автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Расчет конструктивных и технологических параметров грунтонасосных установок

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ТРАНСПОРТА

(МГАВТ) ,/>

\/ У

На правах рукописи

ГЕТЬМАН ДМИТРИЙ ИГОРЕВИЧ

РАСЧЕТ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГРУ НТОНАСОСНЫХ У СТАНОВ ОК

Специальность 05.22.19. «Эксплуатация водного транспорта, судовождение»

4846009

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 МАЙ 2011

Москва 2011

4846009

Работа выполнена в Московской государственной академии водного транспорта на кафедре «Водные пути и порты»

Защита состоится «01» июня 2011 года в 16ш часов на заседании диссертационного совета Д223.006.01 при Московской государственной академии водного транспорта по адресу: 117105, г. Москва, Новоданиловская набережная, д. 2, корп. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАВТ.

Отзывы на автореферат прошу присылать в двух экземплярах, заверенных печатью организации, в Московскую Государственную Академию Водного Транспорта по адресу: 117105, г. Москва, Новоданиловская набережная, д. 2, корп. 1. Адрес интернет - сайта: www.msawt.ru. Е - mail: msawt@msawt.ru.

Автореферат разослан «29» апреля 2011 г.

Научный руководитель: Кандидат технических наук, доцент

Белоусов Александр Романович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук

Кривошей Владимир Александрович

Кандидат технических наук, доцент Муравьев Вадим Михайлович

Ведущая организация: ОАО «Гипроречтранс»

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Е.А. Корчагин '

ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В 2010 году в эксплуатации на внутренних водных путях России находятся 168 дноуглубительных земснарядов, у 119 из которых в этом же году истечет нормативный срок службы, а к 2015 году число земснарядов с истекшим сроком службы достигнет 151. Эти земснаряды будут списаны либо подвергнуты модернизации. Также федеральной целевой программой «Развитие транспортной системы России (2010-2015 годы)» планируется строительство 22 новых земснарядов. Предположительно, как модернизация, так и строительство будут вестись в условиях ограниченных средств, и с учетом необходимости внедрения технологий энергосбережения.

Существующие методы расчета грунтонасосных установок (ГНУ) землесосов нацелены на определение работоспособности установки, но не ее энергетической эффективности.. Поэтому проблема создания методов расчета конструктивных и технологических параметров ГНУ землесоса а также создания технологии управления, позволяющей эффективно устанавливать и поддерживать энергосберегающий режим работы является актуальной.

Создание и освоение таких методов расчета рабочих режимов и конструктивных параметров оборудования землесосов позволит увеличить производительность, снизить удельные эксплуатационные энергозатраты, расширить технологические возможности дноуглубительных земснарядов.

Цель диссертационной работы.

Целью данной работы является:

- создание метода расчета элементов конструкции и характеристик ГНУ, в широком диапазоне грунтовых и технологических условий;

- исследование, на основании разработанного метода, влияния грунтовых и технологических условий, конструктивных параметров отдельных элементов установки на рабочие параметры и характеристики;

-разработка технологии управления режимами ГНУ для повышения технико-экономических показателей эксплуатируемых землесосов.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы состоит в следующих, выносимых на защиту

компонентах:

- Разработана современная методика компьютерного расчета параметров ГНУ землесосов при работе в любых технологических и грунтовых условиях;

- Выполнен анализ влияния технологических и грунтовых условий на показатели ГНУ землесоса, и определен характер взаимовлияния параметров перекачиваемой гидросмеси и рабочих режимов гидротранспорта;

- Установлена степень влияния конструкции ГНУ и условий ее работы на удельные энергозатраты, на фактическую производительность землесоса;

- Разработан алгоритм выбора режима работы ГНУ в зависимости от ее возможностей и внешних условий для достижения минимальных удельных энергозатрат либо максимальной производительности;

- Впервые разработана методика расчета параметров грунтозаборных устройств для работы «из массива».

Практическая ценность работы.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- создана возможность расчета любых параметров и характеристик ГНУ, работающей в широком диапазоне грунтовых и технологических условий, разработаны алгоритмы компьютерного расчета параметров работы ГНУ;

- Выполнен анализ взаимодействия элементов ГНУ с транспортируемой гидросмесью и построена номограмма для выбора рабочего режима в зависимости от исходных технологических условий и показаний штатных КИП землесоса на примере землесоса проекта 1-516.

- Определены параметры специального всасывающего наконечника для работы «из массива», обеспечивающие его бесперебойную работу;

- Определена зависимость между допустимой скоростью перемещения землесоса с наконечником для работы «из массива», глубиной грунтозабора и толщиной снимаемого слоя.

Внедрение результатов работы.

Результаты данного исследования приняты: на землесосах проекта 1-516 к внедрению при модернизации грунтозаборного устройства и составлении технологических карт работы рядом подразделений водного транспорта (Печорского и Северодвинского ГБУВПиС, ФГУП КИМ). Получены предложения подразделений о проведении аналогичных расчетов с использованием рассмотренного метода для других типовых землесосов.

Апробация работы.

Материалы и положения диссертационной работы докладывались на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГАВТ, в секции «Водные пути» в 2000 - 2009 г.г., на научно-производственном совещании командиров земснарядов Управления канала им. Москвы, в 1999г.

Публикации.

Основные положения работы опубликованы в 6 работах, в том числе в журнале «Речной транспорт (XXI век)», (№6 2009г.), входящем в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, библиографического списка и приложений. Общий объем составляет 125 страниц, в том числе 16 рисунков, 12 таблиц, 51 наименование библиографического списка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение.

Во введении дается общая характеристика работы и актуальность выбранной темы, отмечаются основные положения и цели работы.

Первая глава.

В первой главе рассмотрены конструкции дноуглубительных землесосов, их область применения, показатели эффективности работы, существующие принципы проектирования и постройки. Оценена необходимость и показаны основные пути повышения общей эффективности землесосных дноуглубительных снарядов. Обоснована потребность более полной информации о технологических параметрах работы ГНУ. Показаны факторы, ограничивающие производительность ГНУ. Рассмотрены ее конструктивные особенности (см. рисунок 1).

Рис. 1 Схема грунтонасосной установки (1- грунтовый насос и его привод, 2, 3-всасывающий и напорный трубопроводы, 4- грунтозаборное устройство, 5-концевой выкидной патрубок).

Выполнен обзор существующих методов расчета ГНУ и обоснован выбор одного из методов для дальнейшей работы. Сформирован алгоритм повышения эффективности ГНУ, и представлена методика дальнейшего исследования.

Способы повышения эффективности работы землесоса в целом можно разбить на две основные группы: технические и организационные

(организационные в данной работе не рассматриваются). К техническим способам относятся:

- выбор рациональных режимов работы грунтового насоса для различных грунтовых и технологических условий,

подбор параметров, обеспечивающих эффективный транспорт гидросмеси с сокращением риска возникновения забоя трубопровода,

- создание грунтозаборного устройства, обеспечивающего эффективную разработку грунта при завале грунтом всасывающего наконечника,

- отслеживание факторов, влияющих на производительность и управление ГНУ с целью поддержания ее максимально эффективной работы в меняющихся условиях.

Максимально возможная производительность землесоса ограничивается либо процессом разработки грунта, либо всасывающей, либо гидротранспортирующей способностью, либо максимальной мощностью привода ГНУ. Для наиболее полного использования возможностей землесоса в процессе управления его работой необходимо выявить ограничивающий фактор. Эффективность работы ГНУ может определяться различными критериями, в зависимости от решаемых на данном объекте задач и выставленных приоритетов — экономичная работа, ускоренное выполнение объема работ и т.п..

. Задача увеличения эффективности для какого-либо конкретного режима работы может решаться по следующей схеме:

- Выявление текущего приоритета (цели);

- Определение рационального режима работы с учетом установленного приоритета и конкретных грунтовых и технологических условий;

- Предварительное определение ограничивающих факторов, препятствующих достижению желаемого режима работы, и по возможности их устранение;

- При невозможности устранения ограничивающего фактора выбор режима работы, максимально приближенного к желаемому, но с учетом

действующего ограничения; - Достижение выбранного режима работы, контроль, и его постоянная корректировка, с учетом технологических параметров, меняющихся в процессе работы с исключением критических режимов.

Повысить экономичность ГНУ в определенных грунтовых и технологических условиях можно выбором такого режима работы, при котором количество перекаченного грунта на единицу мощности максимально. Имеющийся на существующих и проектируемых землесосах комплект контрольно-измерительных приборов не позволяет судить об экономичности или производительности ГНУ, следовательно, для эффективного управления землесосом необходим расчет рабочих режимов и параметров ГНУ. В работе выполнен обзор существующих методов расчета и анализ их возможностей и недостатков, обосновывается выбор метода A.C. Старикова в качестве базового для математического расчета параметров ГНУ.

Для решения поставленной задачи достижения максимально эффективной работы землесоса в постоянно меняющихся условиях, необходимы новые технически и технологические решения, что требует создания и освоения современных методов расчета рабочих режимов и конструктивных параметров оборудования дноуглубительных земснарядов при их проектировании, постройке, эксплуатации и модернизации.

Вторая глава.

Во второй главе представлены принятые автором основные математические зависимости для расчета характеристик ГНУ. Рассмотрены паспортные характеристики насоса (зависимость отдельных параметров насоса от его производительности - Q): напорная характеристика (H-Q), характеристика К.П.Д. (r|-Q), кавитационная характеристика (Нпрвак- Q), характеристика потребляемой мощности (N- Q) и влияние на них свойств перекачиваемой гидросмеси (ее плотности, фракционного состава грунта), частоты вращения вала грунтового насоса. Напор, создаваемый грунтовым

насосом, полностью расходуется на преодоление гидравлического сопротивления транспортирования гидросмеси по всасывающему и напорному трубопроводам. В соответствии с принятой методикой A.C. Старикова, полное сопротивление трубопроводов складывается из потерь на трение Нтр по длине трубопровода AL диаметром D, на подъем смеси от дна до уровня воды и от уровня воды до оси выкидного патрубка, на сообщение гидросмеси кинетической энергии а также на местные сопротивления, в том числе и на сопротивление всасывающего наконечника. В главе уточнены формулы расчета этих потерь, выполнен анализ базовых коэффициентов.

Показано, что объем приведенных в данной главе зависимостей достаточен для расчета параметров грунтонасосной установки.

Третья глава.

В третьей главе рассмотрено построение на основе принятых зависимостей первой математической модели исследуемого объекта -грунтонасосной установки. Показано построение математической модели системы насос-трубопровод, вывод основных уравнений системы, обоснование входящих в уравнения параметров, построение алгоритма для расчета основных показателей рабочего процесса землесоса.

Для ГНУ рассматриваемого проекта землесоса основное уравнение равновесия записывается в виде:

Ннас = 2Нпотерь (1)

где Н„ас - полный напор грунтового насоса

Нпотерь_ потери напора в элементах грунтонасосной установки

Для определения напора, создаваемого грунтовым центробежным насосом необходимо знать напорную характеристику насоса в зависимости от подачи, частоту вращения рабочего колеса насоса, а также определенные свойства перекачиваемой гидросмеси. В созданной математической модели было принято, что напорная характеристика фунтового насоса является

функцией Ннас=ВДнас;кн;ргс/рв;п) заданной в графическом виде при определенных фиксированных условиях (р=рв=сопз1; п=ппом=сопз1).

В соответствии с исследованиями, описанными в гл. 2, принимаем, что коэффициент изменения напора насоса кн, является функцией к„=Г(ргс/рв; с1ср). Функция задана графически семейством зависимостей кн=Г(ргс/р„), определенных для различного рода грунта, объединенных по группам: ил, мелкий песок, средний песок, крупный песок.

Суммарные потери ЕНпотерь определяются в соответствии с формулой (2). Для построения математической модели необходимо рассчитать суммарные потери по всей длине трубопровода, а также, для выявления ограничивающего фактора по кавитации, отдельно рассчитать потери на участке от всасывающего патрубка до входного патрубка насоса.

Нпотерь = Нвс + Нсквс + Нтр + Н2 + нт + Ннак ^ ^ ^

Сложив для данной системы все действующие потери (£НП0Терь) и напоР насоса (Ншс), установленного в системе, приравняем эту сумму нулю. В результате получим алгебраическое уравнение. Задаваясь некоторыми переменными, входящими в это уравнение, и решая его по отношению к другим переменным, можно рассчитать параметры работы грунтонасосной установки во всех возможных режимах. Запишем это уравнение:

кДтр

ргед4 V2

Рв О,

. „ ргс V' ргс V"

X-+ Х-+ —X-+

2ё ^Ср„ 2ё рв 2ё

\4

— х—+ Дг—+ Рв 2ё Рв

— 1

Рв

хТ-кнНв — = 0 Рв

(3)

При этом должны выполняться следующие ограничивающие условия: - ограничение по всасывающей способности насоса:

2 „ Л/2

О I "2

КК~—х

р Рв Ивс 22

гс~вс V" Е ргс V' ргс V- А рге Рв 2g рв 2g рв

1Рв

хТ<Нпр;

-ограничение по критической скорости транспортирования гидросмеси:

V-Уф! (5)

- ограничение по максимальной мощности: Ынас < Ыдв. (6)

Автором разработан алгоритмы расчета режимов работы системы для различных независимых параметров и переменных. При этом для расчета различных переменных требуется применение соответствующих методов и алгоритмов. Некоторые из параметров требуют задания в явном виде в соответствии с целью расчета, а некоторые являются зависимыми от них. Основные переменные записаны в виде таблицы (табл.1):

Таблица 1. Расчетные модели и использованные переменные:

Вид расчета Цель расчета Назначаемые переменные Вычисляемые переменные

Расчет параметров работы установки на установившихся режимах. Определение теоретического диапазона возможных рабочих параметров ГНУ для заданных грунтовых и технологических условий Консистенция Се, обороты вала насоса п Напор насоса Н„ коэффициенты кГ) кн, скорость перекачивания V, коэффициент сопротивления Х,р, результирующие параметры работы (мощность, количество перекачанного грунта, и т.п.)

- // - (то же) Определение возможности стабильной работы ГНУ в условиях изменения конструктивных параметров То же, дополнительно изменяется требуемый параметр То же, дополнительно можно вычислить величину изменения параметра до срыва работы ГНУ и контрольные параметры

Расчет параметров работы установки в условиях изменения технологических условий Определение возможностей управления ГНУ, работающей на установившемся режиме, и достижения заданных параметров Консистенция Се, скорость перекачивания V, либо потребляемая мощность обороты вала насоса п, напор насоса Н„ коэффициенты кг, км, коэффициент сопротивления ХтР, результирующие параметры работы (мощность, количество перекачанного грунта, и т.п.), контрольные параметры.

Расчет параметров работы установки на установившихся режимах в идеальных условиях грунтозабора Определение предельных параметров ГНУ, возможных в заданных грунтовых и технологических условиях Обороты вала насоса п, скорость перекачивания V Консистенция Се, напор насоса Н„ коэффициенты кг, к(1, коэффициент сопротивления ^р, результирующие параметры работы (мощность, количество перекачанного грунта, и т.п.), контрольные параметры.

Четвертая глава.

В четвертой главе проведена проверка адекватности математической модели, рассмотрены результаты сравнения результатов расчетов рабочего

режима грунтонасосной установки, полученных с помощью модели, с параметрами реального тестового рабочего режима. Для качественной оценки адекватности построенной математической модели, проведен анализ учитываемых моделью факторов. Для оценки степени соответствия построенной математической модели реальной грунтонасосной установке, были сопоставлены вычисленные и замеренные параметры. Для дополнительной проверки, на основании замеренных параметров была построена фактическая напорная характеристика насоса и выполнено ее сравнение с паспортной. На основании этой проверки подтверждается правильность математической модели. Определены причины отклонений действительных значений от рассчитанных, состоящие в основном из изменений паспортных характеристик насоса и потерь в системе по мере эксплуатации землесоса. Выполнены необходимые изменения в алгоритме расчета и в программе, для компенсации таких отклонений: -скорректировано значение коэффициента местного сопротивления всасывающего наконечника; - уточнена напорная характеристика грунтового насоса.

Пятая глава.

В пятой главе показано применение разработанной математической модели работы ГНУ для определения степени влияния некоторых конструкционных и технологических параметров на удельную и фактическую производительность по грунту. Определено количественное влияние изменения оборотов насоса, высоты и диаметра выкидного патрубка, длины напорного трубопровода, консистенции гидросмеси. Установлено, что консистенция гидросмеси наиболее сильно влияет и на экономичность и на производительность ГНУ. Существенного улучшения экономичности работы установки можно также добиться изменением (уменьшением) оборотов грунтового насоса.

В качестве примера, выполнен расчет рабочих режимов ГНУ землесоса

проекта 1-516, и создана номограмма, позволяющая установить допустимые экономичный или высокопроизводительный режимы, основываясь на показаниях штатных контрольно-измерительных приборов (вакууметра, манометра и частоты вращения привода насоса). Вариант номограммы (см. рисунок 2), представлен для одного из видов грунта - среднего песка в координатах число оборотов привода - полный напор насоса. Поле возможных рабочих режимов на данном графике ограничено линией максимально допустимых оборотов привода насоса и линией критической подачи гидросмеси. Для достижения режима максимального энергосбережения без изменений процесса грунтозабора и производительности землесоса возможен переход из рабочей точки «Л» (на рисунке 2) к точке «Б» путем соответствующего уменьшения частоты вращения привода. Для достижения режима максимальной производительности возможен переход от точки «А» к точке «В» путем увеличения интенсивности грунтозабора и соответствующего увеличения частоты вращения привода.

Интенсификация грунтозабора - повышение консистенции гидросмеси позволит полностью использовать резервы мощности и производительности грунтонасосной установки. Решение этой задачи без риска срыва рабочего процесса и остановки движения гидросмеси при обрушении грунта может быть обеспечено применением специальной конструкции грунтозаборного устройства кафедры дноуглубления МГАВТ со свободной саморегулируемой подачей чистой воды в зону всасывания.

м.в.ст. __ рг Линия Крит ической Линии постоянного

31 | подачи (экономичный рожим) объемного расхода по грунт у

30 |■■•:■■■

Рис. 2. Номограмма для выбора режима работы грунтонасосной установки.

Эксплуатация таких наконечников показала их высокую эффективность, но необходимость более точных расчетов конструктивных параметров. Для выполнения этих расчетов автором на базе принятых ранее зависимостей разработана вторая математическая модель процесса всасывания водогрунтовой смеси наконечником этого типа. Расчетная схема наконечника приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Расчетная схема всасывающего наконечника для работы «из массива» (1-зев наконечника, 2-точка подсоединения коллектора чистой воды. 3- вход в коллектор. 4 - всасывающий трубопровод).

Основным условием, определяющим эффективную работу наконечника,

является правильный подбор гидравлического сопротивления коллектора

подвода чистой воды. Модель разработана на основании основного уравнения

(7) равновесия системы.

|<}„ак+<Зтр=<ЗвС |Н„ак ~ Н^ = О

Для примера автором выполнены расчеты параметры наконечника для работы «из массива», показавшие необходимость коррекции его конструкции.

При использовании всасывающего наконечника этого типа возникает зона псевдоожиженного грунта и сопротивление рабочему перемещению землесоса значительно снижается по сравнению с работой обычным наконечником. Учитывая эту особенность, необходимо расчитывать допустимую скорость рабочего перемещения землесоса. Для выполнения этих расчетов автором разработана третья математическая модель процесса грунтозабора, учитывающая условие равенства объема грунта на участке траншеи разрабатываемой с определенной скоростью и объема грунта, перекачиваемого ГНУ при максимально возможной для данных условий производительностью:

Чгр.тр. =Чгр,уст. (8)

Показано, что требуемая скорость линейного перемещения зева

всасывающего наконечника: %

V.

1гр.уст.

тр-

■1 гр.уст.

где: Ягруст, м /с- рассчитываемая на первой математической модели, максимальная для данных условий производительность грунтонасосной установки по грунту, с учетом работы всасывающего наконечника с дополнительным подводом воды, и с учетом ограничения по минимальной скорости гидросмеси в напорном трубопроводе. С помощью третьей модели выполнен вариант расчетов для землесоса проекта 1-516 при работе на средних песках, различной глубине и толщине снимаемого слоя. По результатам расчетов построены графики зависимости скорости движения землесоса по становому тросу от толщины снимаемого слоя грунта, и глубины грунтозабора (см. рисунок 4).

При соблюдении рассчитанной для данных условий скорости линейного перемещения гарантируется достижение проектной глубины участка, и работа грунтонасосной установки в наиболее эффективном режиме, как с точки зрения экономичной работы по отношению к количеству перекачанного грунта, так и с точки зрения максимальной производительности и минимального времени выполнения дноуглубительных работ на данном участке.

---------------------------------------------------------------------------------------

\

-» М»тр» -4 ! «ер» * »«-рв»

Топщина еинмммого епо» грунт», м

Рис.4. Зависимость скорости движения землесоса по становому канату от толщины снимаемого слоя грунта, и глубины грунтозабора

выводы.

По результатам выполненной работы автором:

- Разработан метод анализа процесса гидротранспорта, расчета конструктивных и технологических параметров грунтонасосных установок землесосов при работе в любых технологических и грунтовых условиях;

- Выполнен анализ влияния технологических и грунтовых условий на показатели грунтонасосной установки землесоса и определен характер взаимодействия параметров перекачиваемой гидросмеси и рабочих режимов гидротранспорта;

- Установлена степень влияния конструкции элементов грунтонасосной установки и условий ее работы на удельные и суммарные энергозатраты, а также на фактическую производительность землесоса;

- Создан алгоритм выбора режима работы грунтонасосной установки р зависимости от ее возможностей и внешних условий для достижения минимальных энергозатрат либо максимальной производительности;

- Создана методика расчета параметров грунтозаборных устройств, обеспечивающих устойчивую работу грунтонасосной установки в любых технологических условиях, и алгоритм управления грунтонасосной установкой, оборудованной таким наконечником.

ДОСТИГНУТЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВНЕДРЕНИЕ.

Результаты данного исследования приняты:

- Рядом подразделений водного транспорта (Печерского и Северодвинского ГБУВПиС, ФГУП КИМ) на землесосах проекта 1-516 - к внедрению при модернизации грунтозаборного устройства и составлении технологических карт работы землесосов.

- Получены предложения подразделений о проведении аналогичных расчетов с использованием рассмотренного метода для других типовых землесосов

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Белоусов А.Р., Гетьман Д.И., Киселев Д.М. Методика расчета элементов

конструкции и рабочих режимов грунтонасосной установки землесоса. // «Речной транспорт (XXI век).» 2009. - № 6 (42). - с. 64.

2. Гетьман Д.И. Определение конструктивных параметров всасывающего наконечника грунтонасосной установки с использованием математической модели. II Фундаментальные физико-математические проблемы и моделирование технико-технологических систем. / Сборник научных трудов - М.: Станкин. Вып. 10. - 2007. - 203 е., с. 156.

3. Белоусов А.Р., Гетьман Д.И. Совершенствование конструкции, методов проектирования и эксплуатации современных дноуглубительных землесосов. // «Водные пути России: строительство, эксплуатация, управление» / Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 200-летию подготовки кадров для водного транспорта России: 1-2 окт. 2009г. - СПб.: ФГОУ ВПО СПГУВК, 2009 - 427 е., с.233

4. Белоусов А.Р., Гетьман Д.И. Особенности гидравлических режимов работы грунтозаборных наконечников с дополнительным подводом воды. // «Секция Водные пути и порты» / Материалы научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов. - М.: МГАВТ, 2001г.-63 е., с.28.

5. Гетьман Д.И. Особенности работы грунтонасосной установки земснарядов. // «Секция Водные пути и порты» / Материалы научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов. - М.: МГАВТ, 2000г. - 55 е., с.28.

6. Белоусов А.Р., Гетьман Д.И., Киселев Д.М. К вопросу о расчете неразветвленных гидродинамических систем. // Совершенствование земснарядов и технологии переработки нерудных строительных материалов. / Сборник научных трудов - М.: МГАВТ, 1999. - 128 е., с. 77.

Подписано в печать 27.04.2011 г. Тираж 100 экз. Заказ № 1151 Отпечатано в типографии «ДЦ «Каретный Двор»» 101000, Москва, Лубянский пр., д.21, стр.5-5а Тел.: (499) 263-00-50 Факс: (499) 263-00-51 vvwvv.allaprint.ru

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОПИСАНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДНОУГЛУБИТЕЛЬНЫХ СНАРЯДОВ. АКТУАЛЬНОСТЬ ЗАДАЧИ.

1.1. Общие сведения о земснарядах и их область применения.

1.2. Типы оборудования землесосов.

1.3. Режимы работы землесоса.

1.4. Критерии эффективности работы земснарядов.

1.5. Способы увеличения эффективности работы.

1.6. Факторы, ограничивающие эффективность работы грунтонасосной установки.

1.7. Особенности работы грунтонасосной установки и формирования рабочего режима, взаимодействие грунтового насоса, всасывающего и напорного трубопроводов как системы.

1.8. Существующие методики расчета параметров установившихся режимов систем гидравлического транспорта.

1.9. Приоритетные пути повышения эффективности и экономичности грунтонасосной установки, на основании анализа физических принципов ее работы.

1.10. Задачи и методика исследований.

ГЛАВА И. ОСНОВНЫЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ

РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ГНУ РЕЧНЫХ ЗЕМЛЕСОСОВ.

2.1. Изменения свойств гидросмеси и характеристик грунтового насоса.

2.2. Гидравлические характеристики всасывающего и напорного трубопроводов.

ГЛАВА III. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА,

ПРОТЕКАЮЩЕГО В СИСТЕМЕ НАСОС-ТРУБОПРОВОД.

3.1. Основные уравнения для построения математической модели.

3.2. Математическая модель. Основное уравнение равновесия системы.

3.3. Алгоритмы расчета основных параметров системы.

ГЛАВА IV. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ И РАСЧЕТНАЯ ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ И НАТУРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ. КОРРЕКТИРОВКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ.

4.1. Оценка адекватности математической модели.

4.2. Методика сравнения расчетов по модели и фактических замеров.

4.3. Тестовая конфигурация - параметры грунтонасосной установки, использованные в натурных исследованиях, режимы, на которых проводились исследования.

4.4. Замеренные параметры.

4.5. Рассчитанные параметры.

ГЛАВА V. ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

ТЕХНОЛОГИИ РАБОТЫ И КОНСТРУКЦИИ ГРУНТОНАСОСНОЙ УСТАНОВКИ ЗЕМЛЕСОСА С ПОМОЩЬЮ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ.

5.1. Анализ влияния различных факторов на эффективность работы грунтонасосной установки.

5.2. Расчет режимов работы грунтонасосной установки в различных грунтовых и технологических условиях.

5.3. Подбор и расчет всасывающего наконечника и его элементов.

5.4. Расчет рабочих перемещений землесоса при всасывании грунта из массива грунтозаборным устройством с дополнительным водоподводящим каналом.

В 2010 году в эксплуатации на внутренних водных путях России находятся 168 дноуглубительных земснарядов, у 119 из которых в этом же году истечет нормативный срок службы, а к 2015 году число земснарядов с истекшим сроком службы достигнет 151. Эти земснаряды будут списаны либо подвергнуты модернизации. Также федеральной целевой программой «Развитие транспортной системы России (2010-2015 годы)» планируется строительство 22 новых земснарядов. Предположительно, как модернизация, так и строительство будут вестись в условиях ограниченных средств, и с учетом необходимости внедрения технологий энергосбережения.

Существующие методы расчета грунтонасосных установок землесосов нацелены на определение работоспособности установки, но не ее энергетической эффективности. Поэтому является актуальной проблема создания отвечающих современным требованиям методов расчета конструктивных и технологических параметров грунтонасосной установки землесоса (ГНУ), а также создания технологии управления, позволяющей эффективно устанавливать и поддерживать энергосберегающий режим работы грунтонасосной установки.

Создание и освоение таких методов расчета рабочих режимов и конструктивных параметров оборудования землесосов позволит увеличить производительность, снизить удельные эксплуатационные энергозатраты, расширить технологические возможности дноуглубительных земснарядов при их проектировании, постройке, эксплуатации и модернизации.

Целью данной работы является создание метода расчета параметров и характеристик грунтонасосной установки, отличающегося возможностью расчета любых параметров ГНУ, работающей на заданном режиме, в широком диапазоне грунтовых и технологических условий; исследование, на основании разработанного метода, технологического процесса грунтонасосной установки и влияния грунтовых, технологических условий и конструктивных параметров отдельных элементов установки на рабочие параметры и характеристики; разработка технологии наиболее эффективного управления режимами работы грунтонасосного комплекса для повышения технико-экономических показателей эксплуатируемых землесосов. Для достижения цели работы были решены следующие задачи: Разработана современная методика компьютерного расчета конструктивных и технологических параметров грунтонасосных установок землесосов при работе в любых технологических и грунтовых условиях;

Выполнен анализ влияния технологических и грунтовых условий на показатели грунтонасосной установки землесоса, и определен характер взаимодействия параметров перекачиваемой гидросмеси и рабочих режимов гидротранспорта;

Установлена интенсивность влияния конструкции некоторых элементов грунтонасосной установки и условий ее работы на удельные и суммарные энергозатраты, а также на фактическую производительность землесоса;

Разработан алгоритм выбора режима работы грунтонасосной установки в зависимости от ее возможностей и внешних условий для достижения минимальных удельных энергозатрат либо максимальной производительности;

Впервые разработана методика расчета параметров грунтозаборных устройств, обеспечивающих устойчивую работу грунтонасосной установки в любых технологических условиях.

При выполнении данной работы были достигнуты следующие практические результаты: создана возможность расчета любых параметров и характеристик грунтонасосной установки, работающей в широком диапазоне грунтовых и технологических условий, разработаны алгоритмы компьютерного расчета параметров работы грунтонасосной установки;

Выполнен анализ взаимодействия элементов грунтонасосной установки с транспортируемой гидросмесью и построена номограмма для выбора рабочего режима грунтонасосной установки в зависимости от исходных технологических условий и показаний штатных КИП землесоса на примере землесоса проекта 1-516.

Определены конструктивные параметры специального всасывающего наконечника для работы «из массива», обеспечивающие его бесперебойную работу;

Определена зависимость между скоростью перемещения землесоса, оборудованного специальным всасывающим наконечником для работы «из массива», и рядом технологических параметров: производительностью по грунту, глубиной грунтозабора, толщиной снимаемого слоя, для обеспечения эффективной работы землесоса, оборудованного таким наконечником.

Результаты данного исследования приняты: на землесосах проекта 1-516 -к внедрению при модернизации грунтозаборного устройства и составлении технологических карт работы землесоса; рядом подразделений водного транспорта (Печорского и Северодвинского ГБУВПиС, ФГУП КИМ). Получены предложения подразделений о проведении аналогичных расчетов с использованием рассмотренного метода для других типовых землесосов.

Материалы и положения диссертационной работы докладывались на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов МГАВТ, в секции «Водные пути» в 2000 и 2001 г.г., на научно-производственном совещании командиров земснарядов Управления канала им. Москвы, в 1999г.

Основные положения работы опубликованы в 6 работах, в том числе в журнале «Речной транспорт (XXI век)», (№6 2009г.), входящем в перечень ВАК.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В результате выполненной работы, автором:

Разработан метод анализа процесса гидротранспорта, расчета конструктивных и технологических параметров грунтонасосных установок землесосов при работе в любых технологических и грунтовых условиях;

Выполнен анализ влияния технологических и грунтовых условий на показатели грунтонасосной установки землесоса и определен характер взаимодействия параметров перекачиваемой гидросмеси и рабочих режимов гидротранспорта;

Установлена степень влияния конструкции элементов грунтонасосной установки и условий ее работы на удельные и суммарные энергозатраты, а также на фактическую производительность землесоса;

Создан алгоритм выбора режима работы грунтонасосной установки в зависимости от ее возможностей и внешних условий для достижения минимальных энергозатрат либо максимальной производительности;

Создана методика расчета параметров грунтозаборных устройств, обеспечивающих устойчивую работу грунтонасосной установки в любых технологических условиях, и алгоритм управления грунтонасосной установкой, оборудованной таким наконечником.

Результаты данного исследования приняты:

На землесосах проекта 1-516 — к внедрению при модернизации грунтозаборного устройства и составлении технологических карт работы землесоса.

Рядом подразделений водного транспорта (Печорского и Северодвинского ГБУВПиС, ФГУП КИМ).

Получены предложения подразделений о проведении аналогичных расчетов с использованием рассмотренного метода для других типовых землесосов.

116

1. Алексеева Т.В и др. Машины для земляных работ. М., «Машиностроение», 1964.

2. Бессонов Е.А. «Технология и механизация гидромеханизированных работ» — М.: Центр, 1999.

3. Бессонов Е.А. Энциклопедия гидромеханизированных работ. Словарь-справочник. М.: Изд-во «1989. ру», 2005г.

4. Бычков И.П. Суда технического флота. Л -М, Водтрансиздат, 1954

5. Гарбузов З.Е. и др. Землеройные машины непрерывного действия М.-Л., «Машиностроение», 1965,

6. Горбунов Д.И. Дноуглубление. М.: Транспорт, 1984, 232 с.

7. Гришанин К.В., Дегтярев В.В., Селезнев В.М. Водные пути. М. Транспорт, 1986. 400 с.

8. Жученко В.А. Новая технология гидромеханизированпой добычи и разработки грунтов. М.: Стройиздат, 1973. 285 с.

9. Иванов В.А., Лукин Н.В., Разживин С.Н. Суда технического флота. М.: Транспорт, 1982. 366 с.

10. Инструкция по гидравлическому расчету систем напорного гидротранспорта грунтов. ВНИИГ им. Веденеева. Л.: Энергия, 1972.

11. Краковский И.И. Суда технического флота. Л., «Судостроение», 1968.

12. ЛеваМ. Псевдоожижение. Пер. с нем. М.: Гостоптехиздат, 1961. 724 с.

13. Лобанов В. А. Справочник по технике освоения шельфа. Л.: Судостроение, 1983. 288 с.

14. Меламут Д. Л. Гидромеханизация в мелиоративном и водохозяйственном строительстве. М.: Стройиздат, 1981. 300 с.

15. Нурок Г. А., Гидромеханизация открытых разработок, М., 1970.

16. Нурок Г.А. Процессы и технология гидромеханизации открытых горных работ. М.: Недра, 1985. 472 с.

17. Огородников С.П. Гидромеханизация разработки грунтов. М.: Стройиздат. 1986. 256 с.

18. Перехвальский B.C. Скалоуборочные работы на реках. М.: Транспорт, 1982. 85 с.

19. Попов Ю.А., Рощупкин Д.В., Пеняскнн Т.И. Гидромеханизация в северной строительно-климатической зоне. Л.: Стройиздат, 1982. 224 с.

20. Прандтль Л. Гидромеханика. М., ИЛ., 1951.

21. Пятницкий К.А. Эксплуатация самоотвозных землесосных снарядов. М.: Транспорт, 1983. 224 с.

22. Рощупкин Д.В. Разработка грунтов землесосными снарядами. М.: Транспорт, 1969. 136 с.

23. Силин H.A., Коберник С.Г. Режимы работы крупных землесосных снарядов и трубопроводов. Киев: Изд-во АН УССР, 1962. 215 с.

24. Смолдырев А.Е. Гидравлическое транспортирование высококонцентрированных гидросмесей, Л., 1989.

25. Смолдырев А.Е. Рекомендуемые методы расчета гидравлического транспорта. М.,Недра, 1964

26. Смолдырев А.Е. Трубопроводный транспорт. М.: Недра, 1980

27. Смолдырев А.Е., Сафонов Ю.К. Трубопроводный транспорт концентрированных гидросмесей. Машиностроение, 1973. \

28. Смолдырев А.Е., Спиваковский А.О. Движение гидро- и аэросмесей горных пород-М.:Наука, 1966.

29. Спиваковский А.О., Дьячков В.К. Транспортирующие машины, М, Машгиз, 1968,

30. Справочник металлиста М, Машгиз, 1960

31. Стариков A.C. Технологические процессы земснарядов. М.: Транспорт, 1989. 220 с.

32. Стариков A.C. Технология работы речных земснарядов. М.: Транспорт, 1969. 240 с.

33. Техническая инструкция по производству землечерпательных работ. М,: Транспорт, 1987. 120 с.

34. Трайнис В.В. Параметры и режимы транспортирования угля потрубопроводам. M. Наука, 1970

35. Фрейлих Г.З., Но H.I. Дноуглубительный флот М, «Транспорт», 1964

36. Шкундин Б. М. Землесосные снаряды, М., 1968

37. Шкундин Б.М. Землесосные работы в гидротехническом строительстве. М.: Высшая школа, 1977. 239 с.

38. Юфин А.П. Гидромеханизация. М.: Стройиздат, 1974. 224 с.

39. Яковлев C.B. Ласков Ю.М. Перекачка ила и осадков сточных; вод.М., Госстройиздат. 1961.

40. Гетьман Д.И. Особенности работы грунтонасосной установки земснарядов. // «Секция Водные пути и порты» / Материалы научно-практической конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов. М.: МГАВТ, 2000г. - 55 е., с.28.

41. Roorda A., Veriregt I. Floating dredges, Haarlefn, 1963

42. I.H.C. Dredger Division Bucket Dredgers I.H.C. Holland, 1972 17, BIdum R., Marnits F. Die Schwimmbagger Bd. II. Springer, 1963

43. Welte A, Olhydiaulische Aniiiebe irn Schwimmbaggerbau Alb der Zeitschrift Olhydraulik und pneumatik, № 8, 1966.

44. Ir. S.E.M. de Bree. Centrifugal dredgepumps part 8. "Ports and Dredges" # 87, 1975

45. O.Radio G. Kohletischlamm. Transport durch Rohrleitungen Bauzeitung, 1971

46. Boulden L. Moving solids like liquids Vfch.Dec., 1978. p.87-92.96: Elliot D.E., Gliddom D.J. Hydrotransport 1. 1-st Int. Conf.Hydraul. transp. Solid Pipes. 1980120