СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

ВАРАКУТА Євген Олександрович

УДК 621.924.93

ПІДВИЩЕННЯ ТЕРМІНУ СЛУЖБИ ЗАПІРНОЇ АРМАТУРИ ПРОМИСЛОВОГО ТРУБОПРОВІДНОГО ГІДРОТРАНСПОРТУ УДОСКОНАЛЕННЯМ ХАРАКТЕРИСТИК РОБОЧОГО ПРОЦЕСУ

Спеціальність 05.22.12 – промисловий транспорт

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Луганськ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент,

ЧЕРНЕЦЬКА Наталія Борисівна,

Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, професор кафедри організації перевезень і управління на залізничному транспорті.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор,

БЕРЕСТОВИЙ Анатолій Михайлович,

Одеська національна морська академія, Азовський морський інститут, завідувач кафедри судоводіння і морських перевезень;

кандидат технічних наук, доцент,

СВІТЛИЙ Юрій Герасимович,

науково-виробниче об'єднання “Хаймек”,
директор з наукової роботи.

Захист відбудеться "27" грудня 2007 р. о 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д29.051.03 при Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, перший навчальний корпус, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля.

Автореферат дисертації розіслано “23” листопада 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ю.І. Осенін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Україна є однією з країн з найбільш розвиненою інфраструктурою вугільної, енергетичної і металургійної галузей промисловості. Виробництво значних об’ємів продукції, що випускається в цих галузях, пов'язано із застосуванням розгалуженої мережі промислового напірного трубопровідного гідротранспорту (ПТГ) твердих насипних вантажів, особливістю якого є сталість роботи поза залежністю від просторової орієнтації систем трубопроводів. Переважне застосування він знайшов на вуглезбагачувальних фабриках (ЗФ), гірничо-металургійних підприємствах, теплових електростанціях (ТЕС) і в хімічній промисловості.

Основними складовими елементами мережі промислового трубопровідного транспорту є насоси, трубопроводи та різного роду регулюючі пристрої (запірна арматура, циклонні апарати й інше допоміжне обладнання). При цьому підключення та відключення насосних установок й інших пристроїв, а також різних ділянок трубопроводів, маршрутизація руху потоку гідросуміші виконується завдяки запірній арматурі, від досконалості конструкції якої у значній мірі залежить тривалість міжремонтних термінів роботи ПТГ, а також його надійність.

Актуальність теми. Запірна арматура є одним з найбільш широко розповсюджених елементів і найслабшою ланкою в ланцюзі машин і апаратів, що забезпечують безперервне транспортування гідросумішей по трубопроводах промислового гідротранспорту. Для збільшення тривалості безперервної роботи гідротранспорту необхідно забезпечувати стабільне функціонування запірної арматури. Це обладнання експлуатується у складі трубопроводів, по яких переміщається гідросуміш, що містить велику концентрацію крупних часток твердої фази і, отже, має підвищену здатність до зношування. У зв'язку з цим застосовувані на підприємствах засувки мають низьку ефективність. Тривалість їхньої роботи становить 3-5 місяців. Застосування спеціальної запірної арматури для роботи на гідросумішах хоча і збільшує тривалість міжремонтних термінів експлуатації даного обладнання до 4-6 років, однак їхня паспортна довговічність (8-10 років) не забезпечується. Частий вихід з ладу і малі терміни служби запірної арматури приводять до збільшення загального часу простою системи, втрати продукту, що транспортується, порушення технологічного циклу підприємства.

Деталями запірної арматури, що найбільш інтенсивно зношуються, є її робочі органи, а саме контактні поверхні сідла і шибери. Тривалість збереження сталості форми цих поверхонь у заданих межах визначає термін служби запірної арматури: саме через їхній знос 85% засувок передчасно втрачають свою працездатність, оскільки контакт деталей запірного механізму із потоком відбувається протягом усього часу роботи трубопровідної арматури. Швидкий вихід з ладу деталей запірного органа засувок приводить до додаткових витрат підприємства на відновлення роботи ГТС, заміни зношених деталей або всього пристрою в цілому.

Дослідження й уточнення закономірностей зношування контактного контуру запірного органа засувок дозволить прогнозувати на стадії розрахунків результати раціональних конструктивно-технологічних заходів, спрямованих на підвищення ефективності роботи різних різновидів трубопровідної арматури.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дослідження, виконані в даній дисертаційній роботі, є частиною теми Мінвуглепрому “Розробка й освоєння в дослідницько-промисловій експлуатації технології використання водовугільного палива на базі енергетичного вугілля і шламових відходів” договір № 23050608000 від 25 вересня 2006 р.; госпдоговірних тем СНУ ім. В. Даля ДН-30-03 “Створення основ теорії зношування обладнання в процесі готування і транспортування емульгованого нафтопродуктами водовугільного палива” (2002-2005 рр.) і ДН-27-06 “Обґрунтування і розробка теоретичних основ створення енергоємного і екологічного седиментаційно-стабільного водовугільного палива” (2006 р.). Вони пов'язані з розвитком теорії прогнозування довговічності і визначенням термінів ремонту обладнання гідротранспортних систем. Автор є одним з основних виконавців зазначених робіт.

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є підвищення терміну служби запірної арматури промислового трубопровідного гідротранспорту удосконаленням характеристик робочого процесу перестановок запірного органа на основі встановлених закономірностей зношування контактного контуру. Для досягнення поставленої мети були сформульовані такі основні завдання досліджень:

1. Аналіз конструктивних особливостей будови запірного органа трубопровідної арматури.

2. Удосконалення математичної моделі перекриття прохідного перерізу запірної арматури шибером різних конструкцій.

3. Теоретичні дослідження закономірностей гідроабразивного зношування й уточнення математичної моделі зношування контактних поверхонь запірної арматури.

4. Експериментальні дослідження закономірностей гідроабразивного зношування робочого органа запірної арматури та кутів атаки твердих частинок на контактних поверхнях запірного органа.

5. Розробка методик і рекомендацій щодо удосконалення конструкції запірної арматури з метою зниження гідроабразивного зношування її робочого органа.

Об'єкт дослідження. Робочі процеси запірної арматури в системах промислового трубопровідного гідротранспорту.

Предмет дослідження. Закономірності гідроабразивного зношування контактного контуру в процесі перемикання робочого органа запірної арматури.

Методи дослідження. Використано математичний апарат диференціального й інтегрального числення, методи математичної фізики, класичні рівняння гідродинаміки, сучасні методи математичного планування експериментальних досліджень і статистичної обробки результатів експериментів, теорія гідродинамічної подібності (при моделюванні процесів переміщення твердих матеріалів у лабораторних умовах), математичний апарат теорії пружності, теорії пластичності, теорії міцності і деформації, чисельні методи розв’язку рівнянь високих ступенів.

Достовірність і обґрунтованість наукових положень, висновків і результатів обумовлена адекватністю математичних моделей, які базуються на фундаментальних положеннях класичних наукових дисциплін, реальним процесам, що підтверджується стандартними процедурами перевірки результатів досліджень на всіх етапах і задовільній збіжності теоретичних і емпіричних результатів.

Наукова новизна представленої роботи полягає в такому:

1. Одержала подальший розвиток математична модель процесу перекриття потоку гідросуміші робочим органом засувки, котра використовує принцип інтегрування рівнянь відрізків кривих сідла і шибера, що обмежують прохідний переріз запірної арматури, що дозволяє коректно розрахувати площу перекритого перерізу засувки як із суцільним шибером, так і з отвором у ньому.

2. Вперше виконано експериментальні дослідження і визначено кути атаки твердих частинок на контактних поверхнях робочого органа запірної арматури в процесі перекриття потоку шибером методом візуалізації ліній струму, що дозволило розширити число контрольованих і прогнозованих факторів впливу досліджуваних процесів.

3. Удосконалено представлення механізму гідроабразивного зношування контактних поверхонь робочого органа запірної арматури на основі використання енергетичного аналізу процесів нагромадження деформацій з наступним руйнуванням матеріалу від впливу мікроударів абразивних частинок гідросуміші, що дозволило адекватно описати процеси зношування контактних поверхонь трубопровідної арматури при перемиканнях робочого органа.

4. Вперше отримано математичну модель поетапної зміни форми контактних поверхонь робочого органа на підставі взаємозв'язку між величиною об'ємного зносу матеріалу поверхні і лінійних розмірів шибера, а також сідла засувки, що дозволяє визначити граничний термін служби даного обладнання до втрати його герметичності.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено рекомендації з удосконалення конструкції і технології роботи засувок у системах промислового трубопровідного гідротранспорту, що полягають у розвороті запірної арматури за потоком при її експлуатації, примусовому закрученні потоку перед запірним органом і застосуванні в засувках із суцільним шибером допоміжного отвору, через який перепускається частина потоку при перестановці запірного органа, а також запропоновано метод оцінки тривалості роботи запірної арматури при використанні розроблених рекомендацій, що обумовило збільшення міжремонтних термінів роботи даного обладнання в 1,8-3,6 раза та скорочення часу перемикання запірного органа засувки в 1,2-1,6 раза.

Використання способу закручення потоку перед запірним органом засувки приводить до гарантованого збільшення швидкості перемикання трубопровідної арматури без виникнення ефекту гідравлічного удару в 1,2 раза, що забезпечує зменьшення часу перебування робочих елементів у потоці абразивної гідросуміші і, тим самим, збільшення довговічності даного обладнання в системах трубопровідного гідротранспорту.

Матеріали дисертаційних досліджень і розроблені заходи щодо підвищення ресурсу роботи запірної арматури прийняті для практичного використання на гірничо-збагачувальній фабриці (ГЗФ) “Білоріченська” ДХК “Вуглезбагачення” і науково-дослідній організації НВО НДПКІ “Вуглемеханізація”, зокрема, для збільшення тривалості безремонтної роботи засувок типу 30ч.

Особистий внесок здобувача у рамках даної роботи:

- виконано дослідження особливостей конструкції робочих органів різної запірної арматури, розраховано і визначено діапазони значень їхніх характерних відносних геометричних параметрів [1, 2, 13];

- розроблено математичну модель конструктивної характеристики запірної арматури із шибером різних конструкцій, засновану на вирішенні інтегральних рівнянь обмежуючих відрізків кривих сідла і шибера для визначення площі відкритого перерізу під час перестановок робочого органа [2];

- розроблено адекватну математичну модель гідроабразивного зношування контактних поверхонь запірної арматури, засновану на енергетичному аналізі впливу утомних деформацій і енергії руйнування на знос контактних поверхонь робочого органа запірної арматури [3, 4, 9, 12, 14];

- визначено значення кутів атаки потоку на робочому органі засувки із суцільним шибером у залежності від величини переміщення шибера і напрямки руху потоку гідросуміші [8, 15];

- розроблено рекомендації зі створення лабораторних установок для виявлення закономірностей зміни кутів атаки твердих частинок на контактних поверхнях засувок у залежності від стадії відкриття шибера і визначено закономірності гідроабразивного зношування робочих органів запірної арматури [5, 8, 15];

- розроблено методики і рекомендації щодо збільшення тривалості роботи засувок у системах трубопровідного гідротранспорту твердих матеріалів [6, 7, 10, 11].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідались та схвалені на: Міжнародних науково-практичних конференціях „Україна наукова 2003” (м. Дніпропетровськ, 2003 р.), „Динаміка наукових досліджень 2003” (м. Дніпропетровськ, 2003 р.); „Техника для химволокон”
(м. Чернігів, 2004 р.), „Наука і освіта 2004” (м. Дніпропетровськ, 2004 р.); “Гідроаеродинаміка в інженерній діяльності” (м. Київ, 2004, 2007 р.), "Наука в транспортному вимірі" (м. Київ, 2005 р.), науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу СНУ ім. В. Даля (2004 – 2006 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у 15 роботах, з яких 1 брошура, 7 статей у науково-технічних збірниках, що входять до переліку ВАК України, 1 стаття в науковому журналі, тези 4 доповідей на міжнародних конференціях, 2 авторські свідоцтва України на корисну модель і 2 звіти з науково-дослідної роботи. Бібліографічний список опублікованих робіт представлений наприкінці автореферату.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків. Повний обсяг дисертації 209 сторінок, з яких 158 сторінок основного тексту, робота містить 64 рисунка на 37 повних сторінках, 25 таблиць за текстом, 1 додаток на 5 сторінках, список використаних джерел з 153 найменувань на 12 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність дисертаційної роботи, сформульовано напрямок, мету і завдання досліджень, зазначено об'єкт і предмет досліджень, викладено наукову новизну, практичне значення, особистий внесок здобувача і реалізація результатів роботи.

У першому розділі проведено аналіз умов експлуатації запірної арматури в системах промислового трубопровідного гідротранспорту.

Основними місцями експлуатації запірної арматури є насосні станції з перекачування гідросумішей, насоси технологічних зумпфів, дешламатори, пірамідальні відстійники, радіальні згущувачі, вузли перемикання, скидання і випуски магістральних трубопроводів, випуск зумпфів.

На металургійних підприємствах кількість загальнопромислової запірної арматури на перекачувальних станціях у системах видалення шламів після газоочищення досягає 200 одиниць, а на вуглезбагачувальних підприємствах – до 800 од. Діаметр умовного проходу експлуатованої запірної арматури на робочий тиск від 1 до 10 МПа знаходиться в межах 100-1200 мм. При цьому термін служби даного обладнання коливається в межах 2-5 місяців, і тільки в деяких випадках досягає 6-12 місяців, що в 3-8 разів менше паспортних значень тривалості роботи цих пристроїв.

Серед великого різноманіття трубопровідної арматури найбільш широке застосування одержали засувки - запірна арматура, у якій затвор (шибер, клин) переміщається перпендикулярно основному потоку гідросуміші. Перевагами такого типу арматури є порівняно проста конструкція і малий гідравлічний опір, а при роботі на двофазних гідросумішах робочі органи не утрачають своєї відносної рухливості і забезпечують гарантовані перестановки затвору.

Порівняльний аналіз роботи запірної арматури та результати багаторічної експлуатації показали, що найбільшою мірою зношуванню піддаються нижні ділянки контактних поверхонь робочого органа. Знос цих поверхонь є причиною виходу з ладу 85% усіх засувок, що утратили свою працездатність з тих або інших причин.

Проблеми зносу трубопроводів, запірної арматури й іншого обладнання гідротранспортних систем досліджено в роботах Б.Ф. Брагіна, Т.Ш. Гочіташвілі, Ф.Д., Маркунтовича, Н.Є. Оффенгендена, Ю.Г Світлого С.П. Турчанінова, Н.Б. Чернецької й ін.

Аналіз літературних джерел щодо відомих теоретичних і практичних досліджень закономірностей гідроабразивного зношування матеріалів дозволили визначити мету і завдання даного дослідження, що сформульовані вище.

У другому розділі проведено аналіз геометричних параметрів загальнопромислових і спеціальних засувок для роботи на гідросумішах і визначено межі змін значень відносних розмірів їхніх робочих органів

Проведено дослідження зміни геометрії каналу сідла 2, що відкривається при переміщенні шибера засувки 1 в напрямку 3 (рис. 1) і на основі спільного розв’язку інтегральних рівнянь уточнено конструктивні характеристики засувки із суцільним шибером і з отвором у ньому.

Відносна загальна площа відкритого перерізу для засувки із суцільним шибером з урахуванням отриманих відносних розмірів сідла, і шибера, визначається залежністю

. (1)

Вперше для відносної площі щілини, що відкривається, отримано таку залежність

,

де - довжина дуги щілини, що відкривається, з відносною шириною.

Показано, що відносна площа основного каналу засувки визначається так

,

де;

Тут - коефіцієнт звуження; - відносний ексцентриситет;, - відносна ширина контактної поверхні відповідно сідла та шибера.

Отримано вираз для відносної загальної площі відкритого перерізу для засувки з отвором у шибері

, (2)

де;

.

На відміну від раніше відомих формул для визначення конструктивних характеристик засувок, отриманих вченими Д.Ф. Гуревичем і Ф.Д. Маркунтовичем, розбіжність становила відповідно до 25,9% і до 17,3%. При цьому максимальна похибка розрахунків спостерігається при, що веде до завищення швидкості потоку гідросуміші приблизно в 1,5 раза.

Величину зносу контактних поверхонь (КП) робочого органа засувки під час його перестановок у залежності від швидкості гідроабразивного зношування і відносної висоти підйому регулюючого органа (РО) доцільно виразити інтегральною функцією

, (3)

де - загальний знос контактної поверхні в процесі перемикань РО, м;

- швидкість гідроабразивного зношування контактних поверхонь,;

- тривалість перемикання РО за період закриття або відкриття, с.

Для фізичного і спрощеного теоретичного представлення функції зносу доцільно представити загальний знос контактної поверхні у виді суми зносів при кожному з положень шибера, тоді (3) набуде виду

, (4)

де - час зношування при -ому положенні шибера,;

- швидкість зношування контактних поверхонь при -ому положенні шибера,;

- кількість перестановок шибера.

Досліджено зміну швидкості потоку на контактних поверхнях робочого органа. З урахуванням витратної характеристики запірної арматури, що відображає частку витрати гідросуміші, яка проходить через відкритий канал засувки при -ому положенні шибера, вираз для швидкості потоку на контактних поверхнях запірної арматури набуде виду

, (5)

де - витрата в системі при повністю відкритій засувці,;

- коефіцієнт гідравлічного опору повністю відкритого РО;

– коефіцієнт гідравлічного опору в системі;

- коефіцієнт гідравлічного опору РО при -ому ступені відкриття.

Показано, що при невеликих підйомах шибера для визначення реальної площі живого перерізу при розрахунку швидкості потоку необхідно враховувати вплив примежово-шарового ефекту, що вносить істотні зміни в поле швидкостей. У даному випадку (для) доцільно характеризувати режим течії гідросуміші ефективною швидкістю потоку

,

де - гідравлічний опір засувки, що відповідає.

Виконано теоретичні дослідження механізму зношування контактного контуру запірної арматури.

Обрано метод теоретичного дослідження гідроабразивного зношування як найбільш перспективний для подальшого удосконалення, яким є енергетична концепція утомної деформації матеріалу, що забезпечує найбільш загальний підхід до вирішення задачі й яка має ряд істотних переваг До основних з них варто віднести незалежність від умов попереднього навантаження і вихідного структурного стану матеріалу.

Аналіз особливостей руху гідросуміші в каналах запірної арматури дозволив рекомендувати силову схему взаємодії абразивної частинки з поверхнею, що зношується, у т. А (рис. 2).

Рис. 2. Схема сил, що діють на абразивну частинку при ударі:

1-абразивна частинка; 2-зразок; 3-рідина | Рис. 3. Модель деформації матеріалу абразивною частинкою:

1-поверхня; 2-лунка; 3-пластично деформований матеріал

Показано, що відповідно до закону збереження енергії, робота частинки в момент удару складається з утрати її кінетичної енергії при зіткненні, з одного боку, а з іншого - сумі роботи сили проникнення частинки в поверхню, (що складається з двох складової-нормальної і тангенціальної) і роботи прикладених до частинки сил: гідродинамічного опору, Архімедової сили і сили ваги (див. рис. 2). Через малість останніх двох сил у порівнянні із силою удару частинки об поверхню цими силами нехтують. При цьому допускається, що згідно з експериментальними даними для частинок абразиву через їхню малу інерційність при значеннях осереднених швидкостей потоку є несуперечливим прийняти швидкість частинки рівною швидкості потоку рідини.

У результаті удару умовно сферичної частинки абразиву діаметром відбувається її проникання в поверхню 1, у якій утворяться лунки 2 діаметром і глибиною з витиснутим по краях деформованим матеріалом у виді тороподібного валика 3 (рис. 3).

Вважаючи, що кінетична енергія абразивної частинки, яка вдаряється об поверхню, цілком витрачається на деформацію і руйнування матеріалу, одержуємо таке рівняння енергетичного балансу

, (6)

де– робота абразивної частинки, затрачувана на деформування зразка, Дж;

- енергія деформації матеріалу, Дж;

- енергія руйнування матеріалу, Дж.

Ґрунтуючись на основних рівняннях, що описують рикошет відповідно до гіпотези Ньютона, одержимо рівняння кінетичної енергії абразивної частинки

, (7)

де - швидкість руху абразивної частинки до моменту зіткнення, м/с;

- коефіцієнт відновлення, що набуває значення в межах 0,4-0,8;

- кут атаки абразивної частинки, град (див. рис. 2).

Показано, що роботу деформації при проникненні частинки у тверду поверхню зображають у виді роботи найбільш значимих складових – сили лобового опору і сили вдавлення частинки (див. рис. 3)

, (8)

де - робота сили при проникненні частинки в матеріал, Дж;

- робота сили гідродинамічного опору, через її малість нею можна нехтувати, Дж.

Відповідно до основних закономірностей теорії удару при проникненні сферичного індентора для пружно-пластичних деформацій, що викликають пластичне відтискування матеріалу, залежність має вид

, (9)

де - глибина лунки, м;

– модуль пружності матеріалу, Па;

- коефіцієнт Пуассона.

Загальна енергія руйнування матеріалу з урахуванням наявності нормальних і дотичних напружень

, (10)

де - об’єм зруйнованої мікроділянки поверхні дорівнює об’єму лунки, утвореної частинкою в матеріалі, (див. рис. 3);

- критичне мікротемпературне ушкодження кристалічної решітки матеріалу виражається величиною

,

де - модуль зрушення матеріалу, Па;

- прихована теплота плавлення матеріалу Дж/кг;

- різниця між критичним напруженням і межею утоми матеріалу, Па.

Підставляючи (7, 8, 9, 10) у (6), остаточно одержимо рівняння енергетичного балансу при ударі частинки об тверду поверхню

.

Використовуючи апарат вищої алгебри для знаходження границь дійсних коренів багаточлена методом Ньютона і застосовуючи метод Штурма, визначено наявність у цього рівняння лише одного позитивного дійсного кореня. Його яке завгодно точне значення визначається за допомогою комбінуванню методу лінійної інтерполяції з методом Ньютона.

Отримано залежність для визначення об'ємної швидкості гідроабразивного зношування поверхні РО в одиницю часу для даного положення шибера

, (11)

де - об'ємна концентрація твердої речовини гідросуміші;

-коефіцієнт, що враховує міжзерновий простір абразивних частинок.

Аналіз проведених теоретичних досліджень показав, що швидкість гідроабразивного зношування контактного контуру запірної арматури (11) залежить від швидкості потоку гідросуміші і синуса кута атаки в третьому ступені. Дана величина також обернено пропорційна модулю пружності і коефіцієнту Пуассона матеріалу поверхні в ступені 0,5 з асимптотою, що збігається з віссю ординат і залежить від об'ємної концентрації квадратично; при цьому максимум зношування припадає на.

Підставляючи (11) у (4), остаточно розроблено математичну модель визначення величини зносу запірної арматури за цикл

,

де - тривалість перестановок робочого органа засувки, с;

- тривалість роботи засувки у відкритому стані, с;

- швидкість зношування контактного контуру засувки при повністю відкритому робочому органі.

За результатами даних багаторічної експлуатації запірної арматури основним критерієм тривалості безремонтної роботи цього обладнання є скорочення більш ніж у 2 рази ширини контактних поверхонь сідла або шибера, після чого відбувається втрата герметичності і, як наслідок, вихід її з ладу.

Для моделювання скорочення площі контактної поверхні в залежності від величини об'ємної швидкості зношування і ширини контактної поверхні була висунута гіпотеза про те, що зношування носить форму окружності з центром, що постійно переміщається на тілі шибера і сідла (рис. 4).

Визначено ширину зношеної контактної поверхні від часу, що описується залежністю

.

де - швидкість гідроабразивного зношування контактних поверхонь засувки за час, розрахований за (11);

- годинна тривалість зношування.

Таким чином, відповідно до результатів розрахунку величина ширини зношеної контактної поверхні залежить прямо пропорційно від комплексу, і геометричних розмірів контактних поверхонь робочого органа в ступені 0,5.

У третьому розділі представлено експериментальні стенди, методики проведення експериментальних досліджень і розрахунок похибок експерименту. Всі експерименти проводилися в лабораторних умовах на спеціально виготовлених моделях і стендових установках.

Спроектовано і виготовлено експериментальні установки для визначення кутів атаки абразивних частинок на контактні поверхні запірного органа, гідравлічних характеристик макета шиберної засувки і закономірностей зношування контактних поверхонь запірного органа. Розроблено методики проведення експериментів для одержання дослідних даних.

Представлено результати експериментальних досліджень зміни кутів атаки частинок від відносного переміщення РО засувки (рис. 5).

Максимальна похибка результатів виміру кутів атаки частинок не перевищила 8,3% при довірчій імовірності. Отримані дані про кути атаки частинок свідчать про те, що за інших рівних умов швидкість гідроабразивного зношування контактних поверхонь (КП) сідла при напрямку потоку на віджимання шибера, у 12,8-24,1 раз більше швидкості зношування шибера, а при зворотному напрямку руху потоку–швидкість зношування КП шибера в 2,8-5,1 раза більше швидкості зношування КП сідла.

Для підтвердження збереження подоби руху гідросуміші в робочих каналах макета запірної арматури експериментально визначено її коефіцієнт гідравлічного опору, що є ідентичним для натурних типорозмірів засувок.

а б

Рис. 5. Результати експериментальних досліджень кутів атаки частинок при русі гідросуміші: а–по стрілці А; б–по стрілці В (див. рис. 4).

1-внутрішня крайка сідла; 2-те ж із закрученням потоку; 3-зовнішня крайка шибера; 4-те ж із закрученням потоку

Для перевірки адекватності розробленої математичної моделі (11) проведено збалансований трирівневий математично спланований трифакторний експеримент. Параметрами варіювання приймалися відносна висота переміщення РО макета засувки, об'ємна концентрація гідросуміші і співвідношення міцнісних характеристик матеріалу і абразиву. Для збереження точності результатів розрахунків за отриманими квадриками інтервал варіювання переміщення шибера засувки розбивався на ділянки, для кожного з яких розраховувалося своє рівняння регресії. Перевірка за критерієм Фішера підтвердила адекватність отриманих поліномів.

У четвертому розділі проведено порівняння розрахункових даних, отриманих за розробленою математичною моделлю й результатів експериментальних досліджень (рис. 6).

Відносна розбіжність результатів не перевищила 7,1%, що свідчить про адекватність розробленої математичної моделі реальним процесам зношування, що відбуваються в робочому органі запірної арматури при її перемиканнях.

Представлено пасивний і активний методи збільшення тривалості роботи даного обладнання.

Пасивний метод полягає у своєчасному однократному розвороті засувки на 180 градусів для забезпечення рівномірного зношування сідла і шибера засувки. Розрахунками встановлено, що даний захід приводить до збільшення тривалості їхньої безремонтної роботи приблизно в 2 рази.

Перший з активних методів заснований на тому, що зменшення кутів атаки абразивних частинок приводить до зменшення швидкості гідроабразивного зношування і полягає в зміні структури потоку в результаті його закручування перед запірними органами зі зменшенням середньовитратної швидкості по перерізу трубопровода. При цьому збільшується тангенціальна швидкість потоку гідросуміші, що приводить до зменшення кутів атаки на контактних поверхнях запірного органа і, як наслідок, підвищенню ресурсу засувок у 2,8 раза. Встановлено, що спільне застосування розвороту засувки з примусовим закрученням потоку збільшує розрахункову тривалість роботи запірної арматури в 3,6 раза.

Другий активний метод заснований на зменшенні швидкості потоку гідросуміші на робочому органі засувки на початкових етапах відкривання і кінцевих етапах закривання цього обладнання, коли швидкість потоку досягає своїх максимальних значень. Даний метод полягає в обладнуванні запірної арматури пропускним отвором у шибері, що забезпечує зниження середньовитратної швидкості потоку гідросуміші в 1,2 раза і тим самим зменшення інтенсивності зношування контактних поверхонь у 1,8 раза.

Представлено результати розрахунків застосування активних методів для збільшення швидкості відкривання засувки в системах трубопровідного гідротранспорту. Використання допоміжного отвору в суцільному шибері приводить до збільшення швидкості перемикання засувки пропорційно діаметру пропускного каналу і для рекомендованих розмірів отвору складає 1,6 від нормативної швидкості перемикання, що приводить до зменшення швидкості потоку і, як наслідок, до збільшення ресурсу засувки в 2,9 раза. Метод закручення потоку перед робочим органом засувки приводить до скорочення часу перестановок затвора на 17% і, тим самим, збільшує напрацювання на відмову до 100-500 циклів.

Представлено методику розрахунку економічної ефективності від упровадження приведених методів для розрахунку довговічності роботи запірної арматури ГТС. Результати розрахунків показують, що застосування розроблених методів і їхніх комбінацій приводить до заощадження коштів у межах 9-27% вартості в перерахунку на один виріб.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-технічну задачу підвищення терміну служби запірної арматури промислового трубопровідного гідротранспорту удосконаленням характеристик робочого процесу перестановок запірного органа на основі встановлених закономірностей зношування контактного контуру, що дозволило розробити ряд конструктивних і технологічних заходів і, тим самим, домогтися підвищення тривалості міжремонтної експлуатації запірної арматури промислових гідротранспортних систем і істотно збільшити напрацювання на відмову даного обладнання. Зазначеного ефекту досягнуто завдяки рівномірному розподілу зносу контактних поверхонь робочого органа, зменшення кутів атаки і швидкості потоку на запірних органах засувки, а також часу перестановок затвору на етапах перемикання запірної арматури.

На основі виконаних досліджень сформульовано такі висновки:

1. Проведений аналіз попередніх досліджень щодо функціонування трубопровідної арматури в системах промислового гідротранспорту показав, що тривалість роботи загальнопромислових засувок у гідротранспортних системах становить 2-5 місяців. Це менше їхнього нормативного терміну служби в 3-8 разів. Довговічність спеціальних пульпових засувок для роботи на абразивних гідросумішах при тих же самих умовах складає 4-6 років, що менше їх паспортного ресурсу в 1,3-1,6 раза.

2. Розроблено математичну модель для визначення геометричної характеристики запірної арматури з урахуванням конструктивних особливостей будови запірного органа, що дозволило підвищити точність розрахунків площі перерізу, яка відкривається, при перестановках шибера різних конфігурацій. Максимальна розбіжність з відомими залежностями становила 17,3-25,9% у діапазоні значень.

3. Вперше на основі теоретичних досліджень розроблено модель нестаціонарного зношування за цикл при перестановках робочого органа запірної арматури, заснованої на урахуванні різної інтенсивності ерозійного впливу гідросуміші на послідовних стадіях зміни його положення, що дозволяє установити тривалість роботи даного обладнання в системах промислових ГТС.

4. Уточнено математичну модель швидкості гідроабразивного зношування робочого органа засувки, що враховує в рівнянні балансу енергії удару абразивної частинки об поверхню енергію руйнування матеріалу поверхні в зоні контакту. Аналіз даної залежності показав, що швидкість гідроабразивного зношування контактних поверхонь запірної арматури залежить: від швидкості потоку гідросуміші і синуса кута атаки частинок у третьому ступені, при цьому максимум зношування припадає на нормальні кути атаки, обернено пропорційна механічним характеристикам матеріалу в ступені 0,5 з асимптотою, що збігається з віссю ординат, прямо пропорційна параболічній залежності від об'ємної концентрації твердої речовини, при цьому максимум зношування припадає на.

5. Розроблено математичну модель формозміни контактних поверхонь запірного органа, засновану на нагромадженні ушкоджень нижньої крайки шибера і верхньої крайки сідла, яка дозволяє визначити довговічність контактного контуру засувки до втрати його герметичності. Встановлено, що величина скорочення ширини робочих поверхонь запірних органів залежить від швидкості гідроабразивного зношування і ширини контактних поверхонь робочого органа в ступені 0,5.

6. Проведено експериментальні дослідження з використанням розроблених стендів і лабораторних макетів та визначено, що засувки доцільно експлуатувати при перемінному напрямку руху гідросуміші. Розроблено методику проведення експериментальних досліджень, що забезпечує одержання достовірних даних швидкості гідроабразивного зношування контактного контуру засувки. Розбіжність між теоретичними й експериментальними даними величини зносу не перевищила 7,1% при довірчій імовірності, що підтверджує адекватність розробленої моделі зношування.

7. Розроблено метод своєчасного розвороту запірної арматури, заснований на принципі забезпечення рівності величини зносу контактних поверхонь сідла і шибера, який дозволяє збільшити термін служби засувки приблизно в 2 рази, що підтверджено наступним впровадженням даного методу на ГЗФ “Білоріченська”.

8. Розроблено елементи конструктивного виконання шиберної засувки з отвором у суцільному шибері і тангенціального патрубка перед запірними органами, що підвищують розрахунковий ресурс контактного контуру відповідно в 1,8 і 2,8 раза відповідно завдяки зниженню швидкості потоку і зменшення кутів атаки твердих частинок на запірному органі. Сумісне застосування розвороту засувки з примусовим закрученням потоку збільшує розрахункову тривалість роботи запірної арматури в 3,6 раза.

9. Проведені вперше дослідження дозволили з'ясувати, що застосування допоміжного отвору в суцільному цільному шибері забезпечує скорочення часу перемикання в 1,6 раза, що веде до підвищення довговічності запірної арматури в 2,9 раза. Застосування методу закручування потоку перед робочими органами засувки приводить до скорочення часу перестановок затвора на 17% і, тим самим, збільшується напрацювання на відмову від 100 до 500 циклів.

10. Техніко-економічний розрахунок застосування розроблених методів удосконалення запірної арматури при роботі в системах трубопровідного гідротранспорту показав їхню ефективність і становив 9-27% вартості в перерахунку на один виріб. Економічний ефект від впровадження запропонованих рішень на ГЗФ “Білоріченська” ДХК “Вуглезбагачення” і науково-дослідної організації НВО НДПКІ “Вуглемеханізація” становив 144 тис. грн на рік.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Чернецкая Н.Б., Варакута Е.А. Анализ влияния конструктивных характеристик и режимов работы на процесс гидроабразивного изнашивания контактных поверхностей пульповых задвижек. // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля.–2003.– № 9(67).– С. 219-222.

2. Варакута Е.А. Аналитические исследования конструктивных характеристик общепромышленной пульповой запорной арматуры промышленных гидротранспортных систем. // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля.– 2003.– № 10(68), ч. 2.– С. 92-99.

3. Чернецкая Н.Б., Маркунтович Ф.Д., Варакута Е.А. Скорости потоков и интенсивность изнашивания трубопроводов в системах гидравлического транспорта // Вісник Сумського державного університету.– 2003.– №12(58).– С. 171-173.

4. Чернецкая Н.Б., Варакута Е.А. Влияние гидродинамических процессов на износ контактных поверхностей запорной арматуры. // Технологія і техніка друкарства: Зб. наук. праць.– К.: 2004.– Вип. 2-3 (4-5).– С. 85-87.

5. Чернецкая Н.Б., Варакута Е.А. Экспериментальные исследования на гидроабразивное изнашивание гидротранспортной арматуры // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. Луганськ.– 2004.– № 7(77), ч. 2.– С. 269-271.

6. Чернецкая Н.Б., Сорока С.И., Варакута Е.А. Методика определения долговечности оборудования и трубопроводов гидротранспортных систем. – Луганск: изд-во ВНУ им. В.Даля, 2005. - 28 с.

7. Голубенко А.Л., Чернецкая Н.Б., Варакута Е.А. Водоугольное топливо–источник энергии альтернативный традиционным энергоносителям. // Вісник Інженерної академії України. Зб. наук. праць.– К.: 2006. –Вип. 2-3.–С. 214-217.

8. Чернецкая Н.Б., Жданова М.Н., Варакута Е.А. Экспериментальные исследования закономерностей гидроабразивного изнашивания рабочих органов запорной арматуры. // Бытовая техника, технология и технологическое оборудование предприятий сервиса и машиностроения: Сб. науч. трудов.– Шахты, 2007.– С. 67-70.

9. Чернецкая Н.Б., Кущенко А.В., Варакута Е.А. Математическая модель гидроабразивного изнашивания трубопроводной арматуры систем промышленного гидротранспорта. // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. В. Даля. Луганськ.– 2007.– № 3(109), ч. 2.– С. 209-213.

10. Запірна арматура: А.с. №21576. Україна. МПК (2006) F16L 21/08 / Чернецька Н.Б., Варакута Є.О. – U200611034. Заявл. 19.10.2006; Опубл. 15.03.2007, Бюл. №3.- 2 с.: іл.

11. Пульпова засувка. А.с. 23749. Україна. МПК (2006) F16K 3/00 / Чернець-
ка Н.Б., Кущенко О.В., Варакута Є.О., – U200613441. Заявл. 18.12.2006; Опубл. 11.06.2007, Бюл. №6. – 2 с.: іл.

12. Чернецкая Н.Б., Варакута Е.А. Влияние внутреннего давления и ширины контакта частицы на процесс изнашивания труб гидросмесями// Динаміка наукових досліджень „2003”: II Міжнародна науково-практична конференція. Дніпропетровськ, 20-27 жовт. 2003 р. –Дніпропетровськ; Івано-Франківськ; Кривий Ріг, 2003.– Т. 36. Технічні науки. – С. 30-32.

13. Чернецкая Н.Б., Варакута Е.А. Прогнозирование ресурса систем гидротранспорта твердых материалов // Україна наукова „2003”: Міжнародна науково-практична конференція. Дніпропетровськ, 16-20 черв. 2003р. –Дніпропетровськ; Запоріжжя, 2003.– Т. 29. Технічні науки.– С. 37-39.

14. Чернецкая Н.Б., Варакута Е.А. Факторы изнашивания пульповых задвижек гидротранспортных систем // Техника для химволокон: III Международная научно-практическая конференция. Чернигов, 24-28 мая 2004 г. Чернигов.– 2004. – С. 353-354.

15. Чернецкая Н.Б., Варакута Е.А. Экспериментальные исследования для определения углов атаки на контактных поверхностях пульповой запорной арматуры. // Наука і освіта „2004”: VII Міжнародна науково-практична конференція. Дніпропетровськ, 10-25 лют. 2004 р. –Дніпропетровськ, 2004. Т. 62. Технічні науки.– С. 30-32.

АНОТАЦІЯ

Варакута Є.О. Підвищення терміну служби запірної арматури промислового трубопровідного гідротранспорту удосконаленням характеристик робочого процесу. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.12–Промисловий транспорт, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ 2007.

Проведено теоретичні й експериментальні дослідження процесів гідроабразивного зношування контактного контуру запірної арматури з метою розробки методів підвищення ефективності її роботи в системах промислового гідротранспорту твердих матеріалів.

Уточнено конструктивну характеристику запірної арматури із суцільним шибером і з отвором у ньому з урахуванням отриманих відносних розмірів її запірного органа.

Уточнено фізико-механічну модель гідроабразивного зношування робочого органа запірної арматури, що засновано на рівнянні енергетичного балансу між кінетичною енергією зіткнення частинки й енергією деформації і руйнування матеріалу поверхні, що зношується.

На основі отриманих результатів встановлено адекватність математичної моделі зношування, а також розроблено, апробовано і впроваджено методи підвищення ефективності роботи запірної арматури в системах ПТГ. Розроблено практичні рекомендації для розрахунку оптимальних розмірів конструктивних модифікацій шиберних засувок.

Ключові слова: засувка, шибер, сідло, гідроабразивне зношування, кут атаки, деформація, руйнування.

АННОТАЦИЯ

Варакута Е.А. Повышение срока службы запорной арматуры промышленного трубопроводного гидротранспорта совершенствованием характеристик рабочего процесса. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.12–Промышленный транспорт, Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск 2007.

Проведены теоретические и экспериментальные исследования процессов гидроабразивного изнашивания контактного контура запорной арматуры с целью разработки методов повышения ресурса работы задвижек в системах промышленного гидротранспорта твердых материалов.

Проведены исследования конструктивных особенностей строения запорного органа шиберных задвижек общепромышленного назначения и специальных задвижек для работы на гидросмесях, на основе которых определены диапазоны изменения относительных размеров корпуса и подвижных деталей, обеспечивающих герметичное перекрытие потока гидросмеси.

Разработана уточненная конструктивная характеристика запорной арматуры со сплошным шибером и с отверстием в нем с учетом полученных относительных размеров ее запорного органа, позволившая корректно рассчитать действительный размер площади проходного канала задвижки при промежуточных положениях затвора в период открывания или закрывания этого оборудования. Максимальное расхождение с известными зависимостями составило от 17,3 до 25,9%. С учетом гидравлических параметров и режимов работы гидравлических нагнетателей в системах ГТС рассчитана скорость потока гидросмеси во время перемещения шибера задвижки за цикл.

Уточнена физико-механическая модель гидроабразивного изнашивания рабочего органа запорной арматуры, основанная на уравнении энергетического баланса между кинетической энергий соударения частицы и энергией деформации и разрушения изнашиваемого материала поверхности. Выполнен анализ влияния основных факторов, входящих в модель, на скорость гидроабразивного изнашивания контактного контура задвижки. Рассчитана скорость гидроабразивного изнашивания рабочего органа трубопроводной арматуры, использующая уточненные значения факторов, входящих в нее. Исследована конфигурация изменения формы кромок шибера и седла задвижки и разработана математическая модель сокращения ширины контактной поверхности запорной арматуры от продолжительности воздействия абразивного потока гидросмеси.

Разработаны стенды, методика проведения экспериментальных исследований, порядок обработки опытных данных. Проведены опыты по определению изменения углов атаки твердых частиц при перемещении затвора задвижки, базирующиеся на технологии визуального и фотометрического измерений на прозрачных моделях оборудования. Исследованы и экспериментально определены гидравлические характеристики и закономерности изнашивания контактных поверхностей запорного органа задвижки.

По результатам экспериментальных исследований установлены диапазоны изменения углов атаки твердых частиц на контактных поверхностях запорного органа задвижки при различных направлениях движения гидросмеси. При помощи ортогонального планирования эксперимента получена регрессивная зависимость скорости гидроабразивного изнашивания запорного органа задвижки. Исследованием закономерностей гидроабразивного изнашивания шибера и седла задвижки экспериментальным путем установлена специфика изменения формы контактной поверхности внутренней кромки седла и внешней кромки шибера, которая не противоречит предложенной модели постепенного скругления указанных участков запорного органа.

Установлена