автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование параметров донного устройства с учетом присоединенной массы при добыче железомарганцевых конкреций шельфовой зоны

На правах рукописи

КОРОЛЕВ Игорь Алексеевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДОННОГО УСТРОЙСТВА С УЧЕТОМ ПРИСОЕДИНЕННОЙ МАССЫ ПРИ ДОБЫЧЕ ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОНКРЕЦИЙ ШЕЛЬФОВОЙ ЗОНЫ

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 7 '"■"■I /Г<11

005531Ю2

Санкт-Петербург - 2013

005531102

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего

профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Тимофеев Игорь Парфенович

Официальные оппоненты:

Тарасов Юрий Дмитриевич доктор технических наук, ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», кафедра горных транспортных машин, профессор

Коровников Александр Николаевич кандидат технических наук, НПК «Механобр-техннка» (ЗАО), директор по продажам оборудования для переработки рудных материалов

Ведущая организация - ОАО «Севморгео»

Защита состоится 2 июля 2013 г. в 17 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный». Автореферат разослан 31 мая 2013 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ , ГАБОВ

диссертационного совета^з^^^р^ Виктор Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации:

Приоритет освоения ресурсов морского дна и его рудный потенциал определяются исходя из оценки марганца и кобальта как стратегического сырья для многих отраслей тяжелой промышленности.

Интерес к освоению твердых полезных ископаемых морского дна объясняется рядом факторов, таких как:

- более высокая концентрация полезных ископаемых в морских месторождениях по сравнению с континентальными залежами;

— более высокая по сравнению с материковой рентабельность ведения добычных работ на дне за счет исключения из технологического цикла буровзрывных работ и вспомогательных операций, стадий дробления добытой руды, что в перспективе повышает экологичность и экономичность самого процесса добычи.

Ежегодная потребность в марганцевых сплавах и металлическом марганце в Северо-Западном федеральном округе достигает 100 тыс.т. Темпы развития добычи железомарганцевых конкреций (далее - ЖМК), однако, отстают от темпов потребления ведущими предприятиями, такими как: ОАО «Ижорские заводы» и ОАО «Пет-росталь» (Санкт-Петербург) и ОАО «Северсталь» (Череповец).

Основной вклад в развитие теории и практики разработки морских месторождений внесли Дж. Меро (1969), Г.А. Нурока, Ю.В. Бруякина, Ю.В. Бубиса, Л.Н. Молочникова, К.В. Яблокова (1979), Р.И. Вяхирева, Б.А. Никитина, Д.А. Мирзоева (1999), В.Б. Добрецо-ва, В.А. Рогалева (2003), И.С. Калинина, В.П. Дробаденко, Н.Г. Ма-лухина (2010). Анализ данных работ выявил, что для разработки месторождений морского дна необходимы новые, нетипичные для материковых условий методы при определении основных характеристик комплексов по добыче твердых полезных ископаемых. Создание добычных комплексов, обеспечивающих устойчивые режимы работы в водной среде с изменяемой глубиной, загрузкой скреперов и скоростями их движения, невозможно без научного обоснования.

Целью исследования является повышение эффективности добычи на основе установления закономерностей, связывающих кинематические и силовые параметры комплекса для ведения добычных работ на морском дне с учетом присоединенной массы ЖМК, загружаемых в бункер донного устройства.

Основная научная идея исследовательской работы: устойчивый процесс транспортирования донного добычного устройства с переменной массой ЖМК достигается рациональным сочетанием силы тяжести гибкого тягового элемента, свободно провисающего в водной среде, с массой донного устройства.

Основные задачи диссертационной работы:

- анализ геоморфологии залегания ЖМК на известных российских месторождениях, в том числе шельфовой зоны Балтийского моря (участок Финского залива);

- анализ существующих технических средств для добычи твердых полезных ископаемых морского дна;

- разработка математической модели взаимодействия гибкого тягового элемента с донным добычным устройством;

- компьютерное моделирование процесса транспортирования гибким тяговым элементом донного добычного устройства;

- проведение экспериментальных исследований взаимодействия стандартных круглозвенных цепей с моделью, имитирующей донное устройство.

Методология и методы исследования. В работе использован комплексный метод, включающий: научный анализ и обобщение технических средств для добычи твердых полезных ископаемых, компьютерное моделирование в объектно-ориентированной среде программирования. Основные теоретические результаты получены с использованием математического аппарата, классических положений теоретической механики и теории механизмов и машин. Для обработки экспериментальных данных использовалась имитационная модель процесса движения донного добычного устройства; была проведена видеосъемка процесса его движения и приведен анализ полученных экспериментальных данных.

Защищаемые научные положения:

1. Математическая модель функционирования системы, включающей донное добычное устройство и плавсредство, соединенные гибким тяговым элементом в водной среде, описывается дифференциальным уравнением с учетом неустановившегося движения, которое определяет закономерность изменения скорости движения донного устройства с учетом присоединенной изменяемой массы ЖМК, удельной массы гибкого тягового элемента и расстояния донного устройства от плавсредства, что позволяет определить область рациональных значений кинематических и силовых характеристик добычного комплекса.

2. Коэффициент тяги при использовании круглозвенных цепей изменяется обратно пропорционально массе транспортируемого груза, а тяговое усилие - прямопропорционально присоединяемой массе груза, установленный экспериментальными исследованиями на имитационной модели, представляющей донное устройство, соединенное гибким тяговым элементом в воздушной среде с неподвижным плавсредством.

Научная новизна:

- установлены теоретические зависимости скорости движения донного устройства при изменении массы ЖМК в бункере добычного устройства во времени;

- определены области соотношений скорости донного добычного устройства, глубины погружения и длины гибкого тягового элемента;

- экспериментально установлены максимальные скорости движения донного устройства при использовании различных цепей и присоединенных масс ЖМК.

Соответствие паспорту специальности: работа соответствует паспорту специальности 05.05.06 «Горные машины»: пункт 3 «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы горных машин и оборудования и их элементов».

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертационной работе, подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая значимость работы заключается в обосновании рациональных параметров силовых и кинематических характеристик движения донного устройства, определяющих типоразмеры тягового элемента на примере стандартных круглозвенных цепей, а также в разработке рекомендаций по выбору круглозвенных цепей при транспортировании ЖМК в зависимости от коэффициента тяги.

Результаты исследования рекомендуются к использованию научно-производственными предприятиями при ведении морских геологоразведочных и добычных работ.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований были представлены на научных конкурсах и конференциях в 2010-2012 гг.: XVI Санкт-Петербургской Ассамблее молодых ученых и специалистов, 9-ой и 11-ой международных научно-практических конференциях «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2011, 2013 гг.), Научной конференции в Центре Трансфера Технологии ЕМАв (г. Катовице, Польша, 2012 г.); 7-й международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2011 г.), ежегодных вузовских конференциях студентов и молодых учёных «Полезные ископаемые России и их освоение» (Горный университет, г. Санкт-Петербург).

Личный вклад автора:

- проведен анализ технических средств для добычи ЖМК на морском дне;

- разработана математическая модель процесса взаимодействия гибкого тягового элемента с донным добычным устройством в процессе добычи железомарганцевых конкреций;

- разработана имитационная модель для проведения в лабораторных условиях экспериментов по установлению зависимостей скорости движения донного добычного устройства при различных погонных массах тягового элемента и коэффициентах тяги;

- проведены экспериментальные исследования по определению коэффициентов тяги для различных типоразмеров круглозвен-

ных цепей, а также установлены скорости движения донного добычного устройства в функции времени;

- разработана методика выбора гибкого тягового элемента при транспортировании различных объемов груза для скреперов в условиях добычи твердых полезных ископаемых морского дна.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 1 статья в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получен 1 патент РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 110 наименований, 2 приложений, изложена на 143 страницах машинописного текста и содержит 71 рисунок, 11 таблиц.

Автор выражает особую благодарность за предоставленные консультации доценту кафедры высшей математики Горного университета, кандидату математических наук Колтону Гарри Абрамовичу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и необходимость разработки технологий и техники добычи твердых полезных ископаемых морского дна, сформулированы цели и задачи исследования.

В первой главе приведен обзор развития технических средств по разработке подводных месторождений твердых полезных ископаемых, общие сведения о различных классах подводных добычных устройств на шельфе, сформулированы основные технические и экологические требования, предъявляемые к добычным устройствам первого поколения, а также их достоинства и недостатки.

Во второй главе представлены математические модели взаимодействия гибкого тягового элемента с донным добычным устройством для случая его транспортирования гибким тяговым элементом плавсредством, движущимся с постоянной скоростью и случай транспортирования донного добычного устройства посредством двухбарабанной скреперной лебедки при неподвижном судне.

В третьей главе проведено математическое моделирование процесса транспортирования донного устройства для двух принципиальных схем функционирования гибкого тягового элемента с дон-

ным добычным устройством, определены области установившегося движения из условий неконтакта цепи с дном и неотрыва донного добычного устройства от дна.

В четвертой главе изложены результаты лабораторных исследований процесса транспортирования бункера круглозвенными цепями стандартных калибров, принятых в качестве гибких тяговых элементов, экспериментально получены зависимости скоростей движения бункера во времени, определены коэффициенты тяги для каждого из представленных цепей разных калибров.

В заключении по результатам проведенных теоретических исследований обоснована методика выбора параметров донного устройства при условии устойчивости процесса транспортирования в установившемся режиме. Подтверждена сходимость результатов теоретических исследований с результатами экспериментов, разработана методика по выбору параметров гибкого тягового элемента.

Основные научные результаты исследований отражены в следующих защищаемых положениях:

1. Математическая модель функционирования системы, включающей донное добычное устройство и плавсредство, соединенные гибким тяговым элементом в водной среде, описывается дифференциальным уравнением с учетом неустановившегося движения, которое определяет закономерность изменения скорости движения донного устройства с учетом присоединенной изменяемой массы ЖМК, удельной массы гибкого тягового элемента и расстояния донного устройства от плавсредства, что позволяет определить кинематические и силовые характеристики добычного комплекса.

Принципиальная схема функционирования гибкого тягового элемента с донным добычным устройством принята со следующими допущениями:

• Плавсредство и донное добычное устройство расположены в одной плоскости движения.

• Гибкий тяговый элемент однороден и нерастяжим, не рассматриваются упругие деформации в гибком тяговом элементе, его масса равномерно распределена по всей длине.

• На донное добычное устройство и ЖМК в его бункере, лежащих на дне, действует выталкивающая сила.

Схема добычного комплекса состоит (рисунок 1) из скрепера, перемещаемого по дну канатом лебедки, установленной на судне. При транспортировании донного устройства его масса непостоянна и с течением времени увеличивается, поскольку емкость скрепера заполняется ЖМК, тяговый элемент меняет положение в вертикальной плоскости. Движение скрепера осуществляется при удалении судна, длина тягового элемента не изменяется, его натяжение увеличивается.

В системе координат в верхней точкой О крепления гибкого тягового элемента уравнение движения цепи имеет вид (1):

до дт _ ...

Ро — = — + Роё> (1)

ОТ 01

где р0 - плотность материала цепи; и - скорость элементарного участка цепи в момент времени V, Т = {Тх,ТУ} - натяжение цепи, складывающееся из горизонтальной составляющей Тх и вертикальной составляющей Тг\ I — длина цепи; § - ускорение свободного падения.

Рисунок 1 — Схема взаимодействия гибкого тягового элемента с донным устройством

Переходя к безразмерным величинам, получаем уравнение:

где е = {0,1} - орт оси координат. Тогда:

8Т

81

дТу

81

+ 1 = 0

Решением данной системы уравнений получаем выражение для горизонтальной и вертикальной составляющих тягового усилия в цепи:

тх=т)

Г сое а = 7^(7)

Тг = -1 + (/) Т эш а = -I + Ту (0

(4)

Интегрированием (2), получены выражения для горизонтальной и вертикальной составляющих тягового усилия, а также выражение для определения расстояния между донным устройством и судном:

г1-1

У1-Я2 . ! _ VI-Я2 *И(с-2у).

2 зЬ(с - у)'

Н1

2 с — у

бИ^с — у)

(5)

я/?(с - у)

где Я- глубина погружения донного устройства, у и с равны:

,„ 1 , 1+ Н у = агшН = — 1п -

2 1-Я

Введем в рассмотрение систему координат, совместив ее начало с начальным положением донного добычного устройства (рисунок 2).

Мад крк

Рисунок 2 - Силы, действующие на донное устройство Движение донного добычного устройства описывается уравнениями:

М- = Т-кио2 81

^-к и 81 ~км"

Эх1

Лис- ДА/-б)

(6)

где и - скорость донного устройства; М — общая масса донного устройства, заполненного ЖМК в момент времени / описывается уравнением:

М = МА+МС (0, (7)

где МА - масса донного устройства; Мс(/) — масса железомарган-цевых конкреций в донном устройстве в момент времени /, Т - тяговое усилие описывается уравнением: Т ~ТХХ + /-Ту, (8) где / — коэффициент трения скрепера о морское дно; Q - выталкивающая сила описывается уравнением:

Q = Pв

МА+Мс_

. РА РС

(9)

где рп - плотность среды; рА - плотность материала донного устройства; рс - плотность груза; /?рк - сила сопротивления резанию грунта: Ярк =кРК-ЯРК^. (10)

Выражение кии2 объединяет в себе силу сопротивления среды, пропорциональную квадрату скорости донного устройства и ре-

дМг

активную силу, пропорциональную и

д1

км, ки - безразмерные коэффициенты, V = vl|Lg.

Система уравнений (6) записана в безразмерном виде, где величины, имеющие размерность силы, отнесены к pQLg, величины размерности массы к р0Ь, скорость отнесена к и0, время отнесено к

В момент времени £ = 0 начала движения донного устройства имеем: и - 0;МС = 0;Т = / • А, (11)

где А = М,

' Л 1

. Ра.

+ ~крк ■

/

Используя (7), находим недостающее начальное условие для

/-2

системы (6): * (0) = ^^ , (12)

2А + 1' / • *1(2А + 1)г - И1 '

Для исключения неустановившегося режима движения донного устройства необходимо так выбрать величины скорости о0 и глубины Н, чтобы в любой момент времени выполнялось условие:

TxY+Q<Mg, (13)

или с учетом (4):

1ёа0(1) > АгЛ

г Н Л

1 + 2 (М-0

■у. (14)

/

Го=Аг{И— = 0,51п-0+Я

5 = Апк-

Н

и + 2 А

■■ 0,51п

Н

Ь0+2 А + Н и+2А-Н

у/0=5 + АгЛ

/' ^/о

= £ + 1п

■ +

зк2д

/•Ж/о и2^И2Го

• + 1

.(15)

¿0 =

Схема взаимодействия тягового элемента с донным устройством для случая, когда судно неподвижно, а тяговый элемент движется за счет усилия в канате скреперной лебедки, длина тягового элемента уменьшается в функции времени. Движение донного устройства описывается уравнением (6).

Решение системы уравнений (6) для случая изменения длины тягового элемента дает принципиально новые зависимости (15).

На основании решения системы уравнений получены зависимости изменения длины гибкого тягового элемента и глубины погружения в функции времени:

Ъ 2 2 Ъ 2 2

(16)

(17)

Связь глубины погружения и изменяющейся во времени длины гибкого тягового элемента:

-н1

(18)

На основе полученных теоретических зависимостей проведено компьютерное моделирование. Для анализа были приняты три типоразмера скреперов объемом: Г/ = 8 м3, ¥2 = 4,5 м3 и У3 = 3 м3 в соответствии с ГОСТ 5738-73. На основе анализа разрывного уси-

лия были приняты круглозвенные цепи трех калибров с!26, 620 и с!16 в соответствии с ГОСТ 2319-81.

I -(Н0/Ц1

0Л)2

N

-(НО/ЦЗ

\| V —№ 1/ЦЗ

II \

ч о

\

ч

1П

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2

1), м/с

Рисунок 3 - Область выбора длины тягового элемента

Для каждой цепи область (рисунок 3) выбора параметров будет определять диапазон отношений глубины моря к длине тягового элемента, т.е. Н/Ь. При увеличении скорости

плавсредства область выбора отношения Н/Ь сужается и ограничивается прямой линией снизу и огибающей кривой сверху. Зона I, Ш - нерабочие, II -рабочая область для выбора длины цепи.

/с

//

/

/ УЗ

(

Рисунок 4 - Изменение скорости движения донного устройства

и С

На участке с равномерно ускоренным движением добычное устройство заполняется ЖМК, и его скорость приближается к скорости плавсредства, равной 0,5 м/с (рисунок 4).

Так, например, для цепи калибра 626 при транспортировании добычного донного устройства емкостью 8 м3 максимальная скорость судна не должна превышать 0,9 м/с, при скорости 0,5 м/с отношение глубины моря к длине тягового элемента принимает минимальное значение равное 0,25, а максимальное - 0,55.

При глубине моря 50 метров длина тягового элемента будет составлять максимально 200 и минимально 90 метров, и условие неотрыва от морского дна и провисания цепи всегда будет выполняться.

Тх, кН Ту, кН 80

70

60

50

40

30

20

10

0

0 10 20 30

Для всех калибров цепей и емкостей бункеров характер зависимостей подобен. Два характерных участка отражают неравномерное и равномерно ускоренного движения, на которых выделяется участок интенсивного увеличения тягового усилия и участок с линейной зависимостью, показывающий увеличение тягового усилия пропорционально присоединяемой массе ЖМК.

Рисунок 5 - Изменение усилий в тяговом элементе во времени

Так, например, при использовании цепи калибра с!26 и емкости 8 м~ горизонтальная составляющая усилия в тяговом элементе изменяется на участке равномерно ускоренного движения от 52 до 75 кН, для емкости 4,5 м3 - от 30 до 40 кН, для емкости 3 м3 - от 25 до 3 7 кН.

2. Экспериментальными исследованиями на имитационной модели, представляющей донное устройство, соединенное

гибким тяговым элементом в воздушной среде с неподвижным плавсредством, установлено, что коэффициент тяги при использовании круглозвенных цепей изменяется обратно пропорционально массе транспортируемого груза, а тяговое усилие - пря-мопропорционально присоединенной массе груза.

Экспериментальный стенд (Рисунок 6) имитационной модели донного устройства представляет собой емкость 1 с возможностью изменения ее массы. В качестве присоединяемой массы использовалась свинцовая дробь диаметром 4,5 мм. В качестве гибкого тягового элемента 2 были выбраны стандартные круглозвенные цепи калибров d6, d9 и dl3 мм. Измерения тягового усилия осуществлялись портативным цифровым электронным динамометром WeiHeng (модель WH-A05) 3. Процесс движения снимался беззеркальной фотокамерой Sony Nex-5.

Рисунок 6 - Экспериментальный стенд 1 _ бункер, 2 - тяговый элемент, 3 - портативный цифровой электронный динамометр \VeiHeng (модель WH-A05).

Длина каждого отрезка цепи составляла 2,5 м. Удельная масса равнялась 0,8; 1,8; 3,6 кг/м. Масса транспортируемого груза принималась пропорционально массе гибкого тягового элемента и составляла 1,0; 1,33; 0,66, 0,33.

Максимальная скорость изменялась в широком диапазоне, т.е. при возрастании присоединенной массы от 1,5 кг до 6 кг, скорость движения донного устройства уменьшалась от 1,25 м/с до 0,33 м/с при максимальной массе 6 кг. Зависимость описывается уравнением второго порядка.

и, м/с

<19, М= 1,5 кг 0

Г (19,

<19, Л = 4,5 кг

<19, М - 6 кг

о 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 ( С

Рисунок 7 - Изменение скорости движения бункера во времени

При проведении эксперимента емкость нагружалась дискретно до прекращения движения. В этот момент определялась предельная масса насыпного груза для движения которой тягового усилия цепи было недостаточно.

Коэффициент тяги Ктг представляет собой отношение горизонтальной составляющей тягового усилия цепи Тх к массе М донного устройства.

о

о 1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 М, КГ

Рисунок 8 - Зависимость коэффициента тяги ЛГтг от массы донного устройства для цепей различных калибров

Значение коэффициента тяги, равное 0,3 характеризует отсутствие движения донного устройства, т.е. сила тяги меньше или равна сопротивлению движения, которое представляет собой силу трения.

Коэффициента тяги Ктг ДОЯ экспериментальных круглоз-венных цепей изменяется от 1,15 до 0,3 для масс от 1,5 кг до 9 кг. (рисунок 8).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой приведены разработанные автором теоретические и практические положения, которые в совокупности можно классифицировать как решение научной технической задачи по выбору и обоснованию параметров донного устройства с учетом присоединенной массы при добыче ЖМК шельфовой зоны, что позволит обоснованно производить выбор круглозвенных цепей по калибру в качестве гибкого тягового элемента в зависимости от требуемого тягового усилия.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана математическая модель и предложена методика обработки данных с использованием среды программирования Microsoft Developer Studio и математического пакета программ Origin, позволяющие проводить детальный анализ влияния кинематических и силовых параметров взаимодействия гибкого тягового элемента с донным добычным устройством.

2. Экспериментально установлено, что для цепей различных калибров коэффициент тяги изменяется обратно пропорционально силе тяжести транспортируемого груза, при этом тяговое усилие изменяется прямо пропорционально присоединенной массе ЖМК.

3. Определены области выбора отношения глубины погружения Н добычного устройства к длине тягового элемента L для различных скоростей и движения плавсредства для различных цепей.

4. Для добычи железомарганцевых конкреций шельфовой зоны предложены две принципиальные схемы комплексов и техно-

логия ведения работ на основе функционирования гибкого тягового элемента с донным добычным устройством.

5. Результаты моделирования имеют удовлетворительную сходимость с данными экспериментальных исследований скорости движения донного устройства при его функционировании с гибким тяговым элементом, что подтверждает адекватность разработанной математической модели.

6. Результаты работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров специальностей 150402 «Горные машины и оборудование» и 130400 «Горное дело».

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Королев И.А. Исследование комплекса добычи желе-зомарганцевых конкреций при движении его гибким тяговым элементом. / И.П. Тимофеев, И.А. Королев. // Записки горного института. - СПб, 2012. - Т. 196. - С. 244-247.

2. Пат. 2466275 Российская Федерация МПК Е 21 С 50/02. Комплекс для добычи и обогащения твердых полезных ископаемых. / Ю.Д. Тарасов, И.П. Тимофеев, A.B. Большунов, В.Н. Морус, И.А. Королев, заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный горный университет». -№ 2011118253/03; заявл. 05.05.2011, опубл. 10.11.2012.

3. Королев И.А. Влияние присоединенной массы насыпного груза на характер изменения усилия в тяговом элементе горнотранспортных машин. / И.П. Тимофеев, И.А. Королев // Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики - 6-я Международная конференция по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики. -Тула, 2010.-Т. 1.-С. 108-112.

4. Королев И.А. Влияние гибкого тягового элемента на характер движения донного добычного устройства при транспортировании его плавсредством. / И.П. Тимофеев, И.А. Королев // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: Труды 9-ой Международной научно-практической конференции. - Воркута, 2011. - С.106-110.

5. Королев И.А. Еще раз о запасах рудных полезных ископаемых в океанах. / И.П. Тимофеев, И.А.Королев. // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: Труды 9-ой Международной научно-практической конференции. - Воркута, 2011. -С. 195-198.

6. Королев И.А. Поведение гибкого тягового элемента в процессе транспортирования донного добычного устройства. / И.П. Тимофеев, И.А. Королев. // Опыт прошлого - взгляд в будущее - 2-я Международная научно-практическая конференция молодых ученых и студентов. Материалы конференции. - Тула, 2012. - С. 67-70.

7. Королев И.А. Математическая модель движения донного добычного устройства при транспортировании его гибким тяговым элементом. / Г.А. Колтон, И.А. Королев. // Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики - 8-я Международная конференция по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики. -Тула, 2012.-Т. 1. - С. 387-391.

8. Королев И.А. Добычной комплекс для разработки твердых полезных ископаемых морского дна. / И.А. Королев, И.П.Тимофеев. // Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения: Труды 11-ой Международной научно-практической конференции. -Воркута, 2013. - С. 423-426.

9. Королев И.А. Обоснование характера движения донного добычного устройства с учетом присоединенной массы насыпного груза при добыче железомарганцевых конкреций Балтийского моря. / И.А. Королев. // Шестнадцатая Санкт-Петербургская Ассамблея молодых ученых и специалистов. Сборник тезисов. - СПб, 2011. - С. 100.

РИЦ Горного университета. 30.05.2013. 3.312. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Министерство образования и науки Российской Федерации федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

04201360325

На правах рукописи

/

КОРОЛЕВ ИГОРЬ АЛЕКСЕЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДОННОГО УСТРОЙСТВА С

УЧЕТОМ ПРИСОЕДИНЕННОЙ МАССЫ ПРИ ДОБЫЧЕ ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОНКРЕЦИЙ ШЕЛЬФОВОЙ ЗОНЫ

Специальность 05.05.06 - Горные машины

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Тимофеев И.П.

Санкт-Петербург - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................4

ГЛАВА 1 ОБЗОР И АНАЛИЗ МИНЕРАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ МОРСКОГО ДНА И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ИХ ОСВОЕНИЯ.....................12

1.1 Геоморфологические особенности марганцевых руд. Железомарганцевые конкреции....................................................................................12

1.2 Назначение и особенности создания подводных добычных комплексов..................................................................................22

1.3 Технические комплексы и средства по добыче железомарганцевых конкреций....................................................................................26

1.3.1. Донные технические средства для ведения поисковых и добычных работ..........................................................................................26

1.3.2. Устройства с колесными движителями........................................40

1.3.3. Машины на гусеничном и шнековом ходу....................................42

1.3.4. Установки шагающего типа......................................................47

1.4. Принципиальная схема комплекса по добыче железомарганцевых конкреций Балтийского моря. Технология разработки месторождений.............................................................................51

1.5. Выводы по первой главе..............................................................56

ГЛАВА 2 ТЕОРИЯ ДВИЖЕНИЯ ДОННОГО ДОБЫЧНОГО УСТРОЙСТВА

ПРИ ТРАНСПОРТИРОВАНИИ ГИБКИМ ТЯГОВЫМ ЭЛЕМЕНТОМ.......58

2.1 Постановка задачи.....................................................................58

2.2. Особенности функционирования гибкого тягового элемента с донным добычным устройством..................................................................61

2.3. Транспортирование донного добычного устройства посредством гибкого тягового элемента при изменении его длины........................................68

2.4. Выводы по второй главе............................................................75

ГЛАВА 3 ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ДОБЫЧНОГО КОМПЛЕКСА...........................................................76

3.1 Обоснование выбора скрепера добычного комплекса.........................76

3.2 Компьютерное моделирование процесса транспортирования донного добычного устройства гибким тяговым элементом постоянной длины.........................................................................................80

3.3. Компьютерное моделирование процесса движения донного добычного устройства гибким тяговым элементом при изменении его длины.........................................................................................94

3.4. Выводы по третьей главе..........................................................108

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ДВИЖЕНИЯ ИММИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ДОБЫЧНОГО

УСТРОЙСТВА............................................................................109

4.1 Экспериментальный стенд и обработка результатов исследования...............................................................................109

4.2. Оценка полного факторного эксперимента. Математическое описание процесса в окрестности точки факторного пространства........................120

4.3. Выводы по четвертой главе......................................................124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................126

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................128

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................139

ВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Постепенное истощение невозобновляемых материковых месторождений твердых полезных ископаемых, разрабатываемых традиционными открытым и подземным способами, а также текущий объем выполняемых геологоразведочных исследований предопределяет необходимость ведения работ по освоению минеральных ресурсов Мирового океана.

Идея освоения рудных ресурсов океана возникла на основе достижений в области исследований океанского дна, проведенных ведущими мировыми державами еще со второй половины XX века. Приоритет освоения океана (определение его рудного потенциала) определялся из потребности марганца и кобальта как стратегического сырья для многих отраслей тяжелой промышленности. Было установлено, что мировой океан обладает огромными запасами минерального сырья в виде растворенных в воде химических элементов, а также золотых, алмазных, оловянных и других россыпей и конкреций, находящихся на морском дне.

Все передовые в промышленном отношении страны ведут активные исследования в области развития технологии разработки полезных ископаемых шельфовой зоны и глубоководного дна, в некоторых странах вопросы разведки и добычи полезных ископаемых морского дна рассматриваются в контексте общенациональных программ. Освоение минеральных ресурсов Мирового Океана сегодня является приоритетной долгосрочной задачей и условием для энергетической и экологической безопасности государства. Основными направлениями исследований являются изучение геологии морского дна, выявление перспективных районов разработки подводных месторождений, геоморфологических особенностей подводных залежей, а также разработка передовых технологий и техники, а также продолжение работ в области специального судостроения.

Большинство современных работ посвящено вопросам геологии Мирового океана; сведениям о технике, технологии и экологической стороне

вопроса. Они опубликованы в работах Дж. Меро (1969), Г.А. Нурока, Ю.В. Бруякина, Ю.В. Бубиса, Л.Н. Молочникова, К.В. Яблокова (1979), Р.И. Вяхирева, Б.А. Никитина, Д.А. Мирзоева (1999), В.Б. Добрецова, В.А. Рогалева (2003), И.С. Калинина, В.П. Дробаденко, Н.Г. Малухина (2010). Анализ данных работ показывал, что разработка месторождений морского дна предполагает абсолютно новые, нетипичные для материковых условий методы, способы, технические решения и системы разработки [9, 10, 11, 12, 13,14,15,16,17, 32, 33, 35, 38, 42].

Нехватка материкового минерального сырья для нужд современной промышленности и неуклонный рост интереса к освоению морских месторождений можно объяснить рядом факторов, таких как:

- более высокая рентабельность ведения добычных работ на дне за счет исключения из технологического цикла буровзрывных работ и вспомогательных операций, стадии дробления добытой руды, что в перспективе повышает экологичность и экономичность самого процесса добычи [22, 29, 34];

- более высокая концентрация полезных ископаемых в морских месторождениях по сравнению с континентальными залежами, что снижает себестоимость их добычи [1, 2, 8, 24, 46,50, 51];

- практически полное отсутствие или недостаточное количество твердых полезных ископаемых на материковой части некоторых государств при значительных запасах данных ископаемых в шельфовой зоне [1, 48, 55, 62, 64, 68, 71, 75].

Так, например, после распада СССР Российская Федерация была лишена основных источников марганцевых руд — Чиатурского (Грузия) и Никопольского (Украина) месторождений, превратившись в крупного импортера марганцевого концентрата, необходимого в черной металлургии. Острый дефицит и важное стратегическое значение марганца заставили активизировать строительство горнодобывающих предприятий,

дополнительную разведку месторождений, а также поиск новых нетрадиционных источников марганцевого сырья.

Для реализации поставленных задач в Российской Федерации была разработана и утверждена «Концепция развития глубоководных сил и средств РФ на период до 2021 года»[70].

В соответствии с программой, до 2020 г. планируется выполнить геолого-геофизическое изучение и опытную разработку месторождения железомарганцевых конкреций на выделенном России участке морского дна в зоне Кларион-Клиппертон Тихого океана. В этот же срок будет направлена заявка на участок в Атлантическом океане, содержащий ресурсы глубоководных полиметаллических сульфидов, где до 2015 г. планируется провести поисковые работы. Также до 2020 г. планируется выполнить геолого-геофизические исследования в различных морфоструктурных зонах Мирового океана с целью выявления крупных скоплений нетрадиционных видов полезных ископаемых (гидратов природного газа, полиметаллических руд островных дуг и др.) и произвести их предварительную геологическую оценку.

Выполнение программы в части освоения ресурсов Мирового океана позволит подготовить запасы железомарганцевых конкреций категорий С1 и С2, обеспечивающие эксплуатацию месторождений в течение пяти лет с ежегодным объемом добычи в 3 млн. т. конкреций. Стоимость сырья составит 2,6 млрд. долларов. Объем подготовленных запасов кобальтомарганцевых корок категорий С1 и С2 позволит осуществлять добычу этого сырья в течение 20 лет при производительности 1 млн. т. сухой руды в год. Суммарная стоимость составит не менее 1,2 млрд. долларов [, 70].

Поисковые работы на глубоководные полиметаллические сульфиды позволят оконтурить рудные поля глубоководных полиметаллических сульфидов, подготовить ресурсы сырья категории Р2 в объеме 25 млн. т. руды.

Таким образом, накопленный опыт подводной добычи полезных ископаемых показывает значительные достоинства такого способа по сравнению с методами ведения горно-добычных работ на континентальной части суши. Освоение подводных месторождений может осуществляться в более короткие сроки и при значительно меньших удельных капиталовложениях, чем при строительстве объектов горной промышленности на суше.

Цель работы: повышение эффективности добычи на основе установления закономерностей, связывающих кинематические и силовые параметры комплекса для ведения добычных работ на морском дне с учетом присоединенной массы ЖМК, загружаемых в бункер донного устройства.

Основная идея работы: устойчивый процесс транспортирования донного добычного устройства с переменной массой ЖМК достигается рациональным сочетанием силы тяжести гибкого тягового элемента, свободно провисающего в водной среде, с массой донного устройства.

Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:

1. Анализ геоморфологии залегания ЖМК на известных российских месторождениях, в том числе шельфовой зоны Балтийского моря (участок Финского залива);

2. Анализ существующих технических средств для добычи твердых полезных ископаемых морского дна;

3. Разработка математической модели взаимодействия гибкого тягового элемента с донным добычным устройством;

4. Компьютерное моделирование процесса транспортирования гибким тяговым элементом донного добычного устройства;

5. Проведение экспериментальных исследований взаимодействия стандартных круглозвенных цепей с имитационной моделью донного устройства.

Защищаемые научные положения:

1. Математическая модель функционирования системы, включающей донное добычное устройство и плавсредство, соединенные гибким тяговым элементом в водной среде, описывается дифференциальным уравнением с учетом неустановившегося движения, которое определяет закономерность изменения скорости движения донного устройства с учетом присоединенной изменяемой массы ЖМК, удельной массы гибкого тягового элемента и расстояния донного устройства от плавсредства, что позволяет определить область рациональных значений кинематических и силовых характеристик добычного комплекса.

2. Коэффициент тяги при использовании круглозвенных цепей изменяется обратно пропорционально массе транспортируемого груза, а тяговое усилие - прямопропорционально присоединяемой массе груза, установленный экспериментальными исследованиями на имитационной модели, представляющей донное устройство, соединенное гибким тяговым элементом в воздушной среде с неподвижным плавсредством.

Методы исследования. В работе использован комплексный метод, включающий: научный анализ и обобщение технических средств для добычи твердых полезных ископаемых, компьютерное моделирование в объектно-ориентированной среде программирования. Основные теоретические результаты получены с использованием математического аппарата, классических положений теоретической механики и теории механизмов и машин. Для обработки экспериментальных данных использовалась имитационная модель процесса движения донного добычного устройства; была проведена видеосъемка процесса его движения и приведен анализ полученных экспериментальных данных.

Научная новизна работы. Установлены теоретические зависимости скорости движения донного устройства при изменении массы ЖМК в бункере добычного устройства во времени. Определены области соотношений скорости донного добычного устройства, глубины погружения и длины гибкого тягового элемента. Экспериментально установлены

максимальные скорости движения донного устройства при использовании различных цепей и присоединенных масс ЖМК.

Соответствие паспорту специальности: работа соответствует паспорту специальности 05.05.06 «Горные машины»: пункт 3 «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы горных машин и оборудования и их элементов».

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертационной работе, подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, равной 0,98-0,99.

Практическая значимость работы заключается в обосновании рациональных параметров силовых и кинематических характеристик движения донного устройства, определяющих типоразмеры тягового элемента на примере стандартных круглозвенных цепей, а также в разработке рекомендаций по выбору круглозвенных цепей при транспортировании ЖМК в зависимости от коэффициента тяги.

Результаты исследования рекомендуются к использованию научно-производственными предприятиями при ведении морских геологоразведочных и добычных работ.

По материалам диссертационной работы выигран грант в конкурсе Санкт-Петербурга для студентов, аспирантов, молодых ученых, молодых кандидатов наук 2011 г. «Обоснование характера движения рабочих органов с учетом присоединенной массы насыпного груза при добыче железомарганцевых конкреций Балтийского моря».

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований были представлены на научных конкурсах и конференциях в 2010-2012 гг.: XVI Санкт-Петербургской Ассамблее молодых ученых и специалистов, 9-ой и 11-ой международных научно-практических конференциях «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2011, 2013 гг.), Научной конференции в Центре Трансфера Технологии ЕМАО (г.

Катовице, Польша, 2012 г.); 7-й международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2011 г.), ежегодных вузовских конференциях студентов и молодых учёных «Полезные ископаемые России и их освоение» (Горный университет, г. Санкт-Петербург).

Личный вклад автора:

1. Проведен анализ технических средств для добычи ЖМК на морском

Дне;

2. Разработана математическая модель процесса взаимодействия гибкого тягового элемента с донным добычным устройством в процессе добычи железомарганцевых конкреций;

3. Разработана имитационная модель для проведения в лабораторных условиях экспериментов по установлению зависимостей скорости движения донного добычного устройства при различных погонных массах тягового элемента и коэффициентах тяги;

4. Проведены экспериментальные исследования по определению коэффициентов тяги для различных типоразмеров круглозвенных цепей, а также установлены скорости движения донного добычного устройства в функции времени;

5. Разработана методика выбора гибкого тягового элемента при транспортировании различных объемов груза для скреперов в условиях добычи твердых полезных ископаемых морского дна.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 1 статья в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получен 1 патент РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 110 наименования, 2 приложений, изложена на 143 страницах машинописного текста и содержит 71 рисунок, 11 таблиц.

Автор выражает особую благодарность за предоставленные консультации доценту кафедры Высшей Математики Национального минерально-сырьевого университета «Горный», кандидату математических наук Колтону Гарри Абрамовичу.

ГЛАВА 1 ОБЗОР И АНАЛИЗ МИНЕРАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ МОРСКОГО ДНА И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ ИХ ОСВОЕНИЯ

1.1 ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МАРГАНЦЕВЫХ РУД.

ЖЕ Л ЕЗОМАРГАНЦЕВЫ Е КОНКРЕЦИИ

Оценка перспектив развития и эффективности освоения минерально-сырьевой базы марганцовистой подотрасли металлургической промышленности России свидетельствует о том, что освоение месторождений суши не пок�