автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование рациональных параметров исполнительного органа установки для подводной добычи россыпных полезных ископаемых

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ НАЦИОНАЛЬНАЯ ГОРНАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ

БОИДАРЕНКО Андрей Алексеевич" - Си \ &

УДК 622.271.63

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА УСТАНОВКИ ДЛЯ ПОДВОДНОЙ ДОБЫЧИ РОССЫПНЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Специальность: 05.05.06 - 'Торные машины"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепропетровск - 2000

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена на кафедре горных машин Национальной горной академии Украины (г. Днепропетровск) Министерства образования и науки Украины.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Фрапчук

Всеволод Петрович, Национальная горная академия Украины (г.Днепропетровск)

Министерства образования и науки Украины, заведующий кафедрой горных машин Официальные оппопенты: доктор технических наук, профессор

Виноградов Борис Владимирович, Украинский государственный химико-технологический университет (г.Днепропетровск) Министерства образования и науки Украины, заведующий кафедрой теоретической механики и сопротивления материалов кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Взоров Анатолий Анатолиевич, Институт гео-технической механики национальной академии наук Украины (г.Днепропетровск), старший научный сотрудник отдела механики машин и процессов переработки минерального сырья Ведущая организация - Донецкий государственный технический

университет (г. Донецк) Министерства образования и науки Украины кафедра горных машин

Защита диссертации состоится -S2* ноября 2000 г. в 14 часов на заседании специализированного ученого Совета Д.08.080.06 при Национальной горной академии Украины (49027, г. Днепропетровск, пр. Карла Маркса, 19, т. 47-24-11)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национальной горной академии Украины Министерства образования и науки Украины (49027, г.Днепропстровск, пр. Карла Маркса, 19, т. 47-24-11)

Автореферат разослан октября 2000 г.

Ученый секретарь

Специализированного ученого Совета, _ /

кандидат технических паук ' О^^ущи-" A.B. Анциферов

1Z5-5-04Z-02,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из главных направлений национальной трограммы исследований и использования ресурсов Азово-Черноморского эассейна и других районов Мирового океана является создание тромышленно - технологических комплексов по добыче песков и илов с шватории Черного и Азовского морей. Наиболее перспективным, по комплексной оценке, которая объединяет значение для народного созяйства, геологическую изученность и прогнозные запасы, видом толезных ископаемых Азово-Черноморского бассейна являются строительный песок и песчано-ракушечные смеси.

Анализ и обобщение мирового опыта разработок подводных месторождений россыпных полезных ископаемых показывает »увеличивающийся интерес к подводным разработкам в развитых странах, имеющих выход к морю. Особенно это относится к добыче песка и "равия для строительных нужд. Для разработок применяются различные зиды грунтозаборных устройств, однако всем им присущи некоторые недостатки. Так подводная добыча россыпных полезных ископаемых с применением существующих конструкций грунтозаборников приводит к негативному воздействию на водную среду вследствие замутнения зодоема, уничтожения поверхностного слоя дна, богатого растительностью <1 микрофауной. При добыче грунтов из-под поверхности дна -рунтозаборное устройство, ввиду малоизученности протекающих в тоддонной зоне размыва процессов размыва и всасывания, работает не в национальном режиме. Таким образом, актуальность разработки методов эасчета рациональных параметров рабочего органа установки для экологически щадящей подводной добычи россыпных полезных ископаемых обусловлена потребностями народного хозяйства.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Тема диссертационной работы связана с научным направлением кафедры горных машин НГА Украины и госбюджетной темой ГП-210 "Обоснование жологически безопасных методов подводной добычи и транспортирования толезных ископаемых из акватории Азово-Черноморского бассейна и других районов Мирового океана" (1997-1999 гг.) номер госрегистрации Ма0197и016029.

Цель работы состоит в разработке методов расчета рациональных тараметров рабочего органа установки для экологически щадящей тодводной добычи россыпных полезных ископаемых.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие ¡адачи:

1.Обзор и анализ исследований размыва грунта водяной струей. Эбоснование расчетной схемы и метода расчета размеров поддонной зоны эазмыва. 2.Установление основных закономерностей процесса размыва грунта в поддонном забое и экспериментальное определение эмпирических коэффициентов. 3. Теоретические и экспериментальные исследования взаимодействия процессов размыва грунта и всасывания пульпы.

4. Разработка методики расчета параметров системы размыва рабочег органа установки для экологически щадящей подводной добыч россыпных полезных ископаемых.

Объектом исследования является процесс всасывания пульпь полученной в результате размыва несвязного грунта системо разнонаправленных турбулентных водяных струй, протекающий стесненных условиях под поверхностью дна, при добыче россыпны полезных ископаемых с глубин до 100 м.

Предметом исследования является система размыва рабочего орган; представляющая собой систему разнонаправленных форсуно! предназначенных для создания размывающих струй.

Идея диссертационной работы заключается в использовании теори струйных потоков и гидродинамических критериев подобия при расчет рациональных значений параметров системы размыва рабочего органа.

Методы исследований. Поставленные задачи решались путе: обобщения и анализа литературных источников, использовани комплексного метода исследований, включающего теоретическое : экспериментальное изучение, стандартных методов и критериев прикпадно] гидродинамики, анализа фактического материала, полученного в результат лабораторных исследований с внедрением основных результатов практику добычных работ. Экспериментальные исследования проводилис; в лабораторных условиях с использованием специально разработанно! установки. Обработка полученных данных и проверка адекватносп аналитических выражений осуществлялись на ПЭВМ в пакетах Excel i MathCad с использованием методов математической статистики.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Коэффициент расширения турбулентной затопленной водяно! струи, работающей по размыву грунта в стесненных условиях поддонной забоя находится в гиперболической зависимости от числа Рейнольдса i обратно пропорционален относительной крупности грунта.

2. Длина и ширина зоны размыва, • образовавшейся в результате работы турбулентной затопленной водяной струи в поддонном забое определяются соответственно критериями Рейнольдса и Фруда.

3. Максимальная производительность процесса выемки грунта и: поддонного забоя и стабильность его протекания достижима пру образовании пульпы с максимально возможной постоянной плотностью к при плавном, без обрушений, опускании грунта в зону размыва.

Научная новизна полученных результатов.

- Впервые установлено, что коэффициент расширения струи, истекающей в стесненных условиях поддонного забоя находится в зависимости от числа Рейнольдса и относительной крупности грунта.

- Установлены основные закономерности процесса размыва грунта затопленной водяной струей, отличающиеся тем, что они описывают процесс, происходящий в стесненных условиях поддонного забоя, а

расчеты геометрических размеров зоны размыва производятся с г!спользованием критериев Рейнольдса и Фруда.

- Установлено рациональное соотношение входящего потока воды и исходящего потока пульпы в зоне размыва при котором наблюдается максимальная производительность процесса выемки грунта и стабильность :го протекания. Зона размыва отличается тем, что она является замкнутой юной искусственного гидравлического массообмена.

- Разработан метод расчета параметров системы размыва рабочего рргана для поддонной выемки грунта, отличающийся тем, что в нем ^тено взаимодействие размывающих струй с массивом грунта и между :обой.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечиваются значительным объемом теоретических и жспериментальных исследований, хорошей сходимостью теоретических и жспериментальных значений коэффициента расширения струи и коэффициента средней скорости возвратного потока, что характеризуется уверительными интервалами ±8%, с доверительной вероятностью 95%, а также результатами испытаний рабочего органа опытно-промышленной вдбычной установки.

Научное значение состоит в определении параметров гидравлического разрыхления несвязных грунтов в стесненных условиях поддонного забоя, 5 установлении аналитической зависимости для определения коэффициента расширения струи, получении аналитических зависимостей, позволяющих зрогнозировать изменение геометрических параметров поддонной зоны размыва в зависимости от параметров струи, диаметра сопла форсунки и физико-механических свойств размываемого грунта, а также в обосновании рационального режима работы грунтозаборного устройства.

Практическое значение состоит в разработке научно обоснованной шженерной «Методики расчета параметров системы размыва рабочего >ргана установки для экологически щадящей подводной добычи гассыпных полезных ископаемых» и исходных требований на фое'ктирование рабочего органа добычной установки, в создании рабочего >ргана, спроектированного с использованием указанной методики.

Реализация результатов работы. Результаты выполненных ^следований использованы в научно-исследовательском и проектно-юнструкторском институте машиностроения для добычи твердых полезных юкопаемых Мирового океана - НИПИокеанмаш (г. Днепропетровск) - при гроектировании системы размыва рабочего органа установки для дологически щадящей добычи песка УЩДП-1.00.000, при промышленных [спытаниях рабочего органа ГР-2.00.000 в условиях речного 1есторождения песка; в закрытом акционерном обществе «Океанмаш -Стройматериалы» - при промышленных испытаниях и эксплуатации ■становки УЩДП-1.00.000. Методика расчета системы размыва рабочего |ргана внедрена в НИПИокеанмаш, где была использована для [роектирования системы размыва рабочего органа.

Годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы при промышленной добыче песка, в ценах 1998 г., ожидается в сумме 9360 грн.

Личный вклад автора: исследован процесс размыва несвязного грунта турбулентной водяной струей в стесненных условиях поддонного забоя и взаимодействие процессов размыва грунта и всасывания полученной пульпы; установлены критерии для моделирования процесса размыва грунта в поддонном забое и их вид; получены аналитические зависимости для определения геометрических параметров поддонной зоны размыва; создана лабораторная установка, проведены лабораторные исследования, определены численные значения эмпирических коэффициентов; установлен факт переменности значения коэффициента расширения струи при размыве грунта в стесненных условиях под поверхностью дна и получено аналитическое выражение для его расчета; обоснован рациональный режим работы грунтозаборного устройства со струйным транспортным насосом; создана инженерная методика расчета параметров системы размыва рабочего органа установки для экологически щадящей подводной добычи россыпных полезных ископаемых.

Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались на Международной конференции, посвященной 60-летию кафедры горных машин «Сучасш шляхи розвитку прничого обладнання i технологий переробки мшерально\" сировини» (г.Днепропетровск,1997); на международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня основания Национальной горной академии Украины «XXI столетие - проблемы и перспективы освоения месторождений полезных ископаемых» (г. Днепропетровск, 1998); на научно-техническом совете «Еколопчш проблеми та особливосп експлуатацп берегових об'екпв морегосподарського комплексу Украши» (г. Измаил, 1998); на международной научно-практической конференции «Рациональному использованию земли и океана современную технику и технологии» в НИПИокеанмаш (г.Днепропетровск, 1999).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 8 печатных работах, в том числе 5 — в научных специализированных изданиях.

Объем и структура работы. Диссертационная работа содержит 178 страниц машинописного текста и состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованных источников, включающего 82 наименования. Текстовая часть иллюстрирована 31 рисунком, содержит 4 таблицы и 8 приложений на 60 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первый раздел посвящен современному состоянию способов и средств для подводной добычи россыпных полезных ископаемых.

Рассмотрены типы, конструкции и эксплуатационно - технологические возможности механизмов для производства подводных горных работ при

разработке россыпных месторождений. В результате анализа выявлены недостатки механических снарядов и на примерах опыта применения гидравлических снарядов обоснована перспективность таких добычных устройств.

Обзор конструкций современных грунтозаборных устройств, анализ их преимуществ и недостатков позволили сделать вывод о том, что наиболее перспективным средством для разработки месторождений подводных россыпных полезных ископаемых является рабочий орган с гидравлическим разрыхлителем, применение которого позволяет добывать несвязный грунт

из-под поверхности дна, благодаря высоким показателям надежности и низкому уровню нарушения окружающей среды в процессе добычи. В качестве такого рабочего органа может быть использована конструкция разработанная в НИПИокеанмаш (рис.1). Этот рабочий орган позволяет разрабатывать песчаные и гравелистые грунты. В результате работы такого грунтозаборника полезное ископаемое, отделенное от забоя гидравлическим разрыхлителем, отсасывается в смеси с водой прямо из зоны размыва, находящейся под поверхностью дна. Таким образом, при разработке грунтов исключается замугнение водоема и нарушение целостности и структуры поверхности дна. Приведен обзор и анализ исследований и методов расчета гидравлических разрыхлителей, выполненных Б.М. Шкундиным, Д.В. Рощупкиным, Г.Н. Сизовым, И.М.Коноваловым, С.П.

Огородниковым, А.И.Хариным, П.П. Пуховым и др. Отмечено, что известные в настоящее время методики расчета гидравлических рыхлителей дают объективную информацию для их проектирования, однако не учитывают специфические особенности эксплуатации разрыхлителей при работе размывающей струи в условиях искусственного гидравлического лассообмена воды и пульпы, который возникает при добыче из-под юверхности дна. В известных методиках отсутствуют методы расчета, »снованные на теории подобия, хотя она широко применяется при юделировании струйных потоков. Поэтому актуальной является задача >азработки метода расчета гидравлического рыхлителя, применяемого при годдонном размыве грунта, и основанного на принципах идродинамического подобия.

эргана конструкции НИПИокеанмаш: 1-патрубок подвода зоды; 2- патрубок отвода пульпы; 3- межтрубное пространство; 4- подре-¡ающие форсунки; 5- бузящие форсунки;6-эжек-дионные форсунки; '-смесительная камера.

В результате обзора теоретических основ свободного всасывания грунтов и конструкции всасывающих наконечников, обоснована высокая эффективность глубинного всасывания "из-под слоя" как обеспечивающего более высокую консистенцию пульпы и, соответственно, более высокук производительность земснаряда. Поэтому актуальным является комплекс задач по разработке и усовершенствованию всасывающих наконечников, предназначенных для глубинной разработки грунтов, и выбор рационального режима их работы. В заключении раздела сформулированы задачи теоретических и экспериментальных исследований и методы их выполнения.

Второй раздел посвящен результатам теоретических исследований

процесса размыва грунта одиночной турбулентной затопленной водяной струей и всасывания пульпы в поддонном забое, Предложена модель взаимодействия

турбулентной осесимметричной струи несжимаемой жидкости с водонаполненной несвязной средой (рис.2). Согласно ей струя истекает из форсунки, заглубленной в массив, и совершает работу отрыва частиц среды, создавая тем самым зону размыва. При достижении скорости струи предельного значения, при котором она размывает массив, струя меняет направление и образует возвратный поток. Таким предельным значением скорости можно считать

размывающую скорость. Поэтому

взаимодействие струи с массивом приводит к образованию зоны размыва такого размера, при котором на ее границах устанавливается скорость потока, равная размывающей, а процесс, при котором возникли такие условия, является установившимся. Силовое взаимодействие одиночной турбулентной затопленной струи с массивом несвязной среды в поддонном забое рассмотрено на основе теоремы о количестве движения для секундной массы несжимаемой жидкости струи в сечении 0-0 и 2-2. В результате теоретического анализа установлена связь струйного потока двухфазной среды в поддонной зоне размыва с гидродинамическим критерием подобия - числом Рейнольдса, характеризующим отношение динамических сил струи к силам вязкости, возникающим при вязком трении жидкости струи, истекающей в пульпу. Число Рейнольдса получено в виде

Рис.2. Расчетная схема взаимодействия затопленной струи несжимаемой жидкости с водонаполненной несвязной средой.

где Vг.- скорость струи в сечении 0-0, м/с; Я- радиус струи в сечении 0-0, м;

При описании возвратного потока, образующего боковые поверхности зоны размыва и способствующего транспортированию вверх или поддержанию частиц фунта во взвешенном состоянии, установлена его зависимость от критерия Фруда, который характеризует отношение динамических сил к силам тяжести. Критерий Фруда определен в следующем виде

где ¿-длина зоны размыва, м.

Таким образом, произведенные теоретические исследования силового взаимодействия струи несжимаемой жидкости с массивом водонаполненной несвязной среды в стесненных условиях позволяют сделать заключение о том, что при выводе зависимостей и расчете коэффициентов для размывающей струи и струи возвратного потока необходимо воспользоваться соответственно критериями Ле и Рг.

На базе полученных результатов установлены аналитические зависимости для определения размеров поддонной зоны размыва. В результате допущения, что одиночная струя несжимаемой жидкости истекает из форсунки радиусом К в массив, средняя крупность частиц которого - с1Ср, форсунка помещена на глубину, при которой зона размыва

оказывается в замкнутом пространстве под поверхностью дна, фильтрация в зону размыва отсутствует и из соображений неразрывности потока, где количество жидкости струи, проходящее через сечение 0-0, за единицу времени равно ее количеству, проходящему через сечение 2-2 за то же время, получена зависимость для определения длины зоны размыва

где с - коэффициент расширения струи; V размывающая скорость

(является характеристикой грунта), м/с.

При оценочной обработке данных экспериментов установлено, что коэффициент расширения струи для стесненных условий поддонного забоя - величина не постоянная, как для затопленной струи, истекающей в неограниченное пространство, а переменная. Исходя из этого получено выражение для его определения в виде гиперболической зависимости от числа Яе

1дс ь'о- скиуисхь с

Уп- кинематическая

(3)

лср

где а,Ь,т - эмпирические коэффициенты; ® = —^—относительная крупность

частиц грунта; О - диаметр сопла форсунки, м.

Результатом анализа литературных источников и оценочной обработки экспериментальных данных явилось предположение, что кинематическая псевдовязкость, входящая в определение числа Рейнольдса, находится в зависимости от кинематической вязкости воды и крупности грунта

V„ =У

К,

^ср

с!г

\Р

+1

где V - кинематическая вязкость воды, м^/с, с!э- эталонная

(5)

крупность

грунта, принята 0,21мм; р, Ку - эмпирические коэффициенты.

Следует отметить, что концентрация твердого есть функция от размывающей скорости, которая, в свою очередь, зависит от крупности

размываемого грунта - с1Ср. Таким образом можно считать

1ср

обобщающим показателем, учитывающим и концентрацию твердого, что регулируется показателем степени р.

В качестве начальных условий для определения максимальной ширины зоны размыва принято, что одиночная струя несжимаемой жидкости, истекающая из форсунки с радиусом Я, отражается от забоя, находящегося на расстоянии Ь от сопла форсунки, и образует возвратный поток, формирующий границы зоны размыва. В результате вывода аналитического выражения для определения максимальной ширины зоны размыва на основании предположения о неразрывности возвратного потока получена зависимость

В = 2Я

Чи'

иР

1 + 1 к

(6)

где ¿-коэффициент средней скорости возвратного потока. Исходя из теоретических исследований силового взаимодействия струи возвратного потока со стенками зоны размыва и поддерживаемым во взвешенном состоянии грунтом, с учетом вида эмпирической зависимости, полученной в результате оценочной обработки экспериментальных данных, коэффициент средней скорости возвратного потока определен в виде гиперболической зависимости от числа Рг

*= — + /, ¿У

(7)

где е,/- эмпирические коэффициенты.

Исследование процесса выемки грунта из поддонного забоя позволило дать его описание, зафиксировать в виде фотографий, определить факторы,

<2пРп

<2нРв

влияющие на эффективность всасывания грунта из зоны искусственного гидравлического массообмена.

В результате проведения предварительных экспериментов установлено, что на эффективность всасывания грунта основное влияние оказывает отношение количества воды поступившей в зону размыва к количеству пульпы, отсосанной из нее. В связи с этим рассмотрен процесс всасывания разуплотненного грунта из поддонной зоны размыва с целью определения рационального соотношения расходов.

Процесс поддонной добычи грунта представлен в виде схемы (рис.3)

где введены обозначения: Qн - расход насоса, л?¡с; О.-^ - расход воды на эжекцию, м^/с; расход воды на размыв, м^/с; - расход грунта, поступающего в зону размыва и отсасываемого из нее, лс'/с; й3шр,- расход пульпы, отсасываемой из зоны размыва, л?¡с\ <2И - расход пульпы на выходе из рабочего органа, м^/с; рг - плотность разрыхленного грунта

100%, кг/мЪ;

рв - плотность воды, кг! м~ - Рз.р. ~ плотность

р„ - плотность

пульпы на выходе, кг/л? .

В результате экспериментальных

исследований установлено, что при подаче размывающей воды в зону размыва с расходом большим некоторого критического значения в зоне размыва образуется так называемый водный пузырь, который достигнув некоторого объема прорывается вверх вдоль рабочего органа. При этом концентрация пульпы в зоне размыва изменяется от минимальной, в конечной стадии образования водного пузыря, до максимальной - в момент выхода его на поверхность и обрушения кровли. При подаче размывающей воды в зону размыва с расходом меньшим критического значения установлено затухание процесса всасывания пульпы. Очевидно, что наилучшие условия для добычи из поддонной зоны искусственного гидравлического массообмена будут при подаче размывающей воды в зону размыва с расходом, соответствующим критическому. В результате решения уравнения сохранения масс в эжекционном рабочем органе получена зависимость для определения такого критического расхода размывающей воды в зону размыва г \

2эА

с относительной влажностью

г/Р ■

пульпы в зоне размыва, кг/м^;

Qз.pЛ

Р V

<2?Рв

Рис.3. Схема взаимодействия потоков воды и пульпы при поддонной выемке грунта.

бп=е

Оп^Р-Оэ Рв

-вг

Е±. рв

(В)

где е — коэффициент баланса массовых расходов.

Для удобства расчета рациональных параметров рабочего органа введем коэффициент расхода 8 в виде соотношения расходов размывающего и эжекционного потоков

В третьем разделе освещены лабораторные исследования размыва грунта и совместно действующих процессов размыва грунта и всасывания пульпы, протекающих в поддонной зоне искусственного гидравлического массообмена. Описана лабораторная установка, параметры которой были рассчитаны на основании данных экспериментов и аналитических зависимостей, полученных Д.В. Рощупкиным при исследовании поверхностного размыва грунта вертикальной турбулентной струей. При изготовлении элементов установки использованы известные методики расчета. Для произведения замеров исследуемых параметров применена стандартная метрическая аппаратура. Лабораторные, исследования проведены в соответствии с программой, разработанной на основании стандартных положений.

В результате обработки экспериментальных данных получены численные значения эмпирических коэффициентов в зависимостях для определения геометрических параметров зоны размыва. " Значения коэффициентов рассчитаны на персональном компьютере в пакете МаШСАБ с использованием метода наименьших квадратов. Графическое изображение теоретических зависимостей коэффициента расширения струи от числа Ле и коэффициента средней скорости возвратного потока от числа Бг представлены на рисунке 4 и рисунке 5, где знаками показаны

Рис.4. Зависимость коэффициента расширения струи от числа Ле при <1Ср= 0,21мм:

1—А 11=1 мм; 2-иЯ =1,25 мм; 3- • Я=1,5 мм; 4- х II =2,5 мм;

5- + Я =3 мм; 6- ♦ Я =5 мм; 7--с.

опытные значения указанных коэффициентов для различных радиусов форсунок. Графические зависимости длины и наибольшей ширины зоны размыва от скорости истечения воды из форсунки показаны

соответственно на рисунке 6 и рисунке 7, где их можно сопоставить с опытными значениями.

к 0,2 0,15 0.1 0,05

О 5 10 15

Рис.5. Зависимость коэффициента средней скорости возвратного потока от числа Рг при с1Ср-0,21мм:

1- А 11=1 мм; 2- мИ. =1,25 мм; 3- • 11=1,5 мм; 4-х И. =2,5 мм; 5- + Я = 3 мм; 6-*11=5 мм; 7--к.

На основании лабораторных исследований совместно действующих процессов размыва грунта и всасывания пульпы изучена физика процесса поддонной выемки грунта, что позволило описать поведение несвязного водонасыщенного грунта при его опускании в зону размыва и образовании воронки, определено численное значение коэффициента баланса массовых расходов.

к я

0,3

0.2

0.1 О

0 5 10 15 гоУ.яй

Рис. 6. Зависимость длины зоны размыва от скорости истечения

жидкости из форсунок различных диаметров при ¿ф=0,21мм:

1-А 11=1 мм; 2- ш!1 =1,25 мм; 3- • 11=1,5 мм; 4- х Я =2,5 мм;

5- + И =3 мм; 6- ♦ Л =5 мм; 1- 1^=1 мм; 2- 11,=1,25 мм;

3- К,=1,5 мм; А~ 1^=2,5 мм; 5- Я,=3 мм; 6- Л,=5 мм. Оценка точности полученных аналитических зависимостей произведена по известной стандартной методике. В результате :татистической обработки установлено, что погрешность теоретических ¡начений коэффициента расширения струи и коэффициента средней жорости возвратного потока с доверительной вероятностью 95% находится $ пределах 8%. Зависимости для определения геометрических параметров

Л

X к -*-т

В. к

0.3

0.2

0,1

6 Л ■г

У У У у ^^

у . х

0 5 10 15 ЮЧ.хЬ

Рис. 7. Зависимость ширины зоны размыва от скорости истечения жидкости из форсунок различных диаметров при йСр =0,21 мм:

1- АЯ=1мм; 2-■ 11=1,25 мм; 3- »11=1,5 мм; 4~хК=2,5мм; 5- + И=Змм; б- ♦ Я =5 мм; 1-1^=1 мм; 2-К,=1,25мм; 3- Я,=1,5 мм; 4- Еч=2,5 мм; 5- Я,=3 мм; 6- И<=5 мм. зоны размыва справедливы при условии, что материалом, размываемым струей, должен быть несвязный песок со средней крупностью частиц ¿Ср =0,1... 1,5 мм, при этом физика процесса размыва будет сохранена,

если зона размыва будет зоной искусственного гидравлического массообмена.

Четвертый раздел знакомит с методикой расчета параметров системы размыва рабочего органа установки для экологически щадящей подводной добычи россыпных полезных ископаемых.

Методика включает расчет гидроподъема, струйного насоса и параметров размывающих форсунок. Расчет параметров гидроподъема и струйного насоса предусматривается вести с использованием известных методик. В результате расчета определяются: производительность пульпы на выходе из рабочего органа, потери напора по длине трубопровода, расход рабочей воды через эжекционные форсунки, параметры эжекционных форсунок и водяного насоса.

С целью определения потребного расхода рабочей воды через размывающие форсунки рассмотрены вопросы механики грунта, вынимаемого из поддонной зоны размыва. Для рационального использования размывающей воды, осуществления забуривания, разрушения и насыщения грунта водой принята схема расположения форсунок на рабочем органе, в соответствии с которой общий поток размывающей воды разделяют на два: для бурения и подрезания. Распределение воды по указанным направлениям осуществляют посредством количества и диаметра форсунок, причем на бурение формируют поток, минимально необходимый для разрыхления грунта и создания зоны размыва размером, необходимым для забуривания рабочего органа, оставшийся поток направляют на подрезание.

1.1

Потребный диаметр бурящих форсунок определяют, решая систему равнений, в которую входят аналитические выражения для определения еометрических параметров зоны размыва

(10)

Потребную ширину зоны размыва, образованной одиночной струей, определяют при этом по формуле (рис.8):

"7-7р5~

бщ агаг\-

Л V КП

•де 5ш60°; KB = ^DfВро - диаметр рабочего

фгана, м; Df - диаметр расстановки форсунок на рабочем органе, м.

Поток, направляемый на бурение, предназначен для осуществления абуривания рабочего органа в грунт и размыва последнего. Бурящие форсунки располагают в торце рабочего органа. Использование годрезающего потока предусмотрено для насыщения водой и размыва рунта, опускающегося в зону размыва в процессе добычи полезного [скопаемого. Подрезающие форсунки размещают по периметру рабочего фгана и направляют горизонтально (рис. 1).

Диаметр подрезающих форсунок принимают равным диаметру >урящих форсунок и располагают их симметрично по периметру рабочего >ргана с целью равномерного размыва и насыщения водой грунта.

Инженерная методика представлена на примере расчета параметров :истемы размыва рабочего органа установки для экологически щадящей юбычи песка.

В центре внимания пятого раздела результаты испытаний фомышленного образца рабочего органа и добычной установки в целом и речном месторождении строительного песка.

Приведена характеристика месторождения, климатические условия фоведения испытаний, состав испытательного комплекса. Изложена методика

испытаний и результаты замеров экологического состояния района добычи. Установлено, что производительность установки по твердому составила 80...85 т/час, что на 10% больше показателя производительности для установки, в которой использовался ранее сконструированный рабочий

Рис.8. Схема формирования зоны размыва:

1- граница зоны размыва, образованной одиночной форсункой;

2-торцевая часть рабочего органа;

3-размывающая форсунка;

4- сосун рабочего органа.

орган. Несмотря на уменьшение количества бурящих форсунок с 6 до 3 шт скорость забуривания рабочего органа сохранена на уровне 0,2...0,3 м/мин, что соразмерно скорости забуривания рабочего органа с предыдущим набором форсунок. Повышение производительности достигнуто за счет рационального перераспределения пропорции между размывающим и эжекционным потоками в рабочем органе при прочих равных условиях.

Исследования экологического состояния района добычи, проведенные параллельно с испытаниями технологического оборудования, показали, чтс по сравнению с традиционными способами гидромеханизации землесосными снарядами при добыче грунтов экологически щадящим методом прозрачность воды в зоне добычных работ увеличилась в 6 раз, количество фитопланктона зафиксировано в 2,5...3 раза больше, объем донной фауны сохранился на уровне 90...95% от первоначального.

Результаты, полученные при апробации добычного оборудования, г также исследования экологического состояния в районе добычных работ позволяют считать представленный способ подводной добычи россыпных полезных ископаемых как высокоэффективный и перспективный.

По результатам маркетинговых исследований рынка строительных материалов северного Причерноморья и Автономной Республики Крым

оценена перспективность применения установки для экологически щадящей добычи при морских разработках россыпных полезных ископаемых.

ВЫВОДЫ

Диссертация является завершенной научно - исследовательской работой, в которой на основании результатов теоретических и экспериментальных исследований дано решение актуальной научной задачи, заключающейся в разработке методов расчета рациональных параметров рабочего органа установки для экологически щадящей подводной добычи россыпных полезных ископаемых.

Основные научные результаты, выводы и рекомендации:

1. Установлено, что при поддоном размыве грунта критерием для моделирования размывающей струи является число Рейнольдса, для потока возникающего при возвратном движении жидкости из зоны размыва -число Фруда. Получен вид критериев Рейнольдса и Фруда для данных условий работы струи.

2. Определены закономерности взаимодействия струйного потока с массивом грунта при поддонном размыве, которые позволили установить аналитические зависимости для определения длины и ширины зоны размыва. Получены численные значения эмпирических коэффициентов, входящих в эти зависимости.

3. При поддонном заборе грунта его всасывание ведется из зоны движения, находящейся над всасывающим отверстием, причем максимальная скорость тока грунта в зону размыва зафиксирована на внутренней границе зоны движения, а минимальная скорость - на наружной. Установлено, что концентрация твердого в пульпе максимальна, а процесс добычи устойчив при подаче размывающей воды с расходом, соответствующим критическому значению, при котором в зоне размыва устанавливается рациональное соотношение расходов входящих и исходящих потоков.

4. Созданная экспериментальная лабораторная установка позволяет изучать взаимодействие струи жидкости с массивом несвязного материала и работу грунтозаборного рабочего органа с гидромониторным разрыхлителем в условиях поддонного забоя.

5. Достоверность теоретических посылок, полученных аналитических зависимостей и приемлемость их для практических расчетов подтверждена следующими данными: среднеквадратическая относительная погрешность отдельных измерений от расчетных значений для коэффициента расширения струи составляет соответственно средним крупностям размываемого песка: с1ср= 0,21 мм - 14,49% и <1Ср =0,31 мм - 12,49%, для

коэффициента средней скорости возвратного потока соответственно при с1ср =0,21 мм- 16,38% и при с1ср =0,31 мм - 17,87%. Погрешность значений

полученных коэффициентов с доверительной вероятностью 95% не превышает 8%.

6. Применение результатов исследований при проектировании и эксплуатации рабочего органа позволило создать условия для повышения производительности добычной установки на 10%. Это было достигнуто за счет рационального перераспределения пропорции между размывающим и эжекционным потоками в рабочем органе при прочих равных условиях.

7. Система размыва рабочего органа, спроектированная с использованием методов расчета, разработанных в диссертационной работе, содержит в два раза меньшее количество бурящих форсунок. Скорость забуривания рабочего органа ГР-2.00.000, установленная в результате промышленных испытаний установки УЩДП-1.00.000, составляет 0,2...0,3 м/мин, что соразмерно скорости забуривания рабочего органа с предыдущим набором форсунок.

8. Годовой экономический эффект, полученный за „счет внедрения результатов диссертационной работы, при промышленной разработке песка, в ценах 1998 г. ожидается в сумме 9360 гривен.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Обоснование экологически приемлемого пути создания средств для подводной добычи песка/В.П.Франчук, Е.С.Запара, А.А.Бондаренко, А.П.Зиборов,А.П.Бордий//Металург. и горнорудная промышл.-1997.-№2.-С.З-5.

2. БондаренкоА.А. Обоснование параметров экспериментальной установки для исследования процессов подводного размыва и отсасывания песка//Вибрации в техн. и технол.-1998.-№4.-С.34-35.

3. Франчук В.П., Запара Е.С., БондаренкоА.А. Исследование процесса подводного размыва песка в стесненных условиях//Вибрации в техн. и технол.-1998.-№4.-С.36-37.

4. Франчук В.П., Запара Е.С., БондаренкоА.А.Определение размеров зоны размыва грунта, образованной форсункой, заглубленной под поверхность дна//Сб. научн. трудов НГАУкраины.-1998.-№3.-Том 6.-С.146-151.

5. Кухарь В.Ю., Запара G.C., Бондаренко А.А.Испытания технологического оборудования для экологически щадящей добычи песка из подводных месторождений//Вестник НГА Украины.-1998.-№2.-С.9-11.

6. К вопросу о рациональной технологии выемки подводных россыпных полезных ископаемых/В.П. Франчук, Е.С. Запара, A.A. Бондаренко, А.П.Зиборов//Вестник НГА Украины.-1999.-№6.-С.12-15.

7. Добыча строительных песков и других россыпных полезных ископаемых в прибрежной зоне Азово-Черноморского бассейна по экологически щадящей технологии/А.П. ЗиборОв, В.Ю. Кухарь, В.П. Франчук, Е.С. Запара, A.A. Бондаренко//Материалы научно-технического совета "Экологические проблемы и особенности эксплуатации береговых обьектов морехозяйского комплекса Украины". Вестник Украинского дома экономических и научно-технических знаний.-1998.-№2.-С.45-46.

8.0 рациональной схеме расположения добычных воронок при ямочной технологии разработки россыпных месторождений полезных ископаемых/ В.П. Франчук, Е.С. Запара, А.А. Бондаренко, А.П. Зиборов/ЛГезисы докладов международной научно-практической конференции «Рациональному использованию земли и океана современную технику и технологии»,-Днепропетровск.-1999.-С.32.

Личный вклад соискателя в работы, опубликованные в соавторстве: [1]-анализ существующих устройств для подводных разработок россыпных полезных . ископаемых; [3] - разработка методики экспериментальных исследований, проведение экспериментов, обработка полученных данных;

[4] - установление аналитического выражения для определения длины зоны размыва и получение численных значений эмпирических коэффициентов;

[5] - участие в экспериментальной добыче песка и при обработке полученных данных; [6] - вывод зависимостей для определения коэффициента выемки россыпного полезного ископаемого; [7] - анализ исследований расширения ресурсных возможностей за счет запасов песка Азово-Черноморского бассейна; [8] - сравнение двух технологических схем подводной добычи россыпного полезного ископаемого.

АНОТАД1Я

Бондаренко А.О. Обгрунтування ращональних параметр1в виконавчого органа приладу для шдводного видобутку сипких корисних копалин. -Рукопис.

Дисертацш на здобуггя наукового ступеня кандидата техтчних наук за спещальтстю 05.05.06 - "прнич! машини". Нащональна прнича академ1я Украши, Дншропетровськ, 2000.

Дисертац1ю присвячено питанию розробки методш розрахунку рацюнальних параметр1в робочого органу установки для еколопчно ощадпивого шдводного видобутку розсипних корисних копалин. Обгрунтовано перспектившсть застосування rpyHTO3a6ipHoro пристрою з пдравл1чним роздушувачем, що да с можливкть виймати грунт з-пщ поверхш дна при лщводному видобутку розсипних корисних копалин з глибин до 100 м.

Досдщжено процес розмиву незв'язного грунту водяним струменем у ;тислих умовах ладонного вибою та взаемодга nponeciB розмивання грунту i всмоктування одержано'1 пульпи. В результат! теоретичних та :кспериментальних досл1джень отримано анал{тичн1 залежност1 для зизначення геометричних параметр1в п1дцонноТ зони розмиву, а також шалкичш вирази, яи дозволяють рацюнал1зувати процес внимания грунту зобочим органом Í3 струминним транспортним насосом.

Розроблено шженерну методику розрахунку параметр!в системи розмиву зобочого органу. Здгйснено ycnimHe промислове випробування робочого )ргану, систему розмиву якого спроектовано з використанням дано'Г методики.

Ключов1 слова: пщводний видобуток, еколопчно ощадливий метод, юбочий орган, п1ддонне виймання, пдравл1чне розпушення, незв'язний рунт, зона розмиву.

АННОТАЦИЯ

Бондаренко A.A. Обоснование рациональных параметро исполнительного органа установки для подводной добычи россыпны: полезных ископаемых. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технически: наук по специальности 05.05.06 - "горные машины". Национальная горна академия Украины, Днепропетровск, 2000.

Диссертация посвящена вопросу разработки методов расчет рациональных параметров рабочего органа установки для экологичесю щадящей добычи россыпных полезных ископаемых. На основани: аналитического обзора обоснована перспективность применени грунтозаборного устройства с гидравлическим рыхлителем, позволяющей вынимать грунт из-под поверхности дна при подводной добыче россыпны: полезных ископаемых с глубин до 100м.

Исследован процесс размыва несвязного водонасыщенного грунт турбулентной водяной струей в стесненных условиях под поверхность!! дна и взаимодействие процессов размыва грунта и всасывания пульпы. I результате силового анализа установлены критерии для моделировани. размывающей струи и потока, возникающего при возвратном движенш жидкости из зоны размыва, а также получен их вид. Выведень аналитические зависимости для определения длины и ширины поддонно! зоны размыва при воздействии на грунт вертикальной турбулентно! водяной струи. Установлен факт переменности коэффициента расширена струи при размыве грунта в стесненных условиях поддонного забоя i получено аналитическое выражение для его расчета. Выведена такж! аналитическая зависимость для определения коэффициента средне! скорости возвратного потока. В результате анализа совместно действующи; процессов размыва грунта и всасывания пульпы в поддонном забо* установлены факторы влияющие на эффективность добычи при поддонно! выемке. Получены выражения, позволяющие рационализировать процес* выемки грунта рабочим органом со струйным транспортным насосом.

Создана лабораторная установка, на которой проведень экспериментальные исследования в соответствии с разработанное методикой. В ходе лабораторных исследований, для выяснения обще! физической картины, проведена работа по визуальному наблюдению i описанию процесса размыва грунта и взаимодействия процессов размыв! грунта и всасывания пульпы. В результате обработки экспериментальны? данных на ПК определены численные значения эмпирически; коэффициентов и обоснована достоверность полученных результатов.

На базе выполненных- исследований разработана инженерна) методика расчета параметров системы размыва рабочего органа установи для экологически щадящей подводной добычи россыпных полезны? ископаемых. Методика включает расчет гидроподьема, параметро; струйного насоса и собственно системы размыва. Расчет параметра

гидроподьема и струйного насоса предусмотрено вести с использованием известных методик. При расчете системы размыва применены зависимости для определения геометрических параметров зоны размыва, выведенные ранее. Инженерная методика представлена на примере расчета параметров системы размыва рабочего органа установки для экологически щадящей добычи песка. Разработанная методика внедрена в НИПИокеанмаш, где была использована при проектировании рабочего органа опытно-промышленной добычной установки. При ее испытаниях на речном месторождении строительных песков установлено повышение производительности на 10% по сравнению с вариантом применения ранее сконструированного рабочего органа. В результате сравнительного исследования экологического состояния района добычи установлено значительное снижение ущерба, наносимого окружающей среде, по сравнению с традиционными способами гидромеханизации. Расчетный экономических эффект, ожидаемый при промышленной разработке строительного песка на речном месторождении, полученный за счет внедрения результатов диссертационной работы составляет, в ценах 1998г., 9360 грн. за год.

Ключевые слова: подводная добыча, экологически щадящий метод, рабочий орган, поддонная выемка, гидравлическое разрыхление, несвязный грунт, зона размыва.

SUMMARY

Bondarenko А.А. Grounding rational parameters of the working body of unit for submarine production of the alluvial minerals. - Manuscript.

Thesis for the application of the Candidate of Technical Sciences degree on speciality 05.05.06 - "Mining Machines". National Mining University of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2000.

The thesis is devoted to the question of development of methods for accounting ■ational parameters of the working body of unit for ecologically sparing extraction of llluvial minerals. The perspectives of using the ground-extraction body with lyd'raulic loosener, allowing to take ground from under a bottom surface during ;ubmarine mining of alluvial minerals from depths up to 100m, are grounded.

The process of incoherent ground loosening by a water jet in constraint :onditions under bottom surface and interaction of processes of ground loosening and >ulp suction are investigated. As a result of theoretical and experimental researches, he analytical expressions for determining geometrical parameters of underbottom oosening zone and also the analytical expressions allowing to rationalize the process if ground extraction by the working body with a jet transport pump are obtained.

The engineering technique for calculation of a working body loosening ystem's parameters is developed. The loosening system of the new working body is esigned with use of the mentioned technique. The successful industrial tests of the /orking body are conducted.

Key word: submarine production, ecologically sparing method, working body, nder-bottom extraction, hydraulic loosening, incoherent ground, loosening zone.