автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Повышение ресурса грунтовых насосов снижением интенсивности гидроабразивного изнашивания их элементов в системах гидротранспорта хвостов обогащения

аоздь 1 хи

На правах рукописи

ЗАВЕРТКИН Павел Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ГРУНТОВЫХ НАСОСОВ СНИЖЕНИЕМ ИНТЕНСИВНОСТИ ГИДРОАБРАЗИВНОГО ИЗНАШИВАНИЯ ИХ ЭЛЕМЕНТОВ В СИСТЕМАХ ГИДРОТРАНСПОРТА ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ

Специальность 05.05.06 - Горные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2009 9 «

003481101

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

Ведущее предприятие - ЗАО «Механобр инжиниринг».

Защита диссертации состоится 25 ноября 2009 г. в 16 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плехаиова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 23 октября 2009 г.

Александров В.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Горшков Л.К.

кандидат технических наук

Каненков В.В.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета д-р техн. наук, профессор

В.В.ГАБОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Гидравлический транспорт на предприятиях горно-обогатительной промышленности России является важным звеном технологического процесса добычи и переработки минерального сырья. Гидравлический транспорт минерального сырья оправдал себя в качестве экономичного и эффективного внутрифабричного и магистрального способа транспортирования, а эксплуатируемые в настоящее время гидротранспортные системы являются конкурентоспособными в сравнении с другими способами транспортирования.

Вместе с тем, как показывает анализ работы гидротранспортных систем на горных предприятиях, эффективность использования этого вида транспорта не соответствует его техническим возможностям: высока трудоемкость работ при эксплуатации оборудования, высок гидроабразивный износ грунтовых насосов и трубопроводов, низок рабочий ресурс насосов, высоки металлоемкость и энергоемкость гидротранспортных систем. Так удельный расход электроэнергии на 1 м3 при гидравлическом транспортировании составляет: гравия - 4,9-6,6 кВт-ч; песка -3,2-3,6; хвостов обогащения - 21,4 кВтч; угля - 24,2-25,5 кВтч. Срок службы трубопроводов при транспортировании крупно-фракционного материала не превышает 6-8 месяцев, мелкофракционного материала - не более года, а удельный расход труб составляет 0,5-1,5 кг/м3. Ежегодная потребность в трубопроводах в горной промышленности составляет 2,5 -3,5 млн. погонных метров.

Одной из причин недостаточной эффективности гидравлического транспорта является гидроабразивный износ грунтовых насосов и трубопроводов. Исследованием вопроса гидроабразивного износа и надежности гидротранспортного оборудования при перекачке хвостов обогащения занимались Т.Ш. Гочиташвили,

B.Н.Покровская, А.И. Борохович, Т.Д. Иванова, Л.В. Гамбарьян,

C.П. Турчанинов и др.

В настоящее время проблеме повышения надежности этого вида оборудования уделяется повышенное внимание в связи с необ-

ходимостью поддерживать и развивать производство насосного оборудования в Российской Федерации. Ресурс современных отечественных грунтовых насосов в разы меньше ресурсов насосов ведущих стран-производителей. Одной из главных причин недостаточного ресурса грунтовых насосов является вибрация, возникающая в результате гидроабразивного износа рабочего колеса. Задача повышения рабочего ресурса оборудования гидротранспорта является актуальной, для решения которой необходимо провести дополнительные теоретические и экспериментальные исследования.

Цель работы - разработка метода оценки технического ресурса грунтовых насосов в системах гидротранспорта хвостовых пульп на основе факторов, определяющих гидроабразивный износ рабочего колеса и вибрацию насосных агрегатов.

Идея работы: основным фактором, снижающим технический ресурс грунтовых насосов в системах гидротранспорта является вибрация, параметры которой определяются гидроабразивным износом рабочего колеса насосного агрегата.

Задачи исследования:

1. Установить реальные сроки службы и законы распределения наработок на отказ насосного оборудования гидротранспортных систем на основе статистических данных горно-обогатительных комбинатов.

2. Обосновать факторы, определяющие эффективность гидротранспортных систем с учетом технологических параметров и ресурса системы.

3.Теоретически и экспериментально определить степень влияния гидроабразивного износа, режимов работы и физико-механических свойств хвостов обогащения на вибрацию и ресурс насосных агрегатов

4. Разработать и обосновать способы повышения ресурса грунтовых насосов в системах гидротранспорта рудных хвостов обогащения на основе выявленных закономерностей влияния гидроабразивного износа рабочего колеса на вибрацию насосного агрегата и его долговечность.

Методы исследований: анализ статистических данных по надежности гидротранспортного оборудования, теоретические исследования гидродинамического взаимодействия взвесенесущего потока с

внутренними поверхностями трубопроводов и грунтовых насосов; лабораторные, опытно-промышленные исследования степени влияния параметров гидротранспорта и кинематической структуры потока на показатели износа; планирование экспериментов и математическая обработка опытных данных.

Защищаемые научные положения:

1. Эффективность гидротранспортных систем есть комплексный показатель, характеризующий изменение энергетических и механических параметров грунтового насоса во времени, определяемом техническим ресурсом насосного агрегата.

2. Технический ресурс грунтового насоса в системах гидротранспорта, определяемый гидроабразивным износом рабочего колеса, может быть рассчитан как степенная функция заданного диапазона среднеквадратического значения (СКЗ) виброскорости и коэффициента износостойкости материала колеса.

Научная новизна:

Теоретически и экспериментально на основе статистических данных по наработке на отказ оборудования гидротранспортных систем установлено, что технический ресурс фунтовых насосов является комплексным показателем состояния гидротранспортной установки и может быть рассчитан по величине интенсивности гидроабразивного износа рабочего колеса и параметров вибрации в стандартном диапазоне СКЗ виброскорости.

Метод прогнозирования рабочего ресурса фунтового насоса в системе гидротранспорта, как обобщенного фактора надежности на основе установленных зависимостей интенсивности гидроабразивного износа рабочего колеса, физико-механических свойств перекачиваемой пульпы рабочей среды, времени наработки и среднеквадратического значения виброскорости.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена: теоретическими исследованиями и выводами аналитических зависимостей с использованием методов математической статистики и рефессионного анализа и сопоставлением теоретических результатов с экспериментальными данными.

Практическая значимость работы:

- разработана методика расчета и прогнозирования технического ресурса работы гидротранспортной установки для транспортирования гидросмеси хвостов обогащения с учетом влияния интенсивности гидроабразивного износа рабочего колеса.

- разработан метод диагностики состояния грунтового насоса на основе анализа рабочего ресурса и параметров вибрации в заданном диапазоне СКЗ виброскорости.

Апробация работы.

Основные положения и отдельные результаты докладывались и обсуждались: на конференциях «Полезные ископаемые России и их освоение» в, 2007, 2008, 2009 гг. в СПГГИ (ТУ); на Международной научно-практической конференции в г. Краков (Польша), 12-14 декабря 2006 г.; на Международной научно-практической конференции в г. Фрайберг (Германия), 20-23 июня 2007 г.

Личный вклад соискателя:

- сбор и обработка статистических данных по надежности гидротранспортного оборудования;

- вывод уравнений зависимости ресурса грунтового насоса и элементов его конструкции от вибрации, частоты вращения консольного вала, критического числа лопаток и гидроабразивного износа входных и выходных кромок лопаток;

- лабораторные и опытно-промышленные исследования гидроабразивного износа в системах гидротранспорта горно-обогатительных комбинатов и надежности элементов конструкции грунтовых насосов.

Публикации

По результатам диссертационной работы опубликованы 6 печатных работ, в том числе одна в журнале, входящем в список, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертационная работа содержит 115 страниц текста, 28 рисунков, 22 таблицы и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 100 наименования.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы работы и необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований процессов гидравлического транспортирования хвостов обогащения с целью повышения надежности гидротранспортного оборудования.

В первой главе выполнен обзор литературных источников, приведен анализ состояния и изученности вопроса гидроабразивного износа оборудования гидротранспортных систем и влияние его на надежность эксплуатации грунтовых насосов. Сформулированы цель и задачи диссертационной работы и методы исследования.

Во второй главе выполнены исследования по общей надежности гидротранспортного оборудования, приведен системный анализ факторов, определяющих ресурс грунтовых насосов, выявлены законы распределения отказов всей системы и отдельных ее элементов..

В третьей главе дано теоретическое описание влияния гидроабразивного износа на вибрацию грунтовых насосов, дано обоснование зависимостей износостойкости основных элементов конструкции от физико-механических свойств перекачиваемых хвостовых пульп, приведено математическое описание колебательного процесса рабочих колес грунтовых насосов.

В четвертой главе дано описание экспериментальных исследований вибрации фунтовых насосов и износостойкости различных материалов в лабораторных и промышленных условиях. Приведена методика наблюдений вибрации грунтовых насосов, описаны результаты обработки измерений вибрации в промышленных условиях и на лабораторном стенде. Рассмотрены результаты исследования абразивного износа различных сталей и сплавов, выполнен металлографический анализ материалов и проанализировано влияние твердости и содержания углерода на износостойкость.

В заключении приведены развернутые выводы по выполненному исследованию и даны рекомендации по использованию основных результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Рабочий ресурс грунтового насоса систем гидротранспорта в период нормальной эксплуатации пропорционален допустимому уменьшению массы рабочего колеса при гидроабразивном износе, отношению в степени 2,65 объемной концентрации гидросмеси к средневзвешенному диаметру твердых частиц и обратно пропорционален частоте вращения рабочего колеса в третьей степени и его диаметру в степени 2,35 и зависит от коэффициента износостойкости материала рабочего колеса.

Практика систем гидротранспорта на предприятиях горной промышленности показывает, что из всех факторов, определяющих ресурс грунтовых насосов наибольшее влияние оказывает гидроабразивный износ рабочего колеса. Эксперименты и статистические данные свидетельствуют, что с увеличением гидроабразивного износа рабочего колеса начинают проявляться значительные динамические нагрузки, связанные с разбалансировкой приводного вала, возникновением низкочастотных вибраций, воспринимаемых опорными подшипниками. Эти факторы являются причиной снижения рабочего напора грунтового насоса. Было установлено, что при снижении рабочего напора до 0,75Нтеор рабочее колесо требует капитального ремонта или полной замены.

Износ рабочего колеса проявляется в потере его массы в местах интенсивного контакта потока пульпы по поверхности переднего и заднего бронедисков, входных и выходных кромок лопаток. При снижении напора до критического 0,75Нтеор масса рабочего колеса снижается от 10 до 15 % за время нормальной эксплуатации, которое принимается за технический ресурс грунтового насоса - Т.

Интенсивность % гидроабразивного износа фунтового насоса зависит от многих факторов, к которым относятся, гранулометрический состав твердых частиц - с1ср и их механические свойства (окатанность, абразивность, плотность и др.), концентрация перекачиваемой гидросмеси - Су, подача насос - Рем и развиваемый напор - Н, площадь изнашиваемой поверхности (площадь контакта

твердых частиц с твердыми стенками рабочего колеса) - Ризн., время наработки до предельного состояния (ресурс насоса) - Т и может быть представлена формулой

$ = -^-,кг/(м2-с), (1)

1' П13Н

где га - абсолютная величина износа, кг; Ри:ш - площадь изнашиваемой поверхности, м2,1 - время наработки, ч.

Известно, что интенсивность гидроабразивного износа зависит от множества факторов, определяемых энергетическими характеристиками перекачиваемой гидросмеси, относительной крупностью твердых частиц и конструктивными параметрами рабочего колеса грунтового насоса, основным из которых является скорость перекачиваемого потока в проходных сечениях рабочего колеса грунтового насоса, в соответствии с формулой

^ = куп, (2)

где V - линейная скорость потока пульпы, м/с; к - коэффициент пропорциональности, определяющий характеристики перекачиваемой среды, конструктивные параметры рабочего колеса грунтового насоса, п - показатель, характеризующий степень влияния динамических факторов на интенсивность гидроабразивного износа.

Для определения значений кип был использован метод математической статистики и регрессионного анализа. Интенсивность гидроабразивного износа была представлена в функции следующих параметров

(3)

где со - частота вращения рабочего колеса грунтового насоса, Гц; ЭрК - диаметр рабочего колеса, м; 5о - комплексный показатель, характеризующий относительный диаметр частиц твердой фазы

гидросмеси и ее концентрацию - 6о=-^——, су - объемное со-

ЭрК су

держание твердой фазы в перекачиваемом потоке гидросмеси; с!св -

средневзвешенный диаметр твердых частиц, определяемый гранулометрическим составом по классам крупности, м;

Обработка статистических данных по наработке грунтовых насосов серии 20 Гр на трех горно-металлургических комбинатах (Качканарский ГОК «Ванадий», Алмалыкский ГОК и Костомукш-ский ГОК «Окатыш») производилась с помощью наименьших квадратов и планирования экспериментов.

После реализации эксперимента и соответствующей проверки значимости коэффициентов искомая функция была получена в виде следующего выражения

£ = 0,125 ¿У3£>

дё

Г 1 Л2-65 "ср

У

, кг/(м2х) (4)

из которой, с учетом формулы (1) получаем время наработки грунтового насоса

Г Л2-65

ш

1 = 0,008-к.

3 г\2,35

псо

Л

<1,

ей у

(5)

к„ - коэффициент износостойкости материала рабочего колеса (для корундовой наплавки - к„ = 1; для никелевых сплавов - ки = 0,8; для стали 45 - ки = 0,6; для стали 3 - к„ = 0,55).

На рис. 1 приведена графическая зависимость интенсивности гидроабразивного износа ^ от концентрации твердой фазы в потоке гидросмеси для разных значений средневзвешенного диаметра твердых частиц, определяемых гранулометрическим составом. Графики показывают, что с увеличением концентрации твердой фазы интенсивность гидроабразивного износа уменьшается и стабилизируется при концентрации 30-35 %. Задаваясь предельно допустимой потерей массы т рабочего колеса, можно по формуле (5) определить время I работы грунтового насоса. Как было сказано выше, снижение рабочего напора насоса до 0,75Нтеор связано с потерей 10 % начальной массы грунтового колеса. Для насосов серии 20Гр масса рабочего колеса равна 450 кг и 10% -я потеря составит 45 кг, которую принимаем за параметр т в формуле (5).

1 1

м —

л X

I-о о

о

X

г

X

х

0 0,07 0,14 0,21 0,28 0,35 Объемная концентрация, доли ед.

Рис. 1. Зависимость интенсивности гидроабразивного износа от концентрации твердой фазы

При работе на гидросмеси с объемной концентрацией су = 0,1 и средневзвешенным диаметром твердых частиц с!св =0,1 мм (0,1-103) м время работы насоса до предельного состояния составит 416 ч. Увеличение концентрации твердой фазы и снижение средневзвешенного диаметра твердых частиц способствует увеличению времени работы насоса до предельного состояния.

2. Технический ресурс грунтового насоса в системах гидротранспорта, определяемый гидроабразивньш износом рабочего колеса, определяется как степенная функция заданного диапазона среднеквадратического значения виброскорости и коэффициента износостойкости материала колеса.

Гвдроабразивный износ рабочего колеса грунтового насоса, как основного элемента конструкции, вызывает значительные вибрационные колебания корпуса насоса в трех взаимно-перпендикулярных плоскостях, что в определяющей степени сказывается на показателях надежности насосного агрегата и его ресурсе.

В процессе обследования насосного оборудования ПНС гидротранспортных систем Качканарского ГМК «Ванадий», Костомук-ского ГОКа «Карельский Окатыш» и Алмалыкского ГМК получены данные по зависимости потока отказов насосного оборудования от времени наработки, рис. 2.

О 400 800 1200 1600 2000

Наработка, ч

Рис. 2. Зависимость интенсивности отказов от времени наработки фунтовых насосов (по анализу промышленных данных)

Графики показывают, что интенсивности отказов снижаются в начальный период эксплуатации насосов, в период приработки. В дальнейшем, в период нормальной эксплуатации интенсивности отказов насосов снижаются и принимают практически постоянное значение в конце этого периода. Наработка насоса в период приработки возрастает с увеличением производительности насоса, т.е. его типоразмера.

В работе были проанализированы показатели надежности грунтовых насосов в период нормальной эксплуатации по данным горно-обогатительных комбинатов и установлен характер проявления дефектов, которые были систематизированы и сведены к трем основным видам неисправностей: 1. Дефекты крепления насосного

агрегата; 2. Дефекты механической природы; 3. Дефекты гидродинамического происхождения.

Указанные дефекты сопровождаются увеличением вибрации насосных агрегатов, параметры которой характеризуют общее техническое состояние механической системы в соответствии с международным стандартом ISO 10816:1998(Е). Mechanical vibration. Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts. За обобщающий параметр вибрации в стандарте принимается сред-неквадратическое значение (СКЗ) виброскорости.

С наработкой грунтового насоса, в системе гидротранспорта с заданными кинематическими характеристиками перекачиваемой пульпы, изменяется спектр вибрационных параметров и постепенно возрастает амплитуда колебаний в радиальном и осевом направлениях и каждому моменту времени рабочего процесса грунтового насоса соответствуют свои значения вибрационных характеристик, т.е.

T = kBVn, _ (6)

где кв - коэффициент пропорциональности, V - среднеквадратиче-ское значение виброскорости, мм/с;

Определение уровня и частотного спектра вибраций грунтовых насосов 20Гр-8 проводилось в условиях Алмалыкского ГОК-а при перекачке хвостов обогащения.

Аппаратура и параметры каналов записи колебаний выбирались из условия регистрации скорости смещений деталей насосов: вибрографы М-ВЭГИК с гальванометрами M001-IA и сейсмодатчи-ки ОСП с гальванометрами М002. Величины смещений - А и ускорений - а пересчитывались по формулам

А= —, а = V • 2к{ , 2nf

где V - скорость смещения, мм/с; f- частота колебаний, Гц.

Результаты измерения вибрации на одном из режимов работы грунтового насоса 20Гр-8 приведены на рис.3.

V. мм/с 1.8 1.4 1.0

о.е 0.2

ГЛ-

.ШдД!.......,......,,.....

V, мм/с

70 Г. Гц

1.00.8 о.е

0.4 0.2

Д Л , ,

V, мм/с

1.0 0.8 0.6 0,4 0.2

70 1. Гц

% г к л/А л . ,

• 10 20 30 40 50 СО 70 /, Гц

Рис. 3. Спектрограммы скоростей смещений корпусов насосов: _при новом рабочем колесе; —......при изношенном (наработка 800 ч)

С наработкой грунтового насоса возрастают параметры вибрации, виброскорость и виброперемещения (смещения) опорных узлов насоса и его корпуса. Амплитудные спектры колебаний име-ютт максимумы в полосе частот от 6 до 9 Гц. Энергонасыщенность в полосе частот 1 до 25 Гц равна 18,62, а в области 6-9 Гц энергия составляет 50% энергонасыщенности всех частот. Зависимость амплитуды колебаний от времени работы насоса приведена на рис.4. Вид кривых соответствует функции (6)

О 280 560 840 1120 1400 Наработка грунтового насоса, ч

Рис. 4. Зависимости амплитуды вибрации узлов насоса 20Гр-8 в вертикальной плоскости от наработки рабочих колес Вибрация насосных агрегатов существенно возрастает с увеличением гидроабразивного износа, причем максимальные виброперемещения имеют место на опорных подшипниках в полосе частот от 8 - 12 Гц. Развитие вибрационных процессов непосредственно связано с потерей массы рабочего колеса грунтового насоса вследствие гидроабразивного износа.

Для установления зависимости времени наработки насосных агрегатов от гидроабразивного износа были проведены специальные исследования в условиях гидравлической лаборатории Браун-швайгского технического университета, Германия. Эксперименты проводились на стенде, общий вид и схема которого приведена на рис. 5.

Рис. 5. Экспериментальная установка: а) - общий вид; б) - схема, в) - диагностическая система ДСА-2001: 1 - фунтовый насос, 2 - всасывающий патрубок, 3,4- задвижки , 5 - расходный бак, 6 - нагнетательная труба, 7 - привод, В - вибродатчики

Эксперименты проводились на гидросмеси кварцевого песка. Средневзвешенный диаметр твердых частиц - с1св = 0,1 мм; объемная концентрация твердого материала — су = 0,25. Насосная установка включала грунтовый насос \Уагтап серии 181С-НН и электродвигатель мощностью 30 кВт и частотой вращения 500 об/мин. Максимальная подача насоса составляла 34,2 м3/ч; диаметр рабочего колеса насоса Орк = 350 мм, материал рабочего колеса - Ст. 45 Л.

Водопесчаная гидросмесь перекачивалась по кольцевому трубопроводу и после прохождения через насос возвращалась в расходный бак. Общее время наработки насоса составило 800 часов непрерывной работы. Через каждые 200 часов производились измерения вибрации насоса на опорных подшипниках вала с помощью вибродатчиков, установленных на корпусах переднего и заднего подшипников и диагностической системы ДСА-2001. Насос разбирался, и производилось взвешивание рабочего колеса для определения абсолютной величины потери массы из-за абразивного износа. На рис. 6 приведены 2 спектрограммы виброскорости, полученные через 200 и 600 ч непрерывной работы насосного агрегата с расчетными значениями среднеквадратического значения. Из спектрограмм следует, что с наработкой насоса величина СКЗ виброскорости возрастает от минимального значения 2,2 мм/с после 200 часов

до 7,1 мм/с после 600 часов. Изменение среднеквадратического значения виброскорости связано с уменьшением массы рабочего колеса и развитием вибрационных процессов.

200 чработы

2Д 1} ЗР Время отсчетов, мс 600 чроботы

2Л 2,5 ЗЛ Время окчетов. м(

Рис. 6. Спектр виброскорости от времени наработки насоса Графическая зависимость ресурса насоса от среднеквадратического значения виброскорости для условий лабораторных экспериментов приведена на рис. 7.

Виброскорость, мм/с

Рис. 7. Зависимость СКЗ виброскорости от времени наработки фунтового насоса по результатам экспериментов

Кривая t(v) на рис. 7 хорошо аппроксимируется уравнением

T = 128-V1,2, (7)

которое соответствует функции (6), полученной для условий промышленной эксплуатации грунтовых насосов 20Гр-8.

Формула (7) устанавливает связь технического ресурса грунтового насоса от задаваемых среднеквадратических значений виброскорости, которые ограничены максимальным значением 11,2 мм/с в соответствии с требованиями стандарта ISO 10816:1998(E). Коэффициент кв= 128 соответствует рабочему колесу, изготовленному из стали 45 Л с определенными физическими и механическими свойствами. Для других материалов необходимо учитывать поправку на износостойкость материала рабочего колеса.

Таким образом, реализация диагностирования технического состояния насосных агрегатов методом вибродиагностики позволяет повысить надежность и эффективность эксплуатации грунтовых насосов. Измерение и анализ вибрационных сигналов может быть использован в автоматизированной системе контроля и управления технологическими процессами (АСУ ТП) гидротранспортной системы, т.е. в составе автоматизированной системы решаются задачи вибрационной диагностики.

Метод вибродиагностики позволяет оценить общее техническое состояние по среднему квадратическому значению виброскорости и, при необходимости, провести углубленный анализ технического состояния оборудования, определить причины роста вибрации, установить дефекты (неисправности) насосных агрегатов и устранить эти дефекты, т.е. повысить надежность эксплуатации насосных агрегатов.

Заключение

В диссертации, представляющей собой законченную научно-квалификационную работу, на базе выполненных теоретических и экспериментальных исследований была решена актуальная научно-практическая задача повышения ресурса фунтовых насосов в системах гидротранспорта рудных хвостов обогащения на основе выявленных закономерностей влияния гидроабразивного износа рабочего колеса на вибрацию насосного афегата и его долговечность.

Основные научные результаты и практические рекомендации, заключаются в следующем:

1.Установлено, что технический ресурс фунтовых насосов является комплексным показателем состояния гидротранспортной установки и может быть рассчитан по величине интенсивности гидроабразивного износа рабочего колеса и параметров вибрации в стандартном диапазоне СКЗ виброскорости.

2. Установлено, что рабочий ресурс фунтового насоса в системе гидротранспорта зависит от обобщенного фактора надежности, полученного на основе установленных зависимостей интенсивности гидроабразивного износа рабочего колеса, физико-механических

свойств перекачиваемой пульпы рабочей среды, времени наработки и среднеквадратического значения виброскорости.

3. Разработана методика расчета и прогнозирования технического ресурса работы гидротранспортной установки для транспортирования гидросмеси хвостов обогащения с учетом влияния интенсивности гидроабразивного износа рабочего колеса.

4. Разработан метод диагностики состояния грунтового насоса на основе анализа рабочего ресурса и параметров вибрации в заданном диапазоне СКЗ виброскорости.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Заверткин П.С. Влияние термодинамических параметров на работу пневматической системы. Записки Горного института, Т 167(2), Санкт-Петербург, 2005. - С. 128-131.

2. Заверткин П.С. Повышение эффективности процесса гидравлического транспорта хвостов обогащения минерального сырья / Международная научная конференция «Автоматизация машиностроительного производства, технология и надежность машин, приборов и оборудования», Вологда, 2006. - С. 78-84.

3. Zavertkin Pavel. Enhancement of efficiency hydraulic transport's process of tailings / Международная научная конференция, Краков, Польша, 2006. - С. 42-47.

4. Zavertkin Pavel. The hydraulic transport in systems of utilization of stockbreeding's waste in agriculture / Международная научная конференция, Вроцлав, Польша, 2005. - С. 89-95.

5. Zavertkin Pavel. Simulation and calculation of system hydraulic lifting of mineral coarse solid particles from seabed to the water surface / Международная научная конференция, Фрайберг, Германия,

2007.-С. 114-119.

РИЦ СПГГИ. 20.10.2009. 3.561. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ИЗУЧЕННОСТИ И СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ГИДРОТРАНСПОРТА НА ГОРНО-ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ.

1.1. Надежность гидротранспортных систем горно-обогатительных предприятий. Литературный обзор и анализ гидроабразивного изнашивания элементов грунтовых насосов.

1.2.Анализ работы грунтовых насосов при гидравлическом транспортировании хвостов обогащения.

1.3. Отказ в системах гидротранспорта хвостов обогащения.

1.4. Выводы по результатам анализа, цель и задачи исследования.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАВИСИМОСТИ РЕСУРСА ГРУНТОВЫХ НАСОСОВ ОТ ГИДРОАБРАЗИВНОГО ИЗНОСА ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

2.1. Зависимость интенсивности гидроабразивного износа от кинематических характеристик потока гидросмеси.

2.2. Зависимость гидроабразивного износа рабочего колеса грунтовых насосов от параметров пульпы.

2.2.1. Планирование экспериментов и анализ экспериментальных результатов.

2.2.2. Рабочий ресурс грунтового насоса и интенсивность гидроабразивного износа рабочего колеса.

2.3. Комплексная оценка качества гидротранспортных систем горнообогатительных комбинатов.

2.4. Исследование влияния гидроабразивного износа элементов грунтового насоса на параметры его вибрации и рабочий ресурс.

2.4.1. Анализ гидроабразивного износа элементов грунтового насоса в реальных условиях эксплуатации.

2.4.2. Влияние числа лопаток на вибрацию насоса при работе на чистой жидкости.

2.5. Теоретическая оценка величины вибрации грунтового насоса при работе на абразивных пульпах.

2.5.1. Суммарная величина прогиба приводного вала грунтового насоса и допустимая потеря массы рабочего колеса.

2.5.2. Анализ параметров вибрации и рабочий ресурс грунтового насоса.

2.5.3. Структурная схема вибрационной модели грунтового насоса.

2.6. Выводы по результатам теоретического исследования.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ГИДРОАБРАЗИВНОГО ИЗНОСА РАБОЧЕГО КОЛЕСА ГРУНТОВОГО НАСОСА НА ПАРАМЕТРЫ ВИБРАЦИИ И РАБОЧИЙ РЕСУРС.

3.1. Обработка экспериментальных данных по гидроабразивному износу рабочего колеса грунтового насоса.

3.2. Экспериментальное определение зависимости ресурса грунтового насоса от параметров вибрации.

3.3. Экспериментальные исследования вибрационных характеристик грунтовых насосов в лабораторных условиях.

3.4. Зависимость износостойкости деталей грунтовых насосов от физико-механических свойств твердых частиц хвостов обогащения руды.

3.5. Выводы по результатам экспериментальных исследований зависимости ресурса от гидроабразивного износа грунтовых насосов.

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ВИБРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ И ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВЫХ НАСОСОВ В СИСТЕМАХ ГИДРОТРАНСПОРТА РУДНЫХ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ.

4.1. Системы АСУТП гидротранспортных систем на предприятиях горной промышленности.

4.2. Разработка основных принципов автоматизированной системы диагностирования технического состояния грунтовых насосов.

4.3. Экспериментальные исследования автоматизированного измерительного комплекса для мониторинга КПД насосных агрегатов.

Актуальность темы

Гидравлический транспорт на предприятиях горно-обогатительной промышленности России является важным звеном технологического процесса добычи и переработки минерального сырья. Гидравлический транспорт минерального сырья оправдал себя в качестве экономичного и эффективного внутрифабричного и магистрального способа транспортирования, а эксплуатируемые в настоящее время гидротранспортные системы являются конкурентоспособными в сравнении с другими способами транспортирования.

Вместе с тем, как показывает анализ работы гидротранспортных систем на горных предприятиях, эффективность использования этого вида транспорта не соответствует его техническим возможностям: высока трудоемкость работ при эксплуатации оборудования, высок гидроабразивный износ грунтовых насосов и трубопроводов, низок рабочий ресурс насосов, высоки металлоемкость и энергоемкость гидротранспортных систем. Так удельный расход электроэнергии на 1 м при гидравлическом транспортировании составляет: гравия - 4,9-6,6 кВт-ч; песка -3,2-3,6; хвостов обогащения - 21,4 кВт-ч; угля - 24,2-25,5 кВт-ч. Срок службы трубопроводов при транспортировании крупно-фракционного материала не превышает 6-8 месяцев, мелкофракционного материала - не более года, а удельный расход труб составляет 0,5-1,5 кг/м . Ежегодная потребность в трубопроводах в горной промышленности составляет 2,5 - 3,5 млн. погонных метров.

Одной из причин недостаточной эффективности гидравлического транспорта является гидроабразивный износ грунтовых насосов и трубопроводов. Исследованием вопроса гидроабразивного износа и надежности гидротранспортного оборудования при перекачке хвостов обогащения занимались Т.Ш. Гочиташвили, В.Н.Покровская, А.И. Борохович, Т.Д. Иванова, JI.B. Гамбарьян, С.П. Турчанинов и др.

В настоящее время проблеме повышения надежности этого вида оборудования уделяется повышенное внимание в связи с необходимостью поддерживать и развивать производство насосного оборудования в Российской Федерации. Ресурс современных отечественных грунтовых насосов в разы меньше ресурсов насосов ведущих стран-производителей. Одной из главных причин недостаточного ресурса грунтовых насосов является вибрация, возникающая в результате гидроабразивного износа рабочего колеса. Задача повышения рабочего ресурса оборудования гидротранспорта является актуальной. Для решения данной задачи необходимо провести дополнительные теоретические и экспериментальные исследования.

Цель работы - разработка метода оценки технического ресурса грунтовых насосов в системах гидротранспорта хвостовых пульп на основе факторов, определяющих гидроабразивный износ рабочего колеса и вибрацию насосных агрегатов.

Основные задачи работы;

- установить реальные сроки службы и законы распределения наработок на отказ насосного оборудования гидротранспортных систем на основе статистических данных горно-обогатительных комбинатов.

- обосновать факторы, определяющие эффективность гидротранспортных систем с учетом технологических параметров и ресурса системы.

- теоретически и- экспериментально определить степень влияния гидроабразивного износа, режимов работы и физико-механических свойств хвостов обогащения на вибрацикми ресурс насосных агрегатов

- разработать и обосновать способы повышения ресурса грунтовых насосов в системах гидротранспорта рудных хвостов обогащения на основе выявленных закономерностей влияния гидроабразивного износа рабочего колеса на вибрацию насосного агрегата и его долговечность.

Методы исследования.

Решение поставленных задач проводилось путем теоретических и экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях. Для исследований использовались статистические данные по надежности и ресурсу грунтовых насосов и систем гидротранспорта, полученные на действующих горно-обогатительных комбинатах. Опытные данные обрабатывались, методами математической статистики и регрессионного анализа.

Основные защищаемые положения.

1. Эффективность гидротранспортных систем есть комплексный показатель, характеризующий изменение энергетических и механических параметров грунтового насоса во времени, определяемым техническим ресурсом насосного агрегата.

2. Технический ресурс грунтового насоса в системах гидротранспорта, определяемый гидроабразивным износом рабочего колеса, может быть рассчитан как степенная функция заданного диапазона среднеквадратического значения (СКЗ) виброскорости и коэффициента износостойкости материала колеса.

Научная новизна.

- теоретически и экспериментально на основе статистических данных по наработке на отказ оборудования гидротранспортных систем установлено, что технический ресурс грунтовых насосов является комплексным показателем состояния гидротранспортной установки и может быть рассчитан по величине интенсивности гидроабразивного износа рабочего колеса и параметров вибрации в стандартном диапазоне СКЗ виброскорости.

- метод прогнозирования рабочего ресурса грунтового насоса в системе гидротранспорта, как обобщенного фактора надежности на основе установленных зависимостей интенсивности гидроабразивного износа рабочего колеса, физико-механических свойств перекачиваемой пульпы рабочей среды, времени наработки и среднеквадратического значения виброскорости.

Практическая ценность работы.

- разработана методика расчета и прогнозирования технического ресурса работы гидротранспортной установки для транспортирования гидросмеси хвостов обогащения^ с учетом влияния интенсивности гидроабразивного износа рабочего колеса.

- разработан метод диагностики состояния грунтового насоса на основе анализа рабочего ресурса и параметров вибрации в заданном диапазоне СКЗ виброскорости.

Апробация работы.

Основные положения и отдельные результаты докладывались и обсуждались: на конференциях «Полезные ископаемые России и их освоение» в, 2007, 2008, 2009 гг. в СПГГИ (ТУ); на Международной научно-практической конференции в г. Краков (Польша), 12-14 декабря 2006 г.; на Международной научно-практической конференции в г. Фрайберг (Германия), 20-23 июня 2007 г.

3.5. Выводы по результатам экспериментальных исследований зависимости ресурса от гидроабразивного износа грунтовых насосов

В результате экспериментальных зависимости ресурса грунтового насоса от гидроабразивного износа основных элементов конструкции установлено:

1. Экспериментальные данные, полученные в промышленных условиях по интенсивности гидроабразивного износа деталей грунтовых насосов и обработка данных методами регрессионного анализа позволили основную зависимость интенсивности гидроабразивного износа от параметров перекачиваемой пульпы, которая учитывает комплексное воздействие параметров пульпы и конструктивных характеристик грунтового насоса на величину гидроабразивного износа.

2. Основным параметром, определяющим ресурс насоса, является потеря массы рабочего колеса за счет изнашивания материала, из которого изготовлено рабочее колесо.

3. Рабочий ресурс грунтового насоса пропорционален потере массы рабочего колеса и обратно пропорционален основным параметрам пульпы и конструктивным характеристикам грунтового насоса (средневзвешенный диаметр твердых частиц, концентрация пульпы, частота вращения рабочего колеса и его диаметр).

4. Гидроабразивный износ рабочего колеса вызывает разбалансировку приводного вала грунтового насоса, что приводит к возникновению значительных вибраций, воспринимаемых опорными подшипниками насосного агрегата, амплитуда и другие параметры которого, в предельном состоянии, выходят за пределы установленных норм для насосных установок. Каждому состоянию грунтового насоса, в зависимости от времени наработки, соответствует определенный вибрационный спектр, характеризующийся определенными значениями виброскорости, виброускорения и виброперемещения. 5. Установлено, что остаточный ресурс грунтового насоса, определяемый гидроабразивным износом рабочего колеса пропорционален среднеквадратическому значению виброскорости в степени 1,2 и коэффициенту износостойкости. Результаты теоретических исследований подтверждаются данными промышленных и лабораторных экспериментов.

6. Совокупность формул по зависимости рабочего ресурса грунтового наоса от интенсивности гидроабразивного износа и среднеквадратического значения виброскорости позволяет в процессе эксплуатации грунтовых насосов контролировать вибрационные нагрузки путем регулирования параметров перекачиваемой пульпы: гранулометрического состава, концентрации, а также путем регулирования частоты вращения приводного вала.

7. Обработка экспериментальных данных по гидроабразивному износу отдельных деталей грунтовых насосов позволили получить расчетные формулы зависимости времени работы каждой детали от параметров перекачиваемой пульпы в виде однофакторных зависимостей и многофакторных регрессионных уравнений, позволяющих устанавливать и прогнозировать время работы деталей от параметров пульпы: гранулометрического состава, концентрации и содержания сульфатных соединений.

8. Полученные теоретические и эмпирические зависимости рабочего ресурса грунтовых насосов являются базой для разработки систем автоматического контроля состояния грунтовых насосов и его остаточного ресурса в системах гидротранспорта на основе методов вибрационной диагностики.

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ВИБРАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ И ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГРУНТОВЫХ НАСОСОВ В СИСТЕМАХ ГИДРОТРАНСПОРТА РУДНЫХ ХВОСТОВ ОБОГАЩЕНИЯ

4.1. Системы АСУТП гидротранспортных систем на предприятиях горной промышленности

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования по определению основных зависимостей рабочего ресурса грунтовых насосов на горно-обогатительных комбинатах дают возможность констатировать, что гидроабразивный износ рабочего колеса грунтового насоса является основной причиной его отказов, которые возникают при превышении стандартных и регламентированных параметров вибрации насосного агрегата. Каждому моменту времени работы грунтового насоса соответствует определенный спектр частот колебаний вала насоса и соответствующие значения виброскорости, виброускорения и виброперемещения. Следовательно, параметры вибрации грунтового насоса могут быть приняты в качестве индикатора технического состояния и рабочего ресурса насосного агрегата. По величине среднеквадратического значения виброскорости принимается решение о величине остаточного ресурса грунтового насоса и необходимости вывода его в плановые или капитальные ремонты.

В настоящее время методы автоматического диагностирования технического состояния оборудования и насосов гидротранспортных систем на предприятиях горной промышленности практически не применяются. Вывод оборудования в ремонтный цикл производится по разрабатываемым на предприятии нормам и графикам ППР. При этом не учитывается фактическое состояние оборудования, которое в большинстве случаев к моменту вывода на ППР еще не выработало своего ресурса и могло бы еще эксплуатироваться, что, в принципе, снижает технико-экономическую эффективность гидротранспортных систем.

Используемые на горно-обогатительных комбинатах системы АСУ ТП разработаны лишь для основных технологических процессов - обогащения минерального сырья и не адаптированы к системам управления гидротранспортными системами. Отсутствие АСУ ТП гидротранспортных систем и автоматизированных методов неразрушающего контроля в совокупности с вибрационными методами диагностики насосных агрегатов снижает общую эффективность процесса гидравлического транспорта, способствует нерациональному расходу электроэнергии, что в конечном итоге отражается на себестоимости конечных продуктов (концентратов, металла и др.).

4.2. Разработка основных принципов автоматизированной системы диагностирования технического состояния грунтовых насосов

Создание автоматизированной системы диагностирования технического состояния (СДТС) насосных агрегатов требует решения комплекса проблем, включающих разработку технических средств, алгоритма решаемых задач и программного обеспечения, проекта привязки СДГТС (система диагностики гидротранспортной системы) к технологическому оборудованию и определенных монтажных работ.

Для выбора наиболее целесообразного варианта стационарной системы диагностирования были проанализированы различные сгруктурные схемы диагностики на базе аппаратуры вибрационного контроля (виброаппаратуры) ВСВ-ЗЗЗН и ВСВ-350Н, средств обработки и спектрального анализа вибросигналов - аналогового вибродиагностического устройства (АВДУ) и PC.

Для измерения и контроля вибрации грунтовых насосов указанная виброаппаратура реализует следующие функции:

- измерение мгновенного значения и среднеквадратического значения виброскоросги на подшипниковых узлах приводного вала в вертикальной, горизонтальной (поперечной и осевой) плоскостях;

- измерение числа оборотов рабочего колеса (вала) и формирование опорного «реперного» сигнала; сигнализацию о превышении измеряемых параметров выше установленных пределов (предупредительного и «аварийного») уровней;

- сигнализацию о повреждениях самой аппаратуры.

Так, разработанная и выпускаемая МНПО «Спектр» (г. Москва), 12-и канальная вибрационная аппаратура ВСВ-ЗЗЗН имеет в своем составе 6 комплектов двухканальной аппаратуры ВСВ-ЗЗЗН-11 или ВСВ-ЗЗЗН-12 для измерения и контроля вибрации, отличие которых состоит в диапазоне измерений среднеквадратического значения виброскорости (в первом случае от 1 до 10 мм/с, во втором от 3 до 30 мм/с), и один комплект одноканальной аппаратуры ВСВ-333-13 для измерения частоты вращения вала. В системах использован стандартный диапазон изменения вибрации от 10 до 1000 Гц. Диапазон измерения частоты вращения вала от 120 до 9999 об/мин. Выходное напряжение на выходе «С» (мгновенное значение виброскорости) составляет 1 В при максимальном значении измеряемого параметра. Выходное напряжение на выходе «Р» (измерение среднеквадратического значения виброскорости) составляет (-10±0,4)В при максимальном значении измеряемого параметра. Амплитуда импульсов опорного сигнала на выходе не менее 3 В.

Другой вариант вибрационной аппаратуры - 24-х канальная аппаратура вибрационного контроля состоит из восьми 3-х канальных блоков измерения и контроля вибрации БЗ; 24-х датчиков вибрации и четырех датчиков импульсов. Частотный диапазон измерения параметров вибрации от 10 до 1000 Гц. Диапазон измерения среднеквадратического значения вибрации от 0,5 до 12 мм/с. Диапазон измерения частоты от 300 до 6000 об/мин. Уровень выходного сигнала постоянного тока от (0±0,25) до (2,5±0,25) В при максимальном среднеквадратическом значении виброскорости 10 мм/с и сопротивления нагрузки не менее 2,5 кОм.

Все приборы виброаппаратуры изготавливаются во взрывозащищенном исполнении посредством блока искрозащиты по каждому каналу измерения вибрации и частоты вращения вала. Искробезопасность реализуется ограничением токов и напряжений в цепях вибропреобразователей.

Для автоматизации процесса сбора, обработки и спектрального анализа вибрационной информации используется аналоговое вибродиагностическое устройство (АВДУ), которое позволяет реализовагь:

- синхронный прием и коммутацию входных сигналов 4-я группами по 12 каналам измерения вибрации и одному каналу измерения частоты вращения вала и формирование опорного сигнала по каждой группе каналов;

- контроль среднеквадратического значения виброскорости

- аналагово-цифровое преобразование групповых сигналов;

- спектральный анализ групповых сигналов;

- формирование массива результатов обработки и передачу данных в АСУ ТП гидротранспортной системы.

Разрядность аналогово-цифрового преобразователя равна 10. Ввод информации в АВДУ осуществляется одновременно по 12 каналам каждой группы. Время обработки информации по 12 каналам каждой группы не более 250 с. Алгоритм быстрого преобразование Фурье (БПФ) позволяет выделить гармоники на частотах кратных оборотной частоте 50 Гц с кратностью 0,5; 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 10; 20.

При разработке автоматизированной системы диагностирования технического состояния грунтовых насосных агрегатов [24, 25], учитывалось, что структура такой системы должна быть иерархической и иметь несколько уровней. На нижнем уровне (уровне насосных агрегатов) выполняются функции сбора виброизмерительной информации. Непосредственное измерение контролируемых параметров вибрации обеспечивается аппаратурой вибрационного контроля (виброаппаратурой). На среднем уровне (уровень пульпонасосных станций - ПНС) обеспечивается выполнение функций оперативного контроля технического состояния насосных агрегатов, обработки измеренной вибрационной информации и функций связи с верхним уровнем системы.

На верхнем уровне автоматизированного участка гидротранспортного трубопровода реализуется функция контроля работоспособности комплекса технических средств (задвижки, клапаны, расходомеры, плотномеры, манометры и др.) и решаются задачи диагностирования технического состояния грунтовых насосных агрегатов и осуществляется взаимодействие с системой технического обслуживания и ремонта (ТОР отдела главного механика). Задачи по реализации функций верхнего уровня решаются в диспетчерском пункте (ДП) с помощью устройства вибрационного контроля (УВК АСУ ТП). Пользователями всей информации являются службы главного механика, главного энергетика и главного обогатителя горно-обогатительного комбината.

Данный алгоритм реализуется программой обмена данными, входящей в состав программного обеспечения АВДУ. ПО программе обмена результаты обработки виброизмерительной информации передаются из АВДУ в УВК АСУ ТП. Запрос на передачу данных из АВДУ осуществляется программно с УВК АСУ ТП и происходит автоматически в телемеханическом цикле опроса каждые 2 часа (регламентный режим). По инициативе оператора ДП запрос может быть выполнен вне регламента. Программа обмена состоит из подпрограмм обработки прерываний от приемника (ПчГКД) и передатчика (INTS).

Обмен информацией между АВДУ и УВК АСУ ТП осуществляется по принципу «запрос-ответ» и имеет вид односторонней передачи массива данных от АВДУ в УВК по запросу с УВК АСУ ТП. Скорость передачи данных по сетям телемеханики ТМ-120-1 составляет бООбит/с. Объем передаваемой информации составляет 240 байт за один цикл опроса. Для ограничения объема передаваемой информации принята структура передаваемого массива, который содержит данные только по включенным (работающим) насосным агрегатам. Кроме того, в начале массива передается информация о технологических номерах этих агрегатов. Такая структура позволяет передавать на верхний уровень системы данные только по включенным агрегатам и, как следствие, более рационально использовать телемеханические каналы связи.

Использование адаптеров связи, позволяют реализовать алгоритмы обмена и решать задачи диагностирования текущего технического состояния насосных агрегатов на УВК АСУ ТП.

Оценка общего технического состояния проводится с учетом действующих норм вибрации. Полученные среднеквадратические значения виброскорости по всем каналам измерения вибрации сравниваются с нормативными значениями виброскорости и делается вывод об общем техническом состоянии насосных агрегатов и остаточном ресурсе грунтовых насосов.

На основании оценки общего технического состояния принимается решение о проведении углубленного (спектрального) анализа технического состояния грунтовых насосов. По результатам спектрального анализа принимается решение о дальнейшей (ограниченной) эксплуатации или выводе насосных агрегатов в ремонтный цикл.

Описанный вариант локальной системы диагностирования технического состояния грунтовых насосных установок ПНС в применении их к насосным станциям магистральных нефтепроводов реализован на НПС «Самара-2» нефтепровода «Куйбышев-Лисичанск» Самарского РНУ, где эксплуатируются магистральные центробежные насосы НМ 3600-230 с электроприводом СТД мощностью 2500 кВт.

Каждый из вариантов автоматизированной системы вибродиагностики имеет свои преимущества и определенные недостатки. Однако, если в системе автоматики ПНС реализованы алгоритмы вибрационной диагностики, то, учитывая преимущества: мониторинг вибрационных параметров в реальном масштабе времени, быстродействие сбора и обработки информации по контролируемым параметрам, достоверность постановки диагноза и своевременность представления результатов пользователю, предпочтительнее применение автоматизированной системы диагностирования грунтовых насосных агрегатов ПНС (пульпонасосных станций).

4.3. Экспериментальные исследования автоматизированного измерительного комплекса для мониторинга КПД насосных агрегатов

Автоматизированный комплекс по определению КПД насосных агрегатов на основе технических средств АСУ ТП гидротранспортных систем разработан с целью оптимизации режимов работы гидротранспортных установок горнообогатительных комбинатов с использованием принципа параметрической диагностики.

Функционирование системы параметрической диагностики основано на реализации функции сбора контролируемых эксплуатационных параметров грунтовых насосов.

Значения напора и КПД определяются соотношениями:

U ^Р Рвых ~ Рвх (4 1) pg рсмё где рвых,рвх - давления на выходе из насоса и на его входе, рсм - плотность гидросмеси.

КПД насоса, как отношение полезной мощности Nn к затрачиваемой мощности N. л Nn^QHPc-i. (4.2) н N N

КПД насоса учитывает механические, гидравлические и объемные потери в насосе. При эксплуатации механические потери изменяются незначительно, а гидравлические и объемные резко возрастают в связи с гидроабразивным износом рабочего колеса. По мере увеличения гидроабразивного износа рабочего и наработкой насоса во времени изменяются соотношения между напором насоса, его мощностью и, соответственно, КПД.

Для измерения давления рвых и рвх на каждом насосном агрегате устанавливаются датчики давления типа «Минитран». Для измерения активной мощности, потребляемой электродвигателем насосного агрегата, используется датчик активной электрической энергии САЗУ-И687. Для преобразования активной электрической энергии в мощность применяется однокристальный контроллер фирмы «АТМЕЬ» с тактовой частотой fTaifr =fKBapu/12x256, где f ц = 232,5 МГц и длительностью импульсов 130 мке [13, 15].

Значение мощности определяется выражением

N = ЗбООК^К^ / 1000ТСЧ, (4.3) где К^ - коэффициент трансформации по току; Кта - коэффициент трансформации по напряжению; Тсч - период оборота счетчика электрической энергии, с.

При использовании измерительных трансформаторов тока и напряжения с коэффициентами трансформации по току Ктг= 200 и напряжению Ктн=100 выражение (4.3) получает вид хт 72000 „

N = —-, кВт. (4.4) сч

Кроме значений активной мощности, контроллер выдает номер насосного агрегата, с которого снимается мощность. На вход контроллера, устанавливаемого в операторской ПНС, поступает информация со счетчиков электрической энергии только работающих насосных агрегатов.

Выходная информация с контроллера двоичным кодом разрядностью 24 передается по телемеханическим каналам АСУ ТП в ДП.

Другие эксплуатационные данные, как плотность рсм пульпы, подача QCM насоса берутся из системы АСУ ТП. При отсутствии в системе АСУ ТП параметра подачи QCMero значения можно определить по методу проф. Кричке В.О. Суть данного метода заключается в построении по базовым гидромеханическим характеристикам грунтового насоса его расходной характеристики в координатах M-QCM. Расходные коэффициенты М определяются для всей области подач QCM по выражению

N N

М = — (4.5)

Р Ро где N, р - мощность на валу насоса и давление, создаваемое при соответствующем значении расхода Q; N0, ро - то же, при Q = 0.

N N Принимая —- = А, получаем М =--А, где А - постоянная для

Ро Р данного типоразмера грунтового насоса.

По найденным значениям расходных коэффициентов во всем диапазоне подач строится расходная характеристика M-QCM. По расходному коэффициенту М находится значение QCM.

Эксплуатационные параметры по телеметрическим каналам АСУ ТП поступают на ПЭВМ IBM-PC диспетчерского пункта (ДП), где ведется обработка данных и регистрация результатов обработки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования по актуальной проблеме повышения ресурса грунтовых насосов в системах гидротранспорта хвостов обогащения на горно-обогатительных комбинатах позволяют сделать следующие основные выводы:

1. Основной причиной недостаточного ресурса грунтовых насосов в системах гидротранспорта хвостов обогащения является гидроабразивный износ рабочего колеса - главного элемента насосной установки. Гидроабразивный износ сопровождается уменьшением массы рабочего колеса, возникновением дисбаланса приводного вала с закрепленным на консоли рабочим колесом, значительными знакопеременными динамическими нагрузками и повышенной вибрацией, восприншмаемыми опорными подшипниковыми узлами, которые при развитии процесса во времени приводят к отказу насосной установки.

2. Качественной и количественной характеристикой рабочего ресурса грунтового наоса является интенсивность гидроабразивного износа рабочего колеса, определяемая функциональной зависимостью кинематических характеристик перекачиваемой пульпы, конструктивных и рабочих характеристик грунтового наоса.

3. Установлено, что с уменьшением средневзвешенного диаметра твердой фазы перекачиваемой гидросмеси и ее концентрации интенсивность гидроабразивного износа рабочего колеса грунтового насоса снижается, а рабочий ресурс насоса до отказа увеличивается. Увеличение рабочего ресурса грунтовых насосов до 1500 ч непрерывной работы обеспечивается при работе на пульпах с концентрацией твердой фазы 30% по объему и средневзвешенном диаметре гранулометрического состава твердой фазы 0,1 мм.

4. Информационным параметром, характеризующим состояние грунтового насоса во времени является среднеквадратическое значение виброскорости, определяемое по спектру вибрационных характеристик на корпусах подшипниковых узлов вала грунтового насоса. Изменение величины среднеквадратического значения виброскорости в процессе гидроабразивного износа рабочего колеса грунтового насоса в пределах допустимых величин, регламентированных международным стандартом ISO 10816:1998(E), определяет рабочий ресурс грунтового насоса. В диссертации установлено, что рабочий ресурс грунтового насоса, в процессе гидроабразивного износа рабочего колеса пропорционален среднеквадратическому значению виброскорости в степени 1,2.

5. Полученные теоретические соотношения между гидроабразивным износом рабочего колеса грунтового насоса, его вибрационными характеристиками и рабочим ресурсом являются основой для создания системы автоматической диагностики состояния грунтовых насосных агрегатов и прогнозирования остаточного ресурса, являющейся составной частью АСУТП горно-обогатительного комбината.

6. В рамках поставленных задач, в диссертационной работе выявлены основные теоретические и экспериментальные зависимости рабочего ресурса грунтового насоса от гидроабразивного износа рабочего колеса и параметров вибрации в форме стандартизированного среднеквадратического значения виброскорости, позволяющие при проектировании и эксплуатации гидротранспортных систем на горно-обогатительных комбинатах задавать рациональные соотношения кинематических характеристик перекачиваемой гидросмеси, конструктивных и рабочих характеристик грунтовых насосов для достижения максимального рабочего ресурса грунтовых насосов и долговечности гидротранспортных систем.

7. Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, а ее результаты рекомендуются для практического использования на горнообогатительных комбинатах и обогатительных фабриках, осуществляющих переработку минерального сырья, в частности: на Костомукшском ГМК «Карельский окатыш», ООО «Алмалыкский ГОК», Качканарский ГМК «Ванадий», а также в проектных и научно-исследовательских организациях, например, ЗАО «Механобр инжиниринг», ГипроНикель, Гипрошахт, НИИ Галургии и др.

Н6

1. Виноградов В.Н., Сорокин Г.М., Колокольников М.Г. Абразивное изнашивание. - М.: Машиностроение, 1990. - 221 с.

2. Покровская В.Н. Пути повышения эффективности гидротранспорта, М., Недра, 1972.- 160 с.

3. Покровская В.Н., Поволоцкий Д.Г. Исследование пульповых насосов. Материалы семинара Московского Дома научно-технической пропаганды, 1971.- С. 5-8.

4. Геленидзе М.Н., Махарадзе Л.И. Анализ процесса гидроабразивного износа лопатки рабочего колеса насоса Горная механика и автоматика. - Тбилиси, М , 1973, №9, С. 85-87.

5. Козырев С.П. Гидроабразивный износ металлов при кавитации. М.: Машиностроение, 1971. - 240 с.

6. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Конструкция и расчет центробежных насосов высокого давления. М.: Машиностроение, 1971.-304 с.

7. Борохович А.И. Экспериментальное исследование гидроабразивного износа основных деталей центробежных насосов. Известия Вузов. Горный журнал , 1963, №5, С. 128-132.

8. Животовский Л.С., Смойловская Л.А. Лопастные насосы для абразивных гидросмесей. М., Машиностроение, 1978. - 222 с.

9. Золотарь А.И. Исследование гидроабразивного износа деталей насосов для перекачивания нейтральных пульп. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М., 1975.

10. Джваршеишвили А.Г. Гидротранспортные системы горнообогатительных комбинатов. -М., Недра, 1973. 351 с.

11. Мозгалевский А.В., Гаскаров Д.В. Техническая диагностика. М.: Высшая школа, 1975. — 206 с.

12. Надежность и эффективность сооружения и эксплуатации трубопроводных систем //Сб. научных трудов. -— М.: МИНГ, 1988. Вып. 215.—198 с.

13. Пархоменко П.П., Сагомонян Е.С. Основы технической диагностики. -М.: Энергоиздат, 1981. 320 с.

14. Hoppel H.W., Mughrabi Н., Sockel H.-G. Hydroabrasive wear behaviour mechanisms of different hard coatings. Wear, vol. 225-229. Part 2, p. 1088-1099, April 1999.

15. Suchanek J., Smrkovsky J., Bias P. Erosive and hydroabrasive resistance of hardfacing materials. Wear, vol. 233-235, p. 229-236, April 1999.

16. Karimi A., Verdon C., Barbezat G. Microstructure and Hydroabrasive wear behaviour of high-velocity oxy-fuel thermally sprayed Wc-Co (Cr) coatings. Surface and Coating Technology, vol. 57, num. 1, 1993, p 8189.

17. Ибатулов К.А. Гидравлические машины и механизмы в нефтяной промышленности. ЛитНефгаз. Москва 2004, 237 с.

18. Рыбакова JI.M, Куксенкова Л.И. Структура и износостойкость материалов. М.: Машиностроение, 1980.

19. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. М.: Мир, 1989.

20. Смирнов Н.И., Смирнов Н.Н. Прочность и износостойкость насосов (расчет, испытания, технология.)//Материалы VIII Всероссийской технической конференции «Производство и эксплуатация УЭЦН», г. Альметьевск, 1-4 ноября 2000, С. 1- 13.

21. Блюмен А.В., Харач Г.М., Эфрос Д.Г. Расчетная оценка интенсивности изнашивания и ресурса сопряжения вал-втулка с обратной парой трения.//Вестник машиностроения, 1976, № 66 С. 29

22. Лукин А.В., Шмидт Е.М., Прожега М.В. Исследование износостойкости чугунов //Нефть. Газ. Промышленность, 2006, июнь-июль №4 (24). С. 40-41.

23. Воскресенский В.А., Дьяков В.И. Расчет и проектирование опор скольжения. Справочник. М.: Машиностроение, 1980. - 224 с.

24. Зотов Б.Н. Исследование вибрации центробежного насоса на лопаточных частотах и ее гидродинамических источников. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н.-М., 1975.

25. Иванова Т.Д., Демкина М.Д., Щулепникова А.Г. Вопросы надежности и эксплуатации машин горного и металлургического оборудования. МГМИ, Вып. 125, Магнитогорск, 1974. С. 14-16

26. Иванова Т.Д., Щеринова Э.Н., Говорова З.И. Выбор оптимальных сроков техосмотров гидротранспортной системы по характеристикам надежности. МГМИ, Вып. 149, Магнитогорск, 1975. - С. 55-58.

27. Карахьян В.К. Исследование осевой силы, действующей на рабочее колесо центробежного насоса. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. М., 1974.

28. Сви П.М. Методы и средства диагностики оборудования высокого напряжения. —М: Энергоатомиздат, 1992. 240 с.

29. Леонидов Л.Д. Исследование износостойкости минерало-полимерных композиций и разработка технологии изготовления из них абразивных деталей. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. -Киев, 1974.

30. Налимов В.В. «Теория эксперимента», М., Наука 1971.

31. Хикс Ч. «Основные принципы планирования эксперимента», М. Мир, 1967.

32. Дрейпер Н. Смит Г., «Прикладной регрессионный анализ», М. 1986.

33. Налимов В.В., Чернова Н.А. «Статистические методы планирования экстремальных экспериментов», М. 1965.

34. Хартман К., Лецкий Э, Шеффер В «Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов». М. 1975.

35. Власов К.П.; Власов П.К., Киселева А.А. «Методы исследований и организации экспериментов», Харьков, Гуманитарный центр, 2002.

36. Народницкий Д.Б. Исследование высокохромистых износостойких сплавов и изыскания их технологических свойств. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Томск, 1974.

37. Никулин А.И., Юрин П.И. Исследование процесса износа деталей, работающих в контакте с жидкостями, несущими твердые взвешенные частицы. Износостойкость и надежность оборудования гидравлической добыче угля, №9. - Новокузнецк, 1970.

38. Нурок Г.А., Бруякин Ю.В., Ляшевич В.В. Гидротранспорт горных пород. М., МГИ, 1974. - 168 с.

39. Офенгенден Н.Е., Ильин А.Е. Совершенствование углесосов и насосов для гидрошахт. Уголь, 1964, №9. - С. 55-59.

40. Пермяков В.Г., Иванова Т.Д. Влияние вибрации на работоспособность насосов. Эксплуатация механического оборудования. -МГМИ, Вып. 70, Магнитогорск, 1969. - С. 43-46.

41. Попов В.М., Сенник К.А., Хмель П.С. Исследование износостойкости и повышение долговечности быстроизнашивающихся деталей насосов. Горная электромеханика, М., Недра, 1974.

42. Тихомиров Ю.Ф. Промышленные вибрации и борьба с ними. -Киев: Техника, 1975. 184 с.

43. Пфлейдерер К. Центробежные и пропеллерные насосы. М., ОНТИ,1973.-С. 389-391.

44. Ржебаева Н.ЬС. Исследование влияния частоты вращения на характеристики центробежного насоса с низким коэффициентом удельной быстроходности Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. - Харьков, 1976.

45. Смойловская JI.A. Выбор параметров насоса для гидротранспорта абразивных гидросмесей. Реферативный сборник / ЦНИИЭИуголь, 1972, №8. Добыча угля открытым способом. - С. 25-26.

46. Смолдырев А.Е., Сафонов Ю.К. Трубопроводный транспорт концентрированных гидросмесей. М., Машиностроение, 1973. 206 с.

47. Супрун В.К. Абразивный износ грунтовых насосов и борьба с ним. М., Машиностроение, 1972. 103 с.

48. Тененбаум М.М. Сопротивление абразивному изнашиванию. М., Машиностроение, 1976. - 270 с.

49. Хрущев М.М. Достижения и задачи при исследовании изнашивания машин. Надежность и долговечность машин и приборов, Вып. 1. -М., НИИМАШ, 1966.

50. Хрущев М.М., Бабичев М.А. Абразивное изнашивание. М., Наука, 1970.-252 с.

51. Шкундин В.М. Землесосные снаряды. Изд. 2-е. М., Энергия, 1968. -271 с.

52. Яременко О.В. Испытание нассоов. М., Машиностроение, 1976. -222 с.

53. Базовский И., Надежность. Теория и практика, пер. с англ., М., 1965;

54. Барлоу Р. и Прошан Ф., Математическая теория надежности, пер. с англ., М., 1969.

55. Бруевич Н. Г., Количественные оценки надежности изделий, в сборнике: Основные вопросы теории и практики надежности, М., 1971

56. Александров В.И. Расчет системы гидротранспорта хвостов обогащения железной руды на Качканарском ГОКе по результатам экспериментов. Доклад на 13-ой Международной конференции «Транспорт и седиментация твердых частиц», Тбилиси, 21-23 сентября 2006 г.

57. Александров В.И., Каненков В.В. Потери напора и критическая скорость по результатам экспериментов на Качканарском

58. ГОКе. Горные машины и электромеханика. №6, 2006.

59. Смолдырев А.Е. Трубопроводный транспорт. М.: Недра, 1980. - 293 с.

60. Абдурашитов С.А., Тупиченков А.А., Вершинин И.М., Тененгольц С.М. Насосы и компрессоры. М.: Недра, 1974. - 296 с.

61. Турчанинов С.П. Долговечность гидротранспортных трубопроводов. -М., Недра, 1973.- 160 с.

62. Юфин А.П. Гидромеханизация М.: Стройиздат, 1974. - 223 с.

63. Лямаев Б.Ф. Гидроструйные насосы и установки. JL: Машиностроение, 1988. - 278 с.

64. Марголин И.И. Основы теории надежности горных транспортных машин. Л.: ЛГИ, 1980. - 73 с.

65. Ялтанец И.М. Гидромеханизация: Справочник / И.М.Ялтанец, В.К.Егоров. М.: Изд-во МГУ, 1999, с. 144.

66. Алексеева Т.В., Бабанская В.Д., Башта Т.М. и др. Техническая диагностика гидравлических приводов. Под общ. ред. Т.М. Башты. -М.: Машиностроение, 1989. 264 с

67. Алешин Н.П., Белый В.Е., Вопилкин А.Х. Методы акустического контроля металлов. М~.: Машиностроение, 1989. - 456 с.

68. Алгоритмы решения задач вибрационной и параметрической диагностики насосных агрегатов для системы автоматики фирмы «ММГ-АМ». Уфа: ИПТЭР, 1993.-54 с.

69. Биргер И.А. Прочность и надежность машиностроительных конструкций. Избранные труды. Уфа: ГМФМЛ, 1998. - 350 с.

70. Биргер И.А. Техническая диагностика. — М.: Машиностроение, 1978.-240 с.

71. Броек Д. Основы механики разрушения. Пер. с англ. М.: Высшая школа, 1980.-368 с.

72. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов. М.; Машиностроение, 1987. - 228 с.

73. Гетман А.Ф., Козин Ю.Н. Неразрушающий контроль и безопасность эксплуатации сосудов и трубопроводов давления. —М.: Энергоатомиздат, 1997.-288 с.

74. Карасев В А., Ройтман А.Б. Доводка эксплуатируемых машин. Вибродиагностические методы. М: Машиностроение, 1986. - 192 с.

75. Клюев В.В., Пархоменко П.П., Абрамчук В.Е. и др. Технические средства диагностирования: Справочник /Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1989. - 672 с.

76. Клюев В.В., Соснин Ф.Р., Филинов В.Н. и др. Неразрушающий кон троль и диагностика: Справочник / Под ред. В.В. Клюева. М.-. Машиностроение, 1995. -448 с.

77. Коллакот Р. Диагностика повреждений: Пер. с англ. М.: Мир, 1989.-519 с.

78. Кузнецов Н.С. Теория и практика неразрушающего контроля с по мощью акустической эмиссии. М.: Машиностроение, 1998. — 96 с.

79. Михайлов А.К., Малюшенко В.В. Конструкция и расчет центробежных насосов высокого давления. М.: Машиностроение, 1971.-304 с.

80. Мозгалевский А.В., Гаскаров Д.В. Техническая диагностика. М.: Высшая школа, 1975. — 206 с.

81. Надежность и долговечность машин / Под ред. Б.И. Костецкого. — Киев: Техника, 1975.-408 с.

82. Пархоменко П.П., Сагомонян Е.С. Основы технической диагностики.

83. М.: Энергоиздат, 1981.-320 с.

84. Явленский К.Н., Явленский А.К. Вибродиагностика и прогнозирование качества механических систем. Л.: Машиностроение, 1983. - 239 с.

85. Sherington, I. and Hayhurst, P. Simultaneous observations of the evolution of debris density and friction coefficient in dry sliding steel contacts. Wear, 2001, 249, 182-187. (In English)

86. Yao, M. and Page, N. W. Friction measurements on Ni-Hand 4 during high pressure crushing of silica. Wear, 2001, 249, 117-126. (In English)

87. Dube, N. B. and Hutchings, I. M. Influence of particle fracture in the high-stress and low-stress abrasive wear of steel. Wear, 1999, 233-235, 246256. (In English)

88. S. Hattori, K. Ishikura, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series A 71 (August (708)) (2005) 1182-1189. (In English)

89. Александров В.И. Снижение удельной энергоемкости гидротранспортных комплексов / В.И. Александров, А. А. Кулешов/ Горные машины и автоматика. 2004. - №6.-С. 16-17.

90. Zou Weisheng, Huang ЛагЬеп, Tang Dasheng. The study of the pipe1wall abrasion in slurry pipe transportation. 10 international conference Transport and Sedimentation, Wroclaw, 2000. (In English)

91. Незаметдинов А.Б. Трубопроводная система для транспортирования твердых материалов // Записки Санкт-Петербургского горного института.-1995.-Т141 .-С43-49.

92. Александров В.И. Надежность и экологическая безопасность систем гидротранспорта / В. И. Александров// Обогащение руд. 1996. - N 5-6.-С.40-42. - с.42

93. Гамбарьян Л.Г. Исследование гидроабразивного износа трубопроводов и разработка методики прогнозирования их ресурса. -Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Л., 1989.

94. Иванова Т.Д. Исследование и совершенствование грунтовых насосов, перекачивающих рудные хвосты обогатительных фабрик (напримере Магнитогорского металлургического комбината) -Диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Л., 1981.

95. Рабочий проект эксплуатации хвостохранилища ОХХ СОФ и МОФ на складирование 0,1 млн тонн хвостов на 2006-2009 гг. /ЗАО «Механобр Инжиниринг», 2005 г.

96. Баркова Н.А. «Виброакустические методы диагностики СЭУ» Учебное пособие. Изд. Ленинградского кораблестроительного института. 1986г.

97. Барков А.В. «Диагностирование и прогнозирование состояния подшипников качения по сигналу вибрации» Журнал Судостроение №3, 1985г. Стр. 21-23.

98. Кулешов А. А., Докукин В. П. Надежность горных машин и оборудования. С-Пб: СПГГИ (ТУ), 2004.

99. Шендеров А. И. Надежность и производительность комплексов горно-транспортного оборудования / Шендеров А. И., Емельянов О. А., Один И. М. М: "Недра", 1976.

100. Н.Д.Томашов, Г.П. Чернова "Теория коррозии и коррозионностойкие конструкционные сплавы", из-во Металлургия, Москва, 1986.