автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.11, диссертация на тему:Повышение эффективности гидротранспортных систем на основе оптимизации параметров высоконапорных камер загрузочных аппаратов

"г0 од

- '»-ЛПЬ'-ШОЛ---------

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГТОНСГСРЛ32ЦДСЧН,ЛЗ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

МАКСЮТОВ Малик Сабигович

УДК. 622.692.4

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОТРАНСК „ЛТНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ОПТИМИЗАЦИИ ПАРАМЕТРОВ ЗЫСОКСНАПОРНЫХ КАМЕР ЗАГРУЗОЧНЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05 15.11 - физические процессы горного производства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой стзпени кандидата технических наук

МОСКВА 1994

Работа выполнена на кафедре высшей математики и математи ческого моделирования и кафедре разработки россыпных мес торождений МОСКОВСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ГЕОЛОГО РАЗВЕДОЧНОЙ АКАДЕМИИ

Научные руководители:

Член-корр. РАЕН,

д. ф. - м. н. , проф. Тумаркин Г. Ц.

д. т. н.. , проф. Дробаденко В. П.

Официальные оппоненты:

д. т. н. , проф. Малухин Н. Г. к. т. н. Мазуров А. А.

Ведущее предприятие - институт ГИРЕДМЕТ

Защита состоится -Ж.- -эхШ " 1994 г. в......час......мин в аудита

рmhÚ.S.Ü. на заседании специализированного совета Д. 063 .55. 02 в МОСКОВСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНОЙ АКАДЕМИИ по адресу: 117873, Москва ул. Миклухо-Маклая, 23 А

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГА.

Автореферат разослан '2/.." 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета к. т. н. , доц. Андреева Г. С.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность Робогы-Совершенствовоние технологии розроботки

месторождений месторождений полозних исколоемых на основе применения перспективных исправлений , позволяющих существенно уменьшить

энергетические затраты на добычу, становится важней задачей в условиях экономической нестабильности и энерго7ичосх;ото кризиса, наблюдаемого^) настоящее время в странах СНГ .К ним относится технология , разработки месторождений с примененном ¡./¿рогранашрю полезных ископаемых на значительные расстояния.

Проблема транспортирования пород актуальна прежде всего для

редкометальных россыпных месторождений в связи с их разбросанностью, расположением вне производственных участков технологического передела, отдаленных обычно на 5-10 километров.

Кроме того, с увеличением глубины открытой разработки месторождений гидромеханизированным способом возникают определенные трудности выполнения горных работ , при этом скорейшего решения требуют вопросы эффективного применения гидротранспортных комплексов , повышение к.пл. оборудованя .

В связи с возросшими экологическими требованиями, необходимостью рекультивации на площадях, ранее затронутыми горными работами, чрезвычайно актуальна и задача траспортирования отходов обогащения для заполнения выработок прошлых лог, отстоящих на расстояния свышо 5 километров от действующих объектов. Применяемые в настоящее время

варианты с использованием традиционных грунтонасосных сисгем оказываются малоэффективными для значительных расстояний транспортировки, к тому же они достаточно громоздки, и требуют значительных затрат но обслуживание и ремонт оборудования.

Оценка результатов испытаний различных конструкций гидротранспортых установок с загрузочными аппаратами показывают эффективность применения камерных питателей обменного типа. Однако, несмотря на множество разнообразных конструкций загрузочных аппаратов, они не пригодны для месторождений с малым сроком отработки , так как в большинстве своем имеют сложную и громоздкую конструкцию, предназначенную в основном для стационарных, долго действующих на одном месте агрегатов.

Для условий разработки редкометалльных месторождений в МГГА был разработан и апробирован специальный тип загрузочного аппарата, с новым способом образования гидросмеси. Способ и аппарат отвечают следующим основным требованиям: компактная и простая конструкция, допускающая быструю и нетрудоемкую перестановку, возможность загрузки материала как в сухую, так и виде пульпы; износостойкость элементов его конструкции, эффективность транспортирования на 5-10 км крупнокускового материала. Аппарат прошел опробацию на различных горно-обогатительных предприятиях СНГ и в Шотландии.

Однако, анализ опытно-промышленных испытаний конструкций загрузочных аппаратов позволил сделать вывод о необходимости исследования прочностных свойств рабочих камер аппаратов,

обуславливающих подачу высоконасыщенной гидросмеси на значительные расстояния единичным агрегатом.

Отметим также, что характеристика в литературе гидротранспортных установок с загрузочными аппаратами ограничивается лишь в основном технологическими параметрами, тогда как прочностные свойства являются, очевидно, одним из наиболее важных факторов, обуславливающий прежде всего дальность гидротранспорта и его энергоемкость.

Таким образом основные требования предъявляемые к рабочей камере загрузочного аппарата это компактность и надежность. Следовательно из чисто технологической проблемы использования загрузочных

аппаратов, следует механическая и математическая задачи увязки прочностных характеристик оболочек камер с соображениями технологии работы гидротранспортной системы.

Учитывая сказанное выше, можно отметить, что разработка и обоснование надежных конструкций рабочих камер для загрузочных

аппаратов с вихревым способом образования гидросмеси с целью повышения эффективности технологии гидромеханизированных работ при разработке редкометалльных россыпных месторождений является актуальной

научно-технической проблемой

Целью настоящей работы является повышение эффективности гидротранспортирования редкометалльных пород загрузочными аппаратами на основе улучшения прочностных свойств загрузочно-обменных камер.

Основная нлея диссертационной работы заключается в том, что для гидротранспортирования редкометалльных пород на значительные расстояния ( 5 -10 и более км ) единичным агрегатом необходимо обеспечить высокие прочностные характеристики загрузочно-обменных емкостей камерных питателей за счет придания им особой формы.

Предлагаемая торообразная форма рабочей камеры гидротранспортного аппарата с вихревым пульпообразованием благодаря своим высоким прочностным характеристикам и особой конфигурации способно

улучшить гидродинамические условия формирования высоконасыщенной пульпы и транспортировать твердый материал на значительные расстояния с минимальными затратами энергии.

Метопы исследования Анализ конструкций загрузочных аппаратов, математическое моделирование и расче.тно-аналитические методы расчета напряженно-деформированного состояния , численные методы,

опытно-промышленные исследования.

Научные положения разработанные автором.

1. Установлено, что для гидротронспортирования высоконасыщенной гидросмеси на значительные расстояния загрузочными аппаратами с вихревым пульпоприготовлением и для повышения их надежности целесообразно использовать загрузочно-обменные камеры торообразной формы.

2. Установлено, что методами исследования напряженно-деформированного состояния рабочих камер загрузочных аппаратов являются методы ортогональной прогонки и криволинейных сеток.

Научная новизна работы:

1. Впервые аналитически и экспериментально обоснована эффективность использования в гидротранспортных установках с вихревым пульпообразованием при гидромеханизированной разработке

рсдкомоталльных россыпных месторождений загрузочно-обменных камор тороидальной формы.

________2________,------Разработаны-------методы- численного---------- - исследования

напряженно-деформированного состояния рабочих камер тидротранспортных упановок с вихровым пульпооброзованиом использующие решение- систем дифференциальных уравнений для плоского и двумерного случая

3. Разработаны методы численной аппроксимации гранулометрического состава пород на ЭВМ для расчетов параметров гидротранспорта по различным методикам .

4. Установлены зависимости удельной знор!оемкости тидротронгпорт нровения редкомеголльных пород загрузочными аппаратами от

производительности, плотности и дальносж подачи высоконасыщенных гидросмесей на основе моделирования характеристик транспортируемого маюриала на ЭВМ

Постопериость научных положений и результатов, выводов и рекомендаций диссертационной работы обосновано достаточным обьемом численных , аналитических и экспериментальных исследований, сходимостью численных решений. Ряд выводов подтвержден в производственных условиях.

В процессе выполнения диссертационной работы использовалось мощное программное обеспечение, включающее систему автоматического проектирования AUTOCAD® , математический пакет IMSL, комплекс программ МЕКРИС2, оптимизирующий компилятор NDP FORTRAN, а также программное обеспечение MS WINDOWS® и AMIPRO®.

Практическая ценность работы.

1. Обоснована и испытана новая конструкция упрочненных камор загрузочного аппарата тороидальной формы, позволяющая значительно увеличить дальность гидротранслортирования высоконасыщенной пульпы..

2. Обоснована необходимость использования дифференциальных уравнений шестого порядка для расчета НДС тороидальной камеры.

3. Предложено программное обеспечение для анализа транулометрического состава в различных методиках расчета параметров гидротранспортировония твердых материалов.

Апообаиия работы. Материалы докладывались на семинаре по прочности оболочек в Институте проблем механики в г. Москве в декабре 1988 г, на международной конференции "Автоматизация научных исследований в геологии, горном деле, экологии и медицине" . Москва, в апреле 1991 года. На международной конференции "Применение математических методов и компьютерной техники в геологии, гоном дело, металлургии и сможных областях", Москва , в июне 1993 года, на нсучных

конференциях МГРИ в 1989 - 92 гг.

Реализоиия работы. Некоторые результоты исследований внедрены при проектировании гидротранспортного комплекса институтом "Гиредмег" на Верхне-Днепровском горно-обогатительном комбинате.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликованы 4 печатные работы, вылущено 3 отчета по НИР.

Объем работы Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка использованной литературы из наименований и приложений. Работа изложена на страницах машинописного текста, содержит рисунков и

таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Как известно, гидромеханизация горных работ является прогрессивной технологией, эффективность которой подтверждена многолетней практикой в различных отраслях промышленности. Однако технологические возможности средств гидромеханизации на многих предприятиях не отвечают современным требованиям и используются недостаточно эффективно. Небольшие расстояния транспортирования, повышенный удельный расход воды на пульпоприготовление и, как следствие, подача гидросмеси незначительной концентрации повышают удельную энергоемкость процесса гидротранспортирования.

Применяемые в настоящее время фунтовые насосы характеризуются низкими напорами ( менее 1 мПа), и небольшим рабочим ресурсом (порядка 300 - 500 часов), что обуславливает установку по трассе дополнительных перекачных станций , а также интенсивный гидроабразивный износ .

Другим типом гидротранспортных устройств , принципиально отличающимися

КАПЛЕОБРАЗНАЯ

ТОРООБРАЗНАЯ

ТОРОИДАЛЬНАЯ

Рис.1

от грунтовых насосов тем, что 6 них исключен гидроабразивный износ напорного агрегата, являются загрузочные аппараты (камерные питатели). Вводимое в трубопровод твердое не контактирует с рабочими деталями аысоконапорного водяного насоса .

Загрузочные аппараты обладают значительным запасом по рабочему напору, величина которого ограничивается только возможности водяного насоса. В зависисости от принципа действия, они формируют и транспортируют гидросмесь повышенной консистенции, что положительно сказывается на энергоемкости процесса гидротранслортирования.

Однако, несмотря на имеющийся опыт эксплуатации , до настоящего времени загрузочные оппараты еще не нашли широкого применения на

предприятиях Это снязоно с норозрошенностью вопросов стабильной и надежной разгрузки камер с точки зрения плотности формируемой гидросмеси,-инструктивной сложности отдельных.- узлов, выноса "твердо! о материала в процессе зогрузкм и пр.

Загрузочные аппарат* работают я условиях поаышенчиг. наборов, что <>рею.имшо1 жесткие требевония ». конструкции и прм*»вняомсм оборудовании Кроме того, при гидромеханизированной разработке ооссыпних мссгсрсжцений, загрузочный еппарот должен бить мобильным и допускать i j с г сую и нетрудоемкую перестановку.

Вопросом анализа и совершенствования загрузочных аппаратов поатшг-ны работы (Офино А. П., Коржаоча С. А., Смслдырова А. Е., Дмитриева ¡. ¡1., Шкундина А. И. , брюховоцкого О, С., Дробаденко в. П. и др. Известны конструкции разработанные ИГД им. А. А. Скочинсклго ."ri;Y"t, Сибгилрогормаш, Днвпоогтрочт^^ ЛПч, У»^1ЙИп«яроуп!Я, Гидроооо«*точ '( -- I !ред.чожеы;ий MfiA загрузочный аппарат с вихревым

способом образования гидросмеси позволяет транспортировать высоконасыщенную гидросмесь стабильной плотности на значительные расстояния. Новизна вихревого способа пульпаобразоаания заключается в том, что рабочим атентом для приготовления и подачи

высоконасыщенной гидросмеси является коаксиальный закрученный поток воды, который формируется в специальной камере за счет тангенциального подвода к узлу разгрузки или аксиального лопаточного завихрителя.

Камеры аппарата благодаря своей особой тороидальной форме , позволяют производить надежную разгрузку твердого материала, так ког процесс вихревого пупьпообразоэанио ротипается лишь в узко-локальной области зегрузочно-обменной камеры. Кроме того, конструкция аппарата позволяет быструю и нетрудоемкую перестановку.

Однако, результаты опытио-промышленных испытани . при

тидрстранспортировании редкомотолльных пород оыяеили необходимость анализа прочностных характеристик зеттрузочно-обменнцх камер и повышения их надежности . Следовательно, народу с технологически/ли, основными требованиями предъявляемыми к зофузочным аппаратам являются прочность, «.омпактнооь и мобильность

Таким образом, для достижения намеченной а работе цели необходимо решить следующий ряд задач.

- анализ прочностных характеристик рабочих хомер загрузочных аппаратов;

- аналитическое обоснование эффективности использования л > И«р01ронспортных установи'» JOI суэочно-обмонных КО'ЛСр

с формой , отличной от применяющихся;

- разработка методики численного моделирования, позволяющей выбрать оптимальную форму и конструктивные параметры камер загрузочных аппаратов по их прочностным характеристикам,

- выявление зависимости -/р.смы-'.о^ энергоемкости ждротранспортирснания рг^дкомоталльных пород при использовании загрузочных аппаратов вихрчпою нульгюприготовлянич от расстояния транспортирования, производительно

сти , и плотности гидросмеси,

С целью обоснования применения загрузочно-обменных камер с формой, отличной от существующих были проанализированы прочностные свойства загрузочно-обменных камер аппаратное, применяемых в промышленности представленных обычно цилиндрической формой

Напряженно-деформированное состояние такой каморы хорошо

изучено и достаточно полно описывается так называемыми "котельными формулами." Применение камер других форм, таких как, например,

сфера кажется более эффективным, так кок напряженно-деформированное состояние такой камеры наиболее оптимальное

. Анализ показывает, что применение их в качестве камеры загрузочного аппарата неприемлемо из-за значителного объема "мертвых" зон, когда большоя часть твердого материала остается невыгруженной

,ввиду специфики гидродинамических условий разгрузки аппаратов. При этом изготовление такой оболочки довольно трудная технологическая задача. В связи с этим возникает необходимость применять составные оболочки, позволяющие работать разгрузочному узлу аппарата в условиях равномерной подачи материала в трубопровод под действием силы тяжести непосредственно к узлу, в локализированной зоне пупьпообразования вблизи узла разгрузки. С этой точки зрения цилиндрическая форма оболочки, состыкованная с оболочкой другого типа(например, конус у аппаратов АЗП-1, АЗВ -25), ш ироко применяется в конструкциях загрузочны х аппаратов.

Среди применяемых в настоящее время камерных загрузочных аппаратов наиболее распространены составные цилиндрические оболочки с различными типами полусферических или конических днищ, подкрепленные ребрами жесткости в местах стыка. Для их расчета применяют известные методики.

Напряженно-деформированное состояние (НДС) такой подкрепленной камеры считается определенным в основном цилиндрической частью, усилия в которой принимаются прямо пропорциональными радиусу срединной поверхности. Известно, что чем больше емкость питателя ,тем больше радиус камеры и тем больше усилия возникающие в камере. Поэтому приходится строить гидротранспортную систему из отдельных загрузочно - обменных камер меньшего объема , связанных между собой трубопроводами с системой клапанов и вентилей и работающих по сложному циклу, либо проводить трудоемкие мероприятия по дополнительному упрочнению рабочей камеры. Так, например камеры у питателя БП устанавливаются под землей и жестко бетонируются . Очевидно, что эксплуатация многокамерных гидротранспортных систем неэффективна прежде всего из-за большого количества запорной арматуры, которая значительно снижоет надежность системы в целом. Использование гидротранспортных систем подобных БП-1 неприемлемо для разработки редкометалльных месторождений и месторождений с малым сроком отработки.

Для загрузочного аппарата с вихревым пульпообразоеанием рассматриваются другие формы камер, ввиду специфики гидродинамических условий пульпообразования. В частности, тороидальная камера позволяет формировать высоконасыщенную гидросмесь стабильной плотности , горообразная камера , помимо высоких гидродинамических характеристик, позволяет значительно увеличить обьем рабочей камеры, благодаря наличию цилиндрических частей. Кроме того, при одинаковом объеме и габ аритных

размерах усилия в цилиндрических частях каморы меньше чем у применяемой.__________

г* промышленности цилиндрической камеры. Каплеобразная - камора тпк*е способна улучшить гидродинамические условия" разфузки гчердею материала, ввиду схождения, камеры-под конус с вершиной у уэло разгрузки , чю долаот

____процесс пульпооброзования более устойчивым. Тили рассматриваемых кампр

показаны на рис. 1

Детали конструкций имеющих по технологическим требованиям тороидальную форму часто используются в машиностроении. Поэтому дтп расчета шких оболочек существуют известие методики Вопроса// исследования панряженно-яефермированното состояние тороидальных оболочек псспящоио много работ, в их число работы А. Я. Аронсона, В. Л. Бидермана, С. В. Бояршинопо, В. Н. Булгагова, К. Ф. Мерных и др.

Однако задача расчета напряженно-деформирсааиного состояния круговой тороидальной камеры не имсо: ино"итг'!ос.*ого разрешения в случае строго моментной иосюновги плоской осесимметричной задачи НДС, ввиду трудности инюгрировония системы дифференциальных уравнений с переменной матрицей .

В этом случае приходится прибегать к упрощающим постановкам: безмоментной, в виде хорошо известного решения Феппля, либо разбивать напряженно-деформированное состояние но основное (безмоментное) и краевой эффект. Поэтому возникает необходимость в применении численных методов, позволяющих получить решение с достаточной для инженерных целей точностью.

Исходные разрешающие уравнения осесимметричных оболочек мо!ут быть представлены в виде уравнений Мойсснора, либо в форме удобной для численного интегрирования, предложенной В. Л. Бидермоном. В общем случае задача сводится к интегрированию системы обыкновенных линейных дифференциальных уровнений .

Для решения линейной золами НДС тороидальной камеры быт! рассмотрен общий случой деформации оболочек вращения , уравнения равновесия в частных производных сводились к обыкновенным дифференциальным уравнениям методом Фурье. В итоге решение свелось к ингефироеанию системы обыкновенных дифференциальных уравнений 6-го порядка, с учетом осевого перемещения в граничных условиях. Для тестирования результатов была записана система дифференциальных уравнений для случая деформирования тороидальной камеры единичного радиуса, которой в матричной форме имеет вид:

Й\7с/.У = | Ж))] ¡Л\!+{/•'}

Коэффициенты матрицы [ А ] в обозначениях, принятых в работах В. Я. бидермана, С. В. Бояршинова и др.:

jicos в/г

О

(г + /-tsinO)/j-0 О

(1-ц г)/ЕЬг

0-1 О

-ц eos 6/г 1 £A3cos20/12r 0 0 О MDr 0 —ji eos 0/г

Eb eos 0 sin 0/r Eh cos^G/ г

О

О

Ebsia^Qlr EbcosQs\nQIr

О 0 -i 0 0 О

О О

-ц sin в/г

0

1

-jicos О/г

Компоненты транспонированных векторов X и F :

{А'} ' = (Ггл Мгг. Qr, v, w, и); {F}' = (0,0,-рг,0,0,0)

где 8 - окружная координата, Е - модуль Юнга, h - толщина оболочки, г -радиус параллельного круга, D - цилиндрическая жесткость, ц - коэффициент Пуассона, M¿ - окружной момент, Т2 - окружное усилие, v - угол поворота нормали, а - нормальное перемещение, и - осевое перемещение, р -равномерное нормальное давление.

Краевые условия: при 0 = -тс/2,0 = я/2 Q = 0, V - 0, U - 0

Решение краевой задачи проводилось методом ортогональной прогонки Годунова. Численное решение системы дифференциальных уравнений ( ¡ проводилось методом Рунге-Кутта 4 порядка с промежуточным ортонормированием и ортогонализацией результатов. Была реализована модификация метода прогонки с промежуточной точкой встречи на интервале интегрирования . Для тестирования результатов использовалось "точное" решение Феппля для окружного нормального усилия в круговом торе, загруженным равномерным внутренним давлением. Параллельно решалась краевая задача деформирования тороидальной камеры, записанная в форме дифференциальных уравнений равновесия четвертого порядка, при двух условиях на каждом краю : Q -0, V -0. Выражение для осевого перемещения и не учитывалось.

По результатам расчета краевых задач, полученных по компьтерной программе для окружного нормального усилия в тороидальной каморе были построены зависимости окружного нормального усилия Тг от

окружной координаты 0 . Максимум которого наблюдается на внутренней образующей камеры при б = - я/2 минимум при 8 = я/2 - на внешней . образующей. Нагрузка принималась в виде единичного равномерного внутреннего давления.

Полученное решение с учетом осевого перемещения и достаточно хорошо согласуется с "точным" решением Феппля . Максимальное мембранное усилие в тороидальной камере на внутренней образующей при 0 -—tí/2 , составило Тг = 2Л тН: максимальное изгибное усилив в полюсе камеры, при 0 = О. к составило Mi = Ю-4 тН mijl, что характерно для беэмоментного напряженно - деформированного состояния.

Следуем отмстить, что напряженно-деформированное-----СОСТСН""

ТЛрОИД1ПЬНОЙ "Згру^ОЧМО-обмОНИОИ каморь! Кранно I :~:<Уу. ' ' - ОТ ГИЛЬм' ííoip/жонной внутренней сбразуютной ПОСОтнО f Юфу*,0>!"0Й ыгошно

оооазующой.

Описоннла гметемст fго учитыполо наличие огворпий затру,;очмо-о6^онноГ коморо Поэтому Í: ДОЛЬНОЙШОМ будут ПриМОНЯТЬО! МОЮДЫ, ОрИОН тированные на расчет затрузочно-обменных камер , как реальных конструкций.

Применение тороидальной яагрузешо-обменной шмэры uo.'io-or.,6pj-Mo для есбопьших объемов транспортируемого материала ( наттримор ¡¡стюмотателы-тые роЬоттпри обогащении и др.! . При ооздении высокоцроизьодишльных тидротранспортных систем использование тороидальной загрузочно-обменной камеры неэффективно .ввиду поочшрч':!." rcícpj'.i^ó кчпстмнии « нироиномярчого i 'спркжо» и ю-дафермкровонно! о rorrowr, что ухудшав! ее надежности.

Для опытно - промышленных испытаний гидротранспортной установки в условиях Верхнеднепровского горно-металлургического комбината , с целью уменьшения габаритов и увеличения емкости вместо тороидальной были использованы торообразные загрузочно-обменные камеры с полезным объемом 20 Каждая установка позволяла транспортировать высоконасыщенную

гидросмесь средней плотностью 1300 кт/мЗ на расстояние более 3 км. Схема установки установки показана на рис. 2

Камеры состоят из составных тороидальных сегментоп и усеченных цилиндрических частей. В ни*и»й ч згрхиой ч-хш/. puenenovo*-. оик?рамя для •'веда разгрузочнот о и загрузочното у-члов сеотпетстооннс Мочичис п коморо

отверстии

Конструкций повой гядротрвнепертаой yeíononvas сос. яны,

YSSl aiTPFSKH

íang?í

УЗЕЛ РАЗГРУЗКИ

4 Ф*

6Н

■9/Ю,'/ОЧГОВ ДОЛСпН

оезгмо« ео иДС

я оси '.С слохнпм и !ребуот

ПрИМР НОНИ"."« МОЩНиХ •-ИСПеН! 1ЫХ МОГОЛОВ.

Расчот НДС и

УСТОЙЧИВОСТИ

СО СГ О С Н!> \

конструкций рассматривается в роботах Я. М. Григоронко, В И

Мячоч-.'опо, А И С. Чернимой и др, Чис леннио меюл^' исследовании НДС и устойчизоаи тонкостенных проарановенных конструкций роэробатываются и репеичеюгея ПНИЛ ТПК Киевского

инженерно-строитольнот инсти!ую, МГГУ им. Н. Э. Баумана и др

В задачах расчета НДС оболочек возможность выделения простых расчетных областей позволяет эффективно использовать конечно-разностные методы, поэтому для расчета НДС торообразной загрузочно-обменной камеры

Рис. 2

Фролова, В. Д Кол; умова

был применен метод криволинейных сеток с модификацией предложенной в работе Е. А. Гоцуляка. В качество исходных принимаются уравнения классической тории тонких оболочек в инвариантной форме. Составная конструкция камеры рассматривается в целом, без разделения ее на отдельные фрагменты, с учетом наличия отверстий и изломов срединной поверхности. Высокая скорость сходимости численных решений обуславливалается исключением погрешности жестких смещений, наблюдаемой в традиционном методе конечных разностей.

базовый вариант базовый вариант упрочненный вариант

Рис.3

Для уменьшения зон концентрации напряжений в тороидальной области камеры рассматривались варианты с гладкой тороидальной ,а также с подкрепленной ребрами жесткости в местах стыков частью.

Наличие патрубков рабочих узлов в отверстиях камер заменялось эквивалентными ребрами жесткости, подкрепляющих отверстие. По результатам расчетов были построены изолинии распределения эквивалентных напряжений при единичной нагрузке, показанные на рис. 3

Из эпюр напряжений видно, что при расчете составной камеры, как единой конструкции, НДС камеры в цилиндрической части несколько отличается от НДС цилиндра. Максимум напряжений наблюдается в местах стыка отдельных секций, при этом напряжения имеют преобладающий характер на внутренней образующей камеры, что отличается от предположения о том, в основном НДС составной тороидальной камеры определяется безмоментным состоянием цилиндрической области с круговым сечениелл и краевым эффектом,

напряжения которого максимально выражены на стыках, в полюсах камеры.

Напряжения возле отверстия незначительны, так как наличие патрубков рабочих узлов в отверстиях заменялось эквивалентными ребрами жесткости по периметру отверстия.

Для уменьшения пиковых напряжений в конструкции рассматривался вариант камеры с гладкой тороидальной частью. Из эпюр распределения

напряжений видно , что наибольшие их зночечия также наблюдаются на внутренней образующей, но ощ: носит а'ложенный-характер - и мямьирв'п среднем но 40 %

Наиболее оптимальной по прочностным свойствам согласно розулыатам расчетов , оказалась гипро транспортная уооноеко с составной торообразной загру*оччо - обменной камерой и роб рами жесткости на стыках. Напряжения на внутренней и внешней образующих камеры различаются незначительно, максимум напряжений выражен лишь в нижней части отверстия и составляет 105 мПа, о напряжения в основных цилиндрических частях составляют мПа. При этом существует возможность дополнительного укропления отверстия для снижения максимального напряжения.

Для сравнения в диссертационной рпбот" б-тли р осыпаны иилинлоииосуи"

зи<рузочно-оомднныч камеры с различными iwww дчи'ц коничоским и сфорическим, боз учета ослабления их технологическими отверстиями. Результаты расчетов при одинаковом обьеме [20 куб. м), толщине [ 0 .012 м) и габаритной высоте камер представлены в следующей таблице:

Тип камеры Напряжение в Максимальные Занимаемая Высота камеры, м

цилиндрической напряжения камерой

части, мПа мПа площадь, м

Цилиндр с 100 140 •1.5 5.5

КОнмалосг^Й

крьлшой, и (вблизи места

ребрами стыка с крышкой)

жесткости на

стыках Везуче га

отверстий

Ципиндр со 100 100 3.14 5.5

аре роид ал ь н ой (по всей

крышкой и образующей

ребрами камеры)

жесткости на

стыках. Без учета V

отверстия.

ТорооОраэмай с 51 175 4.5 5 5

гладким тором и (на внутренней !

отверстием , образующей

диаметром 200 торовой части)

ми

"Горообразная с 51 105 4.5 5.5

составным тором (в нижней части

с ребрами отверстия)

жесткости на

стыках и

отверстием.

диаметром 200

мм

Каплеобразная с ... 224 3.1 5.0

отерстием (возле

диаметром 200 отверстия)

мм и ребрами

жесткости на

стыках

Так как при расчете цилиндрических камер не учитывались отверстия то для гидротранспортных установок с вихревым пульпообразованием была предложена упрочненная торообразная загрузочно-обменная камора, которая при одинаковом объеме и габаритных размерах является более прочной.

В сравнении с грунтонасосным оборудованием, осуществляющем гидротранспортирование редкометалльных песков с консистенцией 10 - 15 % на расстояние 5 - 6 км с двумя-тремя перекачными станциями, подача высоконасыщенной гидросмеси (50-40 %) без перекачных станций аппаратами конструкции МГГА оказалась более эффективной. Опытно-промышленные исследования проведенные на Ворхне-Днепровском ГМК и Иршинсхом ГОКе позволили успешно испытать горообразные камеры с различными объемами и параметрами и оценить энергоемкость гидротранслортирования высоконасыщенной гидросмеси.

В связи с тем, что энергоемкость процесса гидротранспортирования в первую очередь зависит от потерь напора {¡) при движении гидросмеси, нами было выявлено , что более приемлемой расчетной методикой для определения величины (¡) при подаче редкометалльной песчаной пульпы является методика А. Е. Смолдырева. Однако в этой работе , как и в других известных методиках , например В. В. Трайниса, Г. П. Дмитриева, НИИгидротехники им. Б. Е. Веденеева не предусмотрен алгоритм расчета характеристик

гранулометрического состава транспортируемого материала

Соответствующие характеристики принимаются в расчетах уже известными. При этом расчет этих характеристик - трудоемкая задача вычислительного характера, связанная с большим количеством приближенных вычислений. Поэтому нами были дополнены известные методики расчета параметров

гидотранатортирования, на основе анализа гранулометрического состава транспортируемых пород на ЭВМ с высокой степенью точности . Суть расчета заключается в численной аппроксимации и сплайн-интерполяции данных гранулометрического состава транспортируемого материала для моделирования функции процентного содержания частиц . Построенная таким образом функция процентного содержания может быть непосредственно использована в определении параметров гидротранспорта, она позволяет численно определять процент содержания частиц любого класса , определять средний диаметр транспортируемых частиц, строить кривую гранулометрического состава с выводом на плоттер или дисплей в удобном полулогарифмическом масштабе.

При исследовании эффективности процесса гидротранспортирования редкометолльных песков проводилось сравнение работы загрузочного аппарата и грунтолвых насосов по удельному расходу электроэнергии для транспортирования 1 мЗ твердого компонента но единицу расстояния. Выявленные зависимости Е ~ I (I, Э) и Е - I (Б, О, О), где I. - расстояние транспортирования, О- диаметр трубопровода, 5 - 'концентрация гидросмеси, О - расход гидросмеси, показаны на рис.

К КВТ ЧАС/ЫЗ

. аз

Вычисления проводились при различных ~ диаметрах

трубопроводов, и розничных расходах гидросмеси На всех графиках верхняя кривая

соответствует грунтовым насосам, нижняя - загрузочным аппаратам.

Проведанный анализ показывает, что при повышении консистенции гидросмеси

возрастают потери напора в трубопроводе и увеличивается потребляемая мощности Однако 3 одновременно возрастает

производительность гидрокомплекса по твердому. Поэтому в целом, как и для загрузочных аппаратов удельные повышении плотности гидросмеси имеют В то же время, удельная

0.0Й 0.12 0.1В 03? 4 I айъкииая крвщедтгряц*» гждросыееи Э

Рис.4

для грунтонасосных установок так затраты на электроэнергию при тенденцию к снижению, как показано на рис 4 энергоемкость при использовани фунтовых насосов в сравнении с загрузочными аппаратми оказывается выше, вплоть до значения Б <— 0.3 . Дальнейшее увеличение концентрации гидросмеси приводит к незначительному снижению энергозатрат на гидротранспортирование 1 мЗ на 1 км.

Однако,

С нш-час /кЗ наибольшую

эффективность загрузочные аппараты показывают при

увеличении расстояния фанспортирования гидросмеси. На рис 5 показано зависимость удельной энергоемкости от расстояния

транспортирования при трех различных

диаметрах

трубопровода. Ил

графиков видно, что при расстянии транспортирования ?0 км потребление энергии на 50 % ниже в случае использования загрузочного аппарата, причем здесь но учитывались затраты при установке дополнительных перокачних станций, при использования грунтовых насосов.

Рассматриваемая конструкция тидротранспортной установки с вихревым пульпоприготовлением было внедрена при проектировании

гидротранспортного комплекса на Верхнв-Днепровском горно-обогатительном комбинате.

Отдует отметить , что возможностью использования гидрокомплексов в различных отраслях промышленности заинтересовались и ряд

западноевропейских фирм. В частности опытно-промышленные испытания ведутся шотландскими фирмами "Мегрго" и "0е1ову" совместно с МГГА для гидротранспорта угля и отходов обогащения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований предложено новое решение актуальной научно-технической задачи совершенствования техники и технологии работы гидромеханизированных комплексов с применением камерных загрузочных аппаратов . Суть новизны заключается в научном обосновании применения в аппаратах с вихревым пульпообразованием

загрузочно-обменных камер торообразной формы на основе анализа напряженно-деформированного состояния камер методами математического моделирования , которые позволяют не прибегая к натурным исследованиям, выявить в реальной конструкции наиболее ослабленные места и разработать более оптимальный тип камеры при помощи численного эксперимента.

Основные научные и практические результаты проведенных исследований заключаются в следующем:

1. Установлены изолинии распределения эквивалентных напряжений в торообразной загрузочно-обменной камере загрузочного аппарата с вихревым пульпообразованием. На основе результатов математического моделирования конструкции оптимизированы по прочностным характеристикам и разработаны упрочненные камеры гидротранспортной установки.

В целом напряженно-деформированное состояние загрузочно обменных камер после оптимизации стало близко к безмоментному. Наибольшее рабочее давление в камере обьемом 20 куб. м. при материале - стали 17Г1С составило 2.9 Мпа

2. На основе использования численных методов обосновано применение тороидальной и каплеобразной загрузочно-обменных камер в гидротранспортных установках с вихревым пульпообразованием.

3. Разработаны методы численной аппроксимации гранулометрического состава пород на ЭВМ для расчетов параметров гидротранспорта по различным методикам . Это позволяет численно определить распределение твердых частиц по классам, средний диаметр чостиц и рассчитать параметры гидротранспортхрования по известным методикам. Предложено программное обеспечение расчета параметров гидротранспорта на основе численного анализа грансостова транспортируемого материала.

А. Установлены закономерности изменения энергоемкости процесса гидротранспортирования редкометалльных пород при использовании загрузочных аппаратов и грунтовых насосов, в зависимости от расстяния транаюртирования и характеристик гидросмеси. Показана эффективность применения загрузочных аппаратов для гидротранспорта высоконасыщенной пульпы на значительные расстояния (5-10 км).

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Моксютов М. С. "Перспективы использования средств гидромеханизации на Верхнеднепровском ГМК. " Межвузовский сборник научных трудов. Москва 1988 г. ( соавторы Воронин К. Ю. , Ящук Г. Б. )

2. Максютов М. С. Оптимизация оболочечных конструкций

тидротранспортных установок высокою__________давления- — - по

напряженно-деформируемому - состоянию и их расчет на статическую и динамическую устойчивость". Тезисы докладов международного семинара "Автоматизация научных исследований в теологии., торном доле, экологии" Москва, ¡991 г. с. 41-43.

3. Максютов М С. "Применения тонкостенных пространственных конструкций при разработке месторождений" Горный информационно-аналитический бюллетень , М. 1992 г. с 40 - 42.

4 . Макаотов М С. " Применение численных методов для обоснования эффективности использования гидротрснаюршых систем при разработке месторождений". Тозисы докладов международного симпозиума "Применение математических методов и компьтеоной тетни^я п геологи, юрнпн дсче, металлургии и смежных областяу". Москва , 1993 г с 34 36 ¡Соавтор Дробаденко в (!)