МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ШВОРАК Віталій Григорович

УДК 532.542.4

Обґрунтування РАЦІОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ СИСТЕМИ ГІДРОТРАНСПОРТУ ТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ НА ГІРНИЧИХ ПІДПРИЄМСТВАХ

Спеціальність 05.05.06 – гірничі машини

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2008

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор
Кириченко Євген Олексійович,

Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ),

професор кафедри гірничої механіки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Волошин Олексій Іванович,

Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України (м. Дніпропетровськ),

член кореспондент НАН України, завідувач відділу пневмотранспорту;

кандидат технічних наук, доцент
Скоринін Микола Йосипович,

Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України,

професор кафедри теоретичної механіки.

Захист відбудеться “09” квітня 2008 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .080.06 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49005, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, , тел. ).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (49005, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19).

Автореферат розісланий “07” березня 2008 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради, к.т.н. О.В. Анциферов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В вирішенні задач подальшого розвитку вугільної та гірничорудної промисловості України особливо вагому роль відіграють транспортні комплекси, які є однією з найбільш важливих ланок технологічного процесу видобутку корисних копалин. На сьогоднішній день в цій галузі широке поширення набуває гідравлічний спосіб транспортування корисних копалин, який має низку переваг у порівнянні з іншими видами транспорту: висока продуктивність потокового транспортування без проміжних перевантажень, малоопераційність, можливість переміщати тонко подрібнені сипкі матеріали без забруднення навколишнього середовища, хороша сумісність з технологічним процесом мокрого збагачення, відсутність втрат вантажів тощо. Оскільки транспортування є однією з самих капіталомістких стадій в гірничодобувній промисловості (за різними оцінками на транспортування припадає 40…70% собівартості мінеральної сировини), підвищення ефективності експлуатації цього виду транспорту дозволить значно знизити собівартість одержуваної сировини.

У дослідження, розробку, вдосконалення і впровадження систем гідротранспорту значний внесок внесли організації “ВНДІГідровугілля”, “УкрНДІГідровугілля”, ДонВГІ, ДонГіпровуглемаш, ІГД ім. О.О. Скочинського, ЛГІ ім. Г.В. Плєханова, ІГТМ НАН України, НГУ та інші.

Велика роль в розробці теорії багатофазних течій і методів розрахунку систем гідропневмотранспорту належить ряду вітчизняних і зарубіжних вчених А.Є. Смолдирєву, В.М. Покровській, М.О. Силіну, В.М. Потураєву, О.І. Волошину, Б.О. Блюссу, Є.В. Семененку, С.І. Крилю, Б.В. Виноградову, Є.О. Кириченку, М.Й. Скориніну, Г. Уоллісу, Хейвуду, С. Соу, А. Фортьє та багатьом іншим.

При неправильному виборі режимів експлуатації значною мірою виявляються недоліки гідравлічного транспортування, основним з яких є висока витрата електроенергії. Існуючі методики розрахунку систем гідротранспорту передбачають транспортування твердих матеріалів при швидкостях потоку гідросуміші на 15…20% вище за критичні швидкості. Проте, існуючі неминучі стрибкоподібні коливання густини суміші в нагнітальному трубопроводі гідротранспортної установки (ГТУ) за деяких умов призводять до порушення розрахункових режимів транспортування, що, у свою чергу, спричиняє збільшення енерговитрат. Крім того, більшість інженерних методів розрахунку гідротранспорту базується на визначенні характеристик потоку гідросуміші, виборі насосно-перекачувального обладнання і визначенні енергоємності гідротранспорту без урахування вартісних параметрів, тобто не враховують вплив вартісних показників будівництва й експлуатації на вибір раціональних параметрів ГТУ. Вибір проектних і експлуатаційних параметрів, що мінімізують енерговитрати процесу транспортування, дозволяє підвищити ККД установок, але може призводити до зростання їх вартості.

На підставі вищевикладеного обґрунтування раціональних діаметра нагнітального трубопроводу гідротранспортної установки і швидкості транспортування гідросуміші з урахуванням коливань густини суміші, продуктивності установки за твердим та вартісних показників є актуальною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація пов’язана з розвитком державної науково-технічної програми “Створити і освоїти технології і технічні засоби, що забезпечують екологічно чисті процеси видобутку і переробки корисних копалин за рахунок використання безвідходних технологій і утилізації відходів промислових виробництв”, що визначає підвищення ефективності роботи транспорту як основне завдання сучасного промислового виробництва, а також пов'язана з одним із наукових напрямів НГУ і є складовою наукових досліджень, виконаних в межах держбюджетних тем: ГП-319 “Розробка теорії і наукове обґрунтування параметрів процесів і обладнання для підводного видобутку корисних копалин” (2003-2004 рр., № держреєстрації 0103U001290) і ГП_“Дослідження процесів формування підводного вибою і напружено-деформованого стану елементів глибоководного підйому” (2005-2006 рр., № держреєстрації 0105U000518), де здобувач є виконавцем.

Мета роботи полягає в підвищенні ефективності гідротранспортування твердих матеріалів на гірничих підприємствах за рахунок вибору на базі встановлених закономірностей раціональних конструктивних і витратних параметрів, що забезпечують безперервне стійке транспортування твердого матеріалу потоком гідросуміші.

У роботі поставлені і вирішені наступні основні задачі:

1) аналіз впливу коливань густини гідросуміші на режимні параметри роботи ГТУ;

2) розробка математичної моделі течії гідросуміші в трубопроводі ГТУ та перевірка її адекватності;

3) розробка економіко-математичної моделі ГТУ;

4) визначення раціональних діаметра трубопроводу на стадії проектування ГТУ і швидкості транспортування гідросуміші при зміні умов експлуатації;

5) розробка методик розрахунку проектних і експлуатаційних параметрів ГТУ на базі економіко-математичного моделювання.

Об'єкт дослідження – процес транспортування гідротранспортною установкою твердих частинок в потоці гідросуміші.

Предмет дослідження – конструктивні і витратні параметри гідротранспортної установки.

Ідея дисертаційної роботи полягає у виборі раціональних конструктивних і витратних параметрів гідротранспортних установок в результаті комплексного підходу з урахуванням впливу вартісних показників.

Методи досліджень. Поставлені задачі розв'язувалися шляхом аналізу й узагальнення літературних джерел, аналізу впливу параметрів руху гідросуміші на режимні параметри роботи ГТУ та теоретичного впливу вартісних показників на раціональні конструктивні і витратні параметри. Обробка одержаних даних, встановлення адекватності отриманих залежностей і достовірності результатів здійснені на ПЕОМ в пакетах Excel і MathCAD з використанням стандартних методів математичного аналізу.

Наукова новизна одержаних результатів

Наукове положення, яке виноситься на захист:

Зміна продуктивності гідротранспортної установки за твердим в діапазоні Gтв 165…415 кг/с призводить до зміни значення раціонального діаметра нагнітального трубопроводу за залежністю для розсипів: тонкодисперсних частинок з коефіцієнтами k ,5•10-4, m = ,096 та при раціональній густині гідросуміші сум …1400 кг/м3; полідисперсних – k ,82•10-4, m = ,196, сум …1350 кг/м3; дрібнодисперсних – k ,2•10-4, m = ,26, сум …1225 кг/м3 і крупнодисперсних – k ,82•10-4, m = 0,324, сум …1175 кг/м3.

Наукова новизна:

1.

2.

3.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечена коректною постановкою задач досліджень, використанням відпрацьованих класичних методів теоретичних досліджень, достатньою збіжністю одержаних теоретичних даних і результатів експериментальних досліджень (розбіжність експериментальних і теоретичних значень при визначенні гідравлічних ухилів трубопроводів для різних видів сумішей не перевищує 26%).

Наукове значення роботи полягає в отриманні аналітичних та графічних залежностей раціональних діаметра нагнітального трубопроводу ГТУ і швидкості транспортування гідросуміші від густини пульпи та продуктивності установки за твердим на базі економіко-математичного моделювання; розробці математичної моделі течії суміші твердих частинок і несучої рідини з урахуванням градієнтної сили опору твердих частинок при визначенні міжфазних сил, а також сили взаємодії пульпи зі стінками трубопроводу.

Практичне значення роботи в розробці “Методики розрахунку проектних параметрів гідротранспортних установок на базі економіко-математичного моделювання” і “Методики розрахунку експлуатаційних параметрів гідротранспортних установок на базі економіко-математичного моделювання”, а також винаходу “Спосіб транспортування гідросуміші і пристрій для його реалізації” (пат. № 67246 А Україна), що дає можливість стабілізувати значення густини гідросуміші в нагнітальному трубопроводі гідротранспортної установки і підвищити економічність її роботи.

Реалізація результатів. Розроблені інженерні методики “Методика розрахунку проектних параметрів гідротранспортних установок…” і “Методика розрахунку експлуатаційних параметрів гідротранспортних установок…” впроваджені і використовуються на Вільногірському гірничо-металургійному комбінаті (м. Вільногірськ), у ВАТ “НДІГМ ім. М.М. Федорова” (м. Донецьк); обидві методики використовуються в навчальному процесі НГУ при викладанні дисциплін “Гідромеханіка”, “Гідравліка і гідропривід” та “Гідротранспорт на гірничих підприємствах”. Очікуваний економічний ефект від застосування на Вільногірському ГМК розробленої “Методики розрахунку проектних параметрів гідротранспортних установок…” складає 1029 тис. грн. за 1 рік служби трубопроводу і “Методики розрахунку експлуатаційних параметрів гідротранспортних установок…” 2,60 грн. на тонну транспортованого матеріалу.

Особистий внесок здобувача полягає у формулюванні мети і ідеї роботи, постановці задач досліджень, обґрунтуванні умов раціонального режиму роботи ГТУ, встановленні залежностей для визначення раціонального діаметра нагнітального трубопроводу ГТУ, впровадженні розроблених методик розрахунку на виробництві.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми та перспективи розвитку транспорту в промислово розвинутих регіонах” (НГУ, Дніпропетровськ, 2005), на III науково-технічній конференції молодих вчених “Геотехнічні проблеми розробки родовищ” (ІГТМ ім. М.С. Полякова, Дніпропетровськ, 2005), на міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми збагачення руд розсипних родовищ та шляхи їх вирішення” (ДонНТУ, Донецьк, 2005).

Публікації. Основні положення і результати роботи опубліковані в 9 наукових працях (1 – без співавторів), з них 6 – в спеціалізованих виданнях і 3 – в збірниках тез наукових конференцій, а також у 8 патентах на винаходи.

Обсяг і структура роботи. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 103 найменувань на 9 сторінках. Загальний обсяг роботи 141 сторінка, у тому числі 35 рисунків, 3 таблиці і 6 додатків на 8 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, відображені суть і стан наукової задачі з обґрунтуванням необхідних досліджень, а також наведені характеристика і загальна структура роботи.

Перший розділ присвячений огляду сучасних технологій і технічних засобів гідротранспорту корисних копалин на гірничих підприємствах, а також аналізу відомих в літературі методик визначення раціональних параметрів гідротранспортування.

У висновку розділу сформульовані мета і задачі теоретичних і експериментальних досліджень.

Другий розділ присвячений аналізу впливу коливань густини гідросуміші на режимні параметри роботи ГТУ.

Встановлені діапазони зміни витратних параметрів ГТУ при транспортуванні розсипу полідисперсних частинок в результаті експериментальних досліджень, проведених на Вільногірському ГМК співробітниками комбінату і кафедри гірничої механіки НГУ за участю автора. Осцилограми стрибкоподібних коливань густини суміші й об'ємної продуктивності установки за сумішшю в процесі транспортування наведені на рис. 1 і 2.

Рис. 1. Осцилограма зміни густини гідросуміші

в процесі транспортування для умов Вільногірського ГМК

Виконано аналіз і вибір емпіричних залежностей для визначення критичної та середньої швидкостей транспортування суміші в магістральному трубопроводі ГТУ.

При визначенні впливу параметрів руху гідросуміші на режимні параметри ГТУ проводилася оцінка впливу як параметрів гідротранспортної системи, так і параметрів суміші на значення критичних і робочих швидкостей транспортування твердих матеріалів з варіюванням геометричних і витратних параметрів в рамках числового експерименту з багатьма чинниками.

Рис. 2. Осцилограма зміни об’ємної витрати гідросуміші

в процесі транспортування для умов Вільногірського ГМК

На рис. 3 зображені одержані багатопараметричні залежності робочої і критичної швидкостей від густини гідросуміші, а також від продуктивності установки за твердим для розсипів полідисперсних частинок при фіксованому значенні нагнітального діаметра трубопроводу ГТУ Dтр ,6 м.

При Dтр ,6 м для розсипів полідисперсних частинок (рис. 3) в умовах існуючих коливань густини суміші в нагнітальному трубопроводі гідротранспортної установки в межах 1100…1400 кг/м3 в діапазоні продуктивності установки за твердим 165…200 кг/с при збільшенні густини суміші від 1150 до 1400 кг/м3 швидкість транспортування стає нижча за критичну і, відповідно, установка переходить до неекономічного режиму роботи (рис. 3, відрізок кривої АР2), а в діапазоні зміни продуктивності установки за твердим 390…415 кг/с установка переходить до неекономічного режиму роботи в межах зміни густини суміші від 1325 до 1400 кг/м3 (рис. 3, відрізок кривої ВР4).

При Dтр ,6 м для розсипів тонкодисперсних частинок в діапазоні зміни продуктивності установки за твердим 165…200 кг/с при збільшенні густини суміші в межах від 1250 до 1400 кг/м3 швидкість транспортування стає нижче за критичну, а в діапазоні зміни продуктивності установки за твердим 390…415 кг/с установка не переходить до неекономічного режиму роботи. Для розсипів дрібнодисперсних і крупно-дисперсних частинок в діапазоні зміни продуктивності установки за твердим 165…200 кг/с при збільшенні густини суміші в межах від 1125 до 1400 кг/м3 установка переходить до неекономічного режиму роботи, а в діапазоні зміни продуктивності установки за твердим 390…415 кг/с швидкість транспортування стає нижче за критичну в межах зміни густини суміші від 1225 до 1400 кг/м3.

Для стабілізації значення густини гідросуміші в нагнітальному трубопроводі і підвищення економічності роботи ГТУ в НГУ були розроблені і запатентовані “Спосіб транспортування гідросуміші і пристрій для його реалізації”(пат. № 67246 А Україна).

Третій розділ присвячений розробці математичної моделі течії гідросуміші в магістральному трубопроводі ГТУ, що описується системою рівнянь:

(1)

де с0, с1 – істинна густина несучої рідини і твердих частинок, кг/м3; , – істинні швидкості руху рідкої і твердої фаз, м/с; C1 – об'ємна концентрація твердої речовини в суміші; a0 – швидкість розповсюдження малих обурень в чистій воді в трубопроводі з податливими стінками, м/с; Dтр – діаметр трубопроводу, м; – коефіцієнт сили опору частинки; R1 – радіус сферичної частинки, м; л – коефіцієнт гідравлічних втрат; ссум – середня густина гідросуміші, кг/м3; – середньовитратна швидкість гідросуміші, м/с; б – кут нахилу осі трубопроводу до горизонту, град.

Дана напівемпірична модель (1) базується на законах збереження мас і кількості руху рідкої та твердої фаз і є замкнутою відносно чотирьох невідомих функцій p, , і C1, що характеризують сталий рух рідини з твердою фазою, та відрізняється від існуючих урахуванням градієнтної сили опору твердих частинок при визначенні міжфазних сил, а також сили взаємодії пульпи зі стінками трубопроводу.

З метою оцінки адекватності розробленої математичної моделі результати розрахунків порівнювалися з результатами експериментальних досліджень різних авторів (рис. 4, 5, 7, 8).

На рис. 4 наведено порівняння експериментальних даних, отриманих Фітерером В.В., і даних Семененка Є.В. (суцільні лінії) для розсипу твердих частинок в умовах Вільногірського ГМК, з теоретичними результатами розрахунків згідно з розробленою математичною моделлю (1) (пунктирна лінія).

Рис. 6. Технологічна схема гідротранспортної системи

Вільногірського ГМК

Експериментальні дослідження проводилися на гідротранспортній системі Вільногірського ГМК (рис. 6). Показання вимірювальних приладів знімалися на центральній (ЦНС) і проміжних (ПНС) насосних станціях.

На рис. 5, 7 і 8 відображені результати порівняння теоретичних результатів розрахунків згідно з розробленою математичною моделлю з експериментальними даними Е.Г. Кшондзера та В.І. Гоштовта для тонкодисперсних водовугільних сумішей, О.М. Кліментова – для дрібнодисперсних сумішей вугілля класу 0,2…3 мм і піску, а також Т.Д. Басишвілі і А.Є. Смолдирєва – для розсипів крупних частинок типу піщаника класу 6…50 мм відповідно.

При порівнянні результатів розрахунків згідно з розробленою математичною моделлю (пунктирні лінії) з експериментальними даними (суцільні лінії), отриманими різними авторами, розбіжність експериментальних і теоретичних значень не перевищує 26%.

Четвертий розділ присвячений комплексному дослідженню конструктивних та витратних параметрів ГТУ на базі економіко-математичного моделювання.

Розроблена економіко-математична модель гідротранспортної установки, відмінна від відомих урахуванням впливу виду суміші, типу насосів і зносу насоса і трубопроводу в процесі експлуатації установки на значення сумарних приведених витрат.

В якості функції цілі розроблена модель (2) використовує повні витрати на транспортування, приведені до терміну служби трубопроводу.

(2)

де П – повні витрати на транспортування, приведені до терміну служби трубопроводу, грн.; ктр – будівельна вартість одного кілограма трубопроводу, грн/кг; кн – будівельна вартість насосної установки, що приймається прямо пропорційною величині споживаної потужності, грн; Lтр – довжина нагнітального трубопроводу, м; Dтр, дтр – внутрішній діаметр і товщина стінки трубопроводу, м; дл – товщина лопатки робочого колеса насоса, м; – швидкість руху твердих частинок, м/с; Sсум – об’ємна концентрація гідросуміші; Gтв – масова продуктивність установки за твердим, т/год; N – потужність, споживана насосним агрегатом, кВт; уел – вартість споживаної електроенергії, грн/кВт?год, а також комплекс постійних, що характеризують фізичні властивості транспортованого матеріалу і матеріалу конструктивних елементів ГТУ, та комплекс емпіричних коефіцієнтів.

При розробці економіко-математичної моделі (2) терміни служби насосного устаткування і трубопроводу ГТУ враховувалися згідно з існуючими емпіричними залежностями, наведеними Покровською В.М., Турчаніновим С.П., Смолдирєвим А.Є., Кареліним В.Я., Супруном В.К., Малєєвим В.Б. та ін.

Модель враховує зміну в широкому діапазоні фізико-механічних властивостей транспортованого матеріалу, параметрів насосно-перекачувального обладнання, знос трубопроводу, термін служби насосного устаткування і, відповідно, кількість насосних агрегатів, що припадають на повний термін служби одного трубопроводу.

В результаті проведення чисельного експерименту з багатьма чинниками для розсипів твердих частинок різних класів одержані багатопараметричні залежності відносних сумарних приведених витрат від відносного діаметра нагнітального трубопроводу ГТУ при зміні густини транспортованої гідросуміші і від відносного діаметра нагнітального трубопроводу ГТУ при зміні продуктивності установки за твердим.

Темна смуга на утворених поверхнях (рис. 9 і 10) відповідає мінімальним значенням відносних сумарних приведених витрат, що, у свою чергу, відповідає раціональним значенням відносного діаметра нагнітального трубопроводу ГТУ для досліджуваних діапазонів значень густини транспортованої суміші і продуктивності установки за твердим. Встановлено, що при збільшенні густини гідросуміші (рис. 9) значення раціонального діаметра нагнітального трубопроводу ГТУ зменшується за залежністю (в діапазоні зміни сум …1400 кг/м3) при фіксованій продуктивності установки за твердим з коефіцієнтами для розсипів: тонкодисперсних частинок – а = ,19, b ,0049, с = 19,56; полідисперсних – а = ,83, b ,87•10-3, с = 4,95; дрібнодисперсних – а = ,41, b ,0027, с = 12,31 і крупнодисперсних – а = ,45, b ,0049, с = 21,56.

Зміна продуктивності гідротранспортної установки за твердим в діапазоні Gтв 165…415 кг/с призводить до зміни значення раціонального діаметра нагнітального трубопроводу за залежністю для розсипів: тонкодисперсних частинок з коефіцієнтами k ,5•10-4, m = ,096 та при раціональній густині гідросуміші сум …1400 кг/м3; полідисперсних – k ,82•10-4, m = ,196, сум …1350 кг/м3; дрібнодисперсних – k ,2•10-4, m = ,26, сум …1225 кг/м3 і крупнодисперсних – k ,82•10-4, m = 0,324, сум …1175 кг/м3.

На базі розробленої економіко-математичної моделі одержана залежність для визначення раціонального діаметра Dрац нагнітального трубопроводу проектованої ГТУ:

(3)

де

На основі встановлених залежностей (2) і (3) розв’язана задача визначення раціональної швидкості транспортування гідросуміші в магістральному трубопроводі діючих ГТУ.

Для цього попередньо для заданих фізико-механічних характеристик розсипу твердих матеріалів в досліджуваних діапазонах зміни густини суміші і продуктивності установки за твердим згідно з залежностями (2) і (3) визначаються поля розподілу раціональних проектних діаметрів нагнітального трубопроводу і швидкості транспортування , відповідних мінімальним повним приведеним витратам на транспортування (рис. 11, 12).

Для необхідної продуктивності установки за твердим і раціонального діаметра , що приймається рівним внутрішньому діаметру діючої ГТУ, визначається реалізовний діапазон зміни густини суміші . Із зазначеного діапазону вибирається максимальна густина суміші , що забезпечує стійке транспортування, згідно зі встановленими залежностями режимів роботи ГТУ (рис. 3). Вибране значення максимальної густини суміші забезпечується регулюванням характеристик всмоктувального пристрою.

Наступним етапом є визначення раціональної швидкості транспортування гідросуміші для встановлених значень густини суміші і продуктивності установки за твердим згідно з полями розподілу, зображеними на рис. 12. Отримані значення є початковими даними для авторегулювання насосів з метою забезпечення ефективної роботи ГТУ.

В досліджуваному діапазоні зміни витратних параметрів простежується тенденція транспортування розсипів твердих частинок різних класів з підвищеними швидкостями, що надасть можливість мінімізувати негативний вплив зазначених коливань на ефективність процесу транспортування.

В п’ятому розділі на основі встановлених залежностей (2) і (3) та полів розподілу раціональних проектних діаметрів нагнітального трубопроводу і швидкостей транспортування розроблені методики розрахунку проектних і експлуатаційних параметрів ГТУ.

Обчислювальні програми, що реалізують розроблені методики, складені в середовищі MathCad і реалізовані в програмних пакетах Visual Basic і Delphi. Модульний принцип побудови програмного забезпечення враховує можливість його добудовування й удосконалення.

Результати проведених досліджень є основою для розробки методу оптимізації параметрів системи гідротранспорту твердих матеріалів на гірничих підприємствах.

ВИСНОВКИ

Дисертація є завершеною науково-дослідною роботою, в якій вирішена актуальна наукова задача важливого прикладного значення, що полягає в обґрунтуванні раціональних діаметра нагнітального трубопроводу гідротранспортної установки і швидкості транспортування гідросуміші на базі отриманих залежностей вказаних параметрів від густини пульпи та продуктивності установки за твердим з урахуванням вартісних показників.

Основні наукові результати, висновки і рекомендації:

1. Встановлено, що при діаметрі нагнітального трубопроводу 0,6 м для розсипів тонкодисперсних частинок в діапазоні зміни продуктивності установки за твердим 165…200 кг/с при збільшенні густини суміші в межах від 1250 до 1400 кг/м3 швидкість транспортування стає нижче за критичну, а в діапазоні зміни продуктивності установки за твердим 390…415 кг/с установка не переходить до неекономічного режиму роботи.

2. Встановлено, що при діаметрі нагнітального трубопроводу 0,6 м для розсипів дрібнодисперсних і крупнодисперсних частинок в діапазоні зміни продуктивності установки за твердим 165…200 кг/с при збільшенні густини суміші в межах від 1125 до 1400 кг/м3 установка переходить до неекономічного режиму роботи, а в діапазоні зміни продуктивності установки по твердому 390…415 кг/с швидкість транспортування стає нижче за критичну в межах зміни густини суміші від 1225 до 1400 кг/м3.

3. Встановлено, що при діаметрі нагнітального трубопроводу 0,6 м для розсипів полідисперсних частинок в умовах існуючих коливань густини суміші в нагнітальному трубопроводі гідротранспортної установки в межах 1100…1400 кг/м3 в діапазоні зміни продуктивності установки за твердим 160…200 кг/с при збільшенні густини суміші швидкість транспортування стає нижче за критичну і, відповідно, установка переходить до неекономічного режиму роботи в межах від 1150 до 1400 кг/м3 діапазону коливань, а в діапазоні зміни продуктивності установки за твердим 390…415 кг/с установка переходить до неекономічного режиму роботи лише в межах зміни густини суміші від 1325 до 1400 кг/м3.

4. Розроблена математична модель течії суміші твердих частинок і несучої рідини, яка відрізняється від існуючих урахуванням градієнтної сили опору твердих частинок при визначенні міжфазних сил, а також сили взаємодії пульпи зі стінками трубопроводу.

5. Розроблена економіко-математична модель гідротранспортної установки, що відрізняється від відомих урахуванням впливу виду суміші, параметрів насосів, зносу трубопроводу і насосного устаткування в процесі експлуатації установки на значення сумарних приведених витрат.

6. На базі економіко-математичного моделювання в результаті числового експерименту з багатьма чинниками встановлено, що існує взаємнооднозначна відповідність між конструктивними (діаметр, довжина і кут нахилу нагнітального трубопроводу) і витратними (швидкість транспортування гідросуміші, густина пульпи, продуктивність установки за твердим) параметрами гідротранспортної установки, що забезпечує мінімальні витрати на транспортування.

7. На основі встановлених закономірностей одержані багатопараметричні залежності раціонального діаметра трубопроводу ГТУ на стадії проектування та раціональної швидкості транспортування гідросуміші при зміні умов експлуатації від густини пульпи та продуктивності установки за твердим.

8. Запропонована методика розрахунку проектних параметрів ГТУ на базі економіко-математичного моделювання, які забезпечують максимальну ефективність проектованих систем гідротранспорту.

9. Запропонована методика розрахунку експлуатаційних параметрів ГТУ на базі економіко-математичного моделювання, які забезпечують максимальну ефективність систем гідротранспорту в існуючих умовах експлуатації.

10. Розроблені пакети прикладних програм, які реалізують розрахункові методики, а також призначені для регулювання параметрів роботи гідротранспортних установок при їх експлуатації.

11. Розроблені “Методика розрахунку проектних параметрів гідротранспортних установок…” і “Методика розрахунку експлуатаційних параметрів гідротранспортних установок…” впроваджені і використовуються в ІГМ ім. М.М. Федорова (м. Донецьк), також методики використовуються в навчальному процесі НГУ при викладанні дисциплін “Гідромеханіка”, “Гідравліка і гідропривід” та “Гідротранспорт на гірничих підприємствах”; результати роботи впроваджені на Вільногірському ГМК (м. Вільногірськ).

12. Очікуваний економічний ефект від застосування на Вільногірському ГМК розробленої “Методики розрахунку проектних параметрів гідротранспортних установок…” складає 1029 тис. грн. за 1 рік служби трубопроводу і “Методики розрахунку експлуатаційних параметрів гідротранспортних установок…” 2,60 грн. на тонну транспортованого матеріалу.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах:

1. Кириченко Е.А., Чеберячко И.М., Шворак В.Г. Анализ известных зависимостей для определения критических скоростей движения гидросмеси    Збагачення корисних копалин: Наук.-техн. зб. – 2004. – Вип. ). – С. 135-141.

2. Анализ влияния параметров движения гидросмеси на режимы работы гидротранспортной установки / Е.А. Кириченко, И.М. Чеберячко, В.И. Воробьев, В.Г. Шворак // Науковий вісник НГУ. – 2004. – № 4. – С. 58-60.

3. Кириченко Е.А., Шворак В.Г., Кучер Д.С. Анализ выбора рациональных параметров гидротранспортирования для повышения эффективности работы гидротранспортной системы // Науковий вісник НГУ. – 2005. – № 1. – С. 58-60.

4. Экономико-математическая модель гидротранспортной установки / Е.А. Кириченко, И.М. Чеберячко, В.В. Евтеев, В.Г. Шворак // Науковий вісник НГУ. – 2005. – № 7. – С. 56-60.

5. Разработка математической модели двухфазной двухскоростной средыЕ.А. Кириченко, И.М. Чеберячко, В.Г. Шворак, В.Е. Кириченко // Науковий вісник НГУ. – 2006. – № 6. – С. 59-62.

6. Шворак В.Г. Разработка методики расчета рациональных параметров гидротранспортных установок // Науковий вісник НГУ. – 2006. – № 10. – С. _.

7. Пат. 61294 А України, кл. 7 F04F1/00, F04F1/20, E21F17/00. Спосіб підйому багатокомпонентної суміші з великих глибин і пристрій для його реалізації / Кириченко Є.О., Чеберячко І.М., Євтєєв В.В., Шворак В.Г., Кириченко В.Є. – Опубл. 17.11.2003, Бюл. № 11.

8. Пат. 64283 А України, кл. 7 F04F1/10, F04F 1/20, E21F17/00. Спосіб регулювання подачі насосом рідини та система для його реалізації / Кириченко Є.О., Чеберячко І.М., Шворак В.Г., Шворак В.Г., Євтєєв В.В. – Опубл. 16.02.2004, Бюл. № 2.

9. Пат. 67246 А України, кл. 7 F04D29/70, F04D13/00. Спосіб транспортування гідросуміші і пристрій для його реалізації / Кириченко Є.О., Чеберячко І.М., Євтєєв В.В., Шворак В.Г., Кучер Д.С. – Опубл. 15.06.2004, Бюл. № .

10. Пат. 77629 України, кл. МПК F04F1/00, E21F17/00. Спосіб запуску та роботи насосної установки та система для його реалізації / Кириченко Є.О., Чеберячко І.М., Кириченко В.Є., Шворак В.Г., Євтєєв В.В. – Опубл. 15.12.2006, Бюл. № 12.

11. Пат. 77630 України, кл. МПК F04F1/00, F04F1/20, E21F17/00. Спосіб запуску насосної установки та система для його реалізації / Кириченко Є.О., Шворак В.Г., Кириченко В.Є., Євтєєв В.В. – Опубл. 15.12.2006, Бюл. № 12.

12. Пат. 64541 України, кл. МПК F04F1/20. Спосіб регулювання подачі насосом рідини та система для його реалізації / Кириченко Є.О., Чеберячко І.М., Шворак В.Г., Євтєєв В.В. – Опубл. 25.06.2007, Бюл. № 9.

13. Пат. 2310098 РФ, F04D7/04, F04D13/08. Способ подъема гидросмеси с больших глубин и устройство для его реализации / Пивняк Г.Г., Франчук В.П., Кириченко Е.А., Шворак В.Г. – Опубл. 10.11.2007, Бюл. №31.

14. Пат. 2310099 РФ, F04D7/04, F04D13/08. Способ транспортирования гидросмеси с больших глубин и устройство для его реализации / Пивняк Г.Г., Франчук В.П., Кириченко Е.А., Шворак В.Г. – Опубл. 10.11.2007, Бюл. №31.

15. Выполнение оптимизации по энергозатратам при выборе проектных параметров гидротранспортных установок / Е.А. Кириченко, И.М. Чеберячко, В.Г. Шворак, В.Е. Кириченко // Матер. междунар. научн.-техн. конф. “Проблемы и перспективы развития транспорта промышленных регионов”. – Днепропетровск: НГУ, 2005. – С. 14-15.

16. Кириченко Е.А., Чеберячко И.М., Шворак В.Г. Определение оптимальных параметров гидротранспортирования твердых материалов на базе экономико-математического моделирования // Матер. междунар. научн.-практич. конф. “Проблемы обогащения руд россыпных месторождений и пути их решения”. Научные труды ДонНТУ. – Донецк: ДонНТУ, 2005. – № 94. – С. .

17. Определение проектных параметров гидротранспортной установки на базе экономико-математической модели / Е.А. Кириченко, И.М. Чеберячко, В.Г. Шворак, В.В. Евтеев // Геотехническая механика: матер. III научн.-техн. конф. молодых ученых “Геотехнические проблемы разработки месторождений”. – Днепропетровск: ИГТМ, 2006. – Вип. . – С. .

Особистий внесок здобувача у роботи, опубліковані в співавторстві: [1, ] – виконання чисельних розрахунків і аналіз результатів; [3] – обробка результатів досліджень, побудова залежностей; [4] – постановка задачі досліджень, виконання чисельних розрахунків, обробка і аналіз результатів; [5] – постановка задачі, аналітичний огляд, формування основних фізичних припущень для побудови математичної моделі; [7] – патентний пошук, участь у розробці способу; [8] – розробка способу, графічна реалізація пристрою; [9] – патентний пошук, розробка пристрою; [10] – розробка способу, графічна реалізація пристрою; [11] – участь у розробці пристрою; [12] – розробка способу, графічна реалізація пристрою; [13, ] – патентний пошук, участь у розробці способу; [15] – обґрунтування необхідності раціоналізації вибору проектних параметрів ГТУ; [16, ] – постановка задачі досліджень, виконання чисельних розрахунків, обробка і аналіз результатів.

АНОТАЦІЯ

Шворак В.Г. Обґрунтування раціональних параметрів системи гідротранспорту твердих матеріалів на гірничих підприємствах. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.06 – гірничі машини. Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2008.

Виконано аналіз впливу коливань витратних параметрів на режими роботи гідротранспортної установки. Показано, що існуючі неминучі стрибкоподібні коливання густини суміші й об’ємної продуктивності установки спричиняють різний вплив для різних видів сумішей на режими транспортування. Розроблена математична модель течії суміші твердих частинок і несучої рідини, яка базується на законах збереження мас і кількості руху рідкої і твердої фаз і відрізняється від існуючих урахуванням градієнтної сили опору твердих частинок при визначенні міжфазних сил, а також сили взаємодії пульпи зі стінками трубопроводу. Розроблена економіко-математична модель гідротранспортної установки, яка використовує в якості функції мети повні витрати на транспортування, приведені до терміну служби трубопроводу.Встановлені характери зміни величини раціонального діаметра нагнітального трубопроводу для розсипів частинок різних класів при зміні густини суміші та продуктивності гідротранспортної установки за твердим у встановлених діапазонах.

Ключові слова: гідротранспортна установка, гідросуміш, густина суміші, продуктивність, нагнітальний трубопровід, насос, критична швидкість.

АННОТАЦИЯ

Шворак В.Г. Обоснование рациональных параметров системы гидротранспорта твердых материалов на горных предприятиях. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.06 – горные машины. Национальный горный университет, Днепропетровск, 2008.

Выполнен анализ влияния колебаний расходных параметров на режимы работы гидротранспортной установки. Показано, что существующие неизбежные скачкообразные колебания плотности смеси и объемной производительности установки оказывают различное по степени важности влияние для различных видов смесей на режимы транспортирования.

Разработана математическая модель течения смеси твердых частиц и несущей жидкости, базирующаяся на законах сохранения масс и количества движения жидкой и твердой фаз и отличающаяся от существующих учетом градиентной силы сопротивления твердых частиц при определении межфазных сил, а также силы взаимодействия пульпы со стенками трубопровода. При сравнении результатов расчетов с экспериментальными данными, максимальное расхождение экспериментальных и теоретических значений не превышает 26%.

Разработана экономико-математическая модель гидротранспортной установки, использующая в качестве функции цели полные затраты на транспортирование, приведенные к сроку службы трубопровода, и отличающаяся от известных учетом физико-механических свойств транспортируемого материала, параметров насосно-перекачного оборудования, износа трубопровода и срока службы насосного оборудования.

Установлен характер изменения значения рационального диаметра нагнетательного трубопровода для россыпей частиц различных классов при изменении плотности смеси в диапазоне 1100…1400 кг/м3 и производительности гидротранспортной установки по твердому в диапазоне 165…415 кг/с.

На базе разработанной экономико-математической модели получена зависимость рационального диаметра нагнетательного трубопровода от расходных параметров проектируемой ГТУ.

В исследуемом диапазоне изменения расходных параметров прослеживается тенденция транспортирования россыпей твердых частиц различных классов с повышенными скоростями, что предоставит возможность минимизировать негативное влияние колебаний плотности гидросмеси на эффективность процесса транспортировки.

Разработаны методики расчета проектных и эксплуатационных параметров на базе экономико-математического моделирования, позволяющие определить рациональные геометрические и расходные параметры гидротранспортных установок, как на стадии проектирования, так и в условиях эксплуатации, которые внедрены и используются в ИГМ им. М.М. Федорова (г. Донецк), на Вольногорском ГМК (г. Вольногорск), используются в учебном процессе НГУ при изложении дисциплин “Гидромеханика”, “Гидравлика и гидропривод” и “Гидротранспорт на горных предприятиях”.

Ожидаемый экономический эффект от применения на Вольногорском ГМК разработанных методик составляет 1029 тыс. грн. за 1 год службы трубопровода и 2,60 грн. на тонну транспортируемого материала.

Ключевые слова: гидротранспортная установка, гидросмесь, плотность смеси, производительность, нагнетательный трубопровод, насос, критическая скорость.

ANNOTATION

Shvorak V.G. Grounded choice of hard materials the hydraulic transporting system rational parameters on mining enterprises. – Manuscript.

Thesis for the application of Candidate of Technical Sciences degree in the specialty 05.05.06 – Mining Machines. The National Mining University, Dniepropetrovsk, 2008.

The analysis of influencing of expense parameters changing on the hydro transporting device operations modes is executed. It is shown, that the existent changes of hydraulic slurry density and device productivity have different influence on the transporting modes for different slurry types. The mathematical model of hydraulic slurry moving in the main pipeline of the hydro transporting device, which takes into account gradient force of hard particles resistance, and also force of slurry co-operation with the walls of pipeline, is developed. The economy-mathematical model of the hydro transporting device, which takes into account physical-mechanical properties of the transported material, parameters of pump equipment, wear of pipeline and term of pumps work, is developed. The dependence of forcing pipelines rational diameter from the productivity parameters of the designed device on the base of the developed economy-mathematical model is certain.

The methods of calculation of project and operating parameters on the base of economy-mathematical model are developed.

Keywords: the hydro transporting device, hydraulic slurry, slurry density, productivity, main pipeline, pump, stalling speed.

Шворак Віталій Григорович

Обґрунтування РАЦІОНАЛЬНИХ ПАРАМЕТРІВ СИСТЕМИ ГІДРОТРАНСПОРТУ ТВЕРДИХ МАТЕРІАЛІВ НА ГІРНИЧИХ ПІДПРИЄМСТВАХ

(Автореферат)

Підписано до друку 04.03.2008. Формат 30Ч42/4.

Папір офсет. Ризографія. Ум. друк. арк. 1,0

Обл.-вид. арк. 1,0. Тираж 100 прим. Зам. № 85.

Національний гірничий університет

49005, м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19.