методика доскладальної підготувки і синфазного складання КСВН зменшує вібронавантаженість агрегатів і збільшує довговічність їх у два-три рази.

У п'ятому розділі показано, що аналіз технічного стану, діагностики і прогнозування ресурсу КСВН за допомогою віброметрії вимагає комплексного підходу до технології виробництва їх елементів, організації доскладальної підготувки, балансування і складання для створення досить повної відповідності агрегатів геометричній подобі, обумовленій їхі конструкторськими особливостями.

З цією метою поставлена і розв’язана задача вимушених коливань ротора КСВН із детермінованим розподілом неврівноваженостей на роторі за законом ланцюгової лінії, що є вихідним для визначення прогнозованого вібраційного рівня можливого ресурсу агрегату, для випадку апроксимації розподілу балансових заходів для рівняння ланцюгової лінії:

, (4)

де EJ - жорсткість вала; F - площа поперечного перерізу вала; - маса одиниця об'єму; - коефіцієнт загасання; - параметр, що описує рівняння ланцюгової лінії.

Рішення рівняння (4) отримано у вигляді системи, кожне зі співвідношень якої має вигляд (5)

Прирівнюючи визначник цієї системи, складений з коефіцієнтів при Y(x1), Y(x2), Y(x3), ..., Y(xn) =0, одержимо рівняння для визначення частот і вібропереміщень.

Обчислюючи отриманий визначник і розташовуючи його по ступенях , для кожного типу КСВН одержуємо рівняння 2n-го порядку, рішення якого проводиться числовими або ітераційними методами:

(6)

Отримані корені рівняння (6) визначають частоти вимушених коливань системи під дією навантажень, розподілених по валу за законом ланцюгової лінії.

Теоретичне визначення параметрів коливальної системи, реалізоване для всіх типорозмірів КСВН у чисельному вигляді, дозволяє порівнювати коливання агрегатів і відслідковувати динаміку їх регресувания за допомогою моніторізації.

Спектральний аналіз вібрації дозволяє відслідковувати кінематичні недосконалості насосного агрегату, характерні дефекти виробництва і монтажу, в оперативному порядку визначати та усувати їх.

У шостому розділі приведені розроблені технологічні методи і способи дії на досліджуваний об'єкт – КСВН для отримання відповідних геометричному прототипу деталей проточної частини з організацією

високоміцної мікроструктури і твердості, що дозволяє протистояти абразивному і корозійному зносу із забезпеченням заданого ресурсу.

Для побудованих більш ніж 500, а також капітально відремонтованих шахтних насосних установок обґрунтовано і доведено по інструментальних вимірах і моніторингу, що їх робочі характеристики із застосуванням вищезгаданих способів дії, технологічних і конструкторських змін збільшилися відносно виготовлених на спеціалізованих насосних заводах в середньому на 1,5-2,5%. Продуктивність вдосконалених машин збільшилася відносно стандартних, що випускаються для галузі, на 3-5 %, а ККД насосів (особливо багатоступінчастих ЦНСШМ 300-480, ЦНСШМ 300-540, ЦНСШМ 300-600) досяг величин 0,72-0,74 для робочої зони в серійному виконанні.

Періодичний контроль, що проводиться, по основних діагностичних чинниках - спектрах вібрації, температурі підшипникових вузлів і текучого з розвантажувальної камери, витраті через розвантаження, сальникові ущільнення, зміні робочих характеристик, свідчень амперметра в осередку КРУВ і т.д., показав, що у насосів з детермінованим розподілом неврівноваженостей по ротору вібрація нижче мінімально нормованої в 1,5-2 рази ( рис.11, 12); після пуску і обкатки не потрібна перецентровка, відсутнє перманентне розбалансування агрегатів. Об'єм води, що дроселює через зазор між кільцями розвантаження, стабільний і не перевищує 3,5 % від значення подачі насоса за весь період роботи насоса. Збільшилася надійність вузлів і деталей агрегатів, експлуатованих в умовах відкачування шахтних вод. Особливо це виявилося по числу замін кілець розвантаження вузла компенсації осьового навантаження, оскільки ресурс їх виріс до 6…8 тис годин.

В цілому ресурс побудованих КСВН до капітального ремонту збільшився в 2,5-3 рази відносно регламентованого технічними вимогами ГОСТ 10407 і склав в середньому 18…20 тис. годин.

ВИСНОВОК

У дисертаційній роботі вирішена велика науково-практична проблема дослідження і створення довговічних, з мінімізованою динамікою шахтних насосів, стійких до гідроабразивного, кавітаційного і корозійного зносу, при роботі їх на середовищах з високим вмістом механічних домішок і мінеральних частинок, зміцненою проточною частиною на основі використання розроблених методів модульно-функціонального формоутворення деталей і синфазного збирання ротору, постійності зовнішнього діаметру робочого колеса і незмінності систем лопатного відведення, у однакових за конструкцією і суміжних за подачею насосів, з мінімізацією енергокавітаційних втрат.

1. Науково обґрунтовано і експериментально підтверджено, що розв’язання задачі побудови довговічних КСВН із нормованою вібронавантаженостю, зносо-корозійностійкою міцною частиною, високою міцністю і ККД є багатофакторною проблемою, обумовленою не тільки створенням гідравлічно досконалої машини, але й