3256
.pdfНа правах рукописи
Никитаев Игорь Владимирович
СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ГИДРОГРЕЙФЕРНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ДОБЫЧИ РУДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА КОНТИНЕНТАЛЬНОМ ШЕЛЬФЕ
Специальность: 05.08.05 - судовые энергетические установки
АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
H. Новгород-2000
Работа выполнена на кафедре «Прикладная механика и подъемно-
транспортные машины» в Волжской государственной академии водного транспорта.
Научныйруководитель |
доктор технических наук, профессор |
|
Слюсарев А.С. |
Научный консультант |
кандидат технических наук, |
|
доцентЛогинов E А |
Официальные оппоненты |
доктор технических наук, |
|
Попов Н.Ф. |
|
кандидат технических наук, |
|
Арефьев Н.Н. |
Актуальность работы. В настоящее время наблюдаются большие потребности в сырьевых ресурсах промышленно-развитых стран мира. Особенно необходимы такие полезные ископаемые, как никель, марганец, кобальт, кадмий, медь. По информации зарубежных источников к 2500 г. будут израсходованы запасы всех металлов, находящихся на суше. В то же время, один из самых богатейших залежей рудных ресурсов в мире, скрыты в недрах мирового океана, и прежде всего в его шельфовых зонах на глубинах от 100 м. до 5 км. За рубежом в настоящее время из прибрежно-шельфовых отложений добывается до 50% ильменита, 80% монацита, 98% рутила и 100% циркония. Главное богатство шельфовой зоны составляют железомарганцевые конкреции, встречающиеся в пределах шельфовых морей - Карского, Балтийского, Баренцева и др. на большом диапазоне глубин.
Добыча полезных ископаемых на больших глубина требует специальной техники. Для этого наиболее готовы к внедрению плавучие грейферные установки. Однако применение грейферов большой вместимости накладывает определенные условия на эти установки и прежде всего при извлечении грейфера на поверхность из воды.
Кафедрой ПТМ ГИИВТа было предложено устройство с разгрузкой грейфера под водой, под днищем грейфера за счет гидротранспортных установок (а.с.825777). Однако для реализации данного проекта в настоящее время нет теории расчета грейфера, работающего под водой, и особенно на больших глубинах, кроме ряда эмпирических коэффициентов, вводимых в примятую методику расчета, учитывающих гидродинамическое сопротивление и действие "присоса". Несмотря на качественное отличие физической картины зачерпывания и резания фунта под гидростатическим давлением от аналогичного
процесса на суше, основанием для создания теории служат работы, связанные с зачерпыванием "сухого" и водонасыщенного материалов, а также работы по резанию водонасыщенных материалов под гидростатическим давлением при заглублении кабелей и других коммуникаций. Анализ работ по зачерпыванию "сухого" материала показывает что основные исследования в этом направлении были
выполнены следующими авторами: M. П. Александровым, А. И. Дукельским, H, И. Ерофеевым, Б. П. Румянцевым, JI. И. Малеевым, А. Б. Филяковык., A. M, Яснновским, Б. К. Стрекаловым, Д. К. Глебко, А. И. Ильченко, В. Г. Соловьевым, Г. Г. Каракулиным, P. Jl. Зенковым, Б. А. Таубером, А. С. Слюсаревым.
Основной вклад в теорию подводной разработки грунтов внесли
отечественные |
ученые Ю. |
А. |
Ветров, С. П. |
Огородников, В. И. |
Баловнев, И. |
А. Недорезов, |
В. |
Г. Моисеенко, |
А. Д. Николаев. Ими |
разработаны теоретические основы и принципы конструирования подводных грунторазрабатывающих машин.
Особенности взаимодействия рабочих органов под водой исследовали: Д. Д. Тургумбаев, M. T. Тындыбекон, А. А. Карошкин, А.
А.Шаталов, H. А. Лобанов, А. И. Копталов, M. А. Гоц, M. К. Сукач, А.
А.Курузь и др..
Целью работы является создание теории деформированных водонасыщенных грунтов под водой при зачерпывании грейферными механизмами с учетом гидростатического давления, и разработка методов расчета энергозатрат приводных энергетических установок.
Задачи исследований
Задачи теоретических исследований.
2
-Разработка физической модели водонасыщенного материала, адекватно отражающего процесс деформированная фунта грейфером на больших глубинах и определение механических характеристик, отражающихеёдеформационныесвойства.
-Разработка теории объемного деформирования грунта при его зачерпывании грейфером под.водой с учетом гидростатического давления.
-Определение причин возникновения явления «присоса» и влияния на него фильтрации грунта водным потоком под грейфером.
-Исследование аналитической зависимости влияния
гидростатическогодавления нафильтрационные процессы. Экспериментальные задачи:
-Исследование физико-механических свойств материала, зачерпываемого грейфером под водой.
-Определение коэффициентов, входящих в аналитические зависимости, описывающие явление «присоса».
-Нахождение зависимости деформации грунта от фильтрационных процессов при зачерпывании грейфером под водой с учетом гидростатического давления.
-Определение влияния гидростатического давления на уплотнения
материала в грейфере.
Научная новизна работы заключается в методе определения нагрузок, действующих на грейфер с учетом гидростатического давления при зачерпывании им груза под водой. При этом поля давлений грунта на челюсти грейфера при зачерпывании определяются при помощи безразмерных характеристик: модуля уплотняемости и коэффициента
бокового давления, которые определяются экспериментально.
3
Вработе разработан рад принципиальных теоретических
положений:
-определено усилие «присоса» возникающее при подъеме грейфера с грунта под водой;
-определено объемно-напряженное состояние сыпучего материала в грейфере при помощи безразмерных характеристик: модуля уплотняемости, коэффициента бокового давления и коэффициента трения, зависящих от физических аргументов сыпучего материала;
-разработана теория силового расчета грейферных механизмов, работающих под водой на больших глубинах;
-определены конструктивные решения уменьшающие силы сопротивления зачерпыванию и подъему грейфера под водой;
-определено влияние гидростатического давления на процесс
зачерпывания грейфером грунта под водой.
Практическая ценность и реализация результатов . Разработанный метод расчета применим к грейферным механизмам, которые работают под
,водой на глубинах от 3 до 300 м.
Разработанный метод расчета использован в курсе лекций: «Машины
непрерывного транспорта».
Разработана конструкция грейфера, зачерпывающего материал на глубине до 300 м., с использованием гидростатического давления в
процессе открытия и закрытия челюстей грейфера.
Разработана установка для исследований, процессов происходящих внутри грейфера, при зачерпывании водонасыщенного материала; явления «присоса», возникающего при отрыве грейфера с грунта.
Апробация работы. Научные результаты опубликованы в 3 печатных
работах. |
ч |
|
Обьем и структура работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение и выводы, приложение, 37 рисунков, 19 таблиц, изложена на 177 страницах, список литературы содержит 81 наименование.
Первая глава посвящена анализу теоретических и экспериментальных работ по зачерпыванию грейфером «сухого» и водонасыщенного материала и резанию водонасыщенного материала с учетом гидростатического давления. Во второй главе разработаны метод
силового расчета рабочих органов, теория расчета грейфера, особенности конструирования грейферов для зачерпывания
водонасыщенных материалов, исследовано влияние гидростатического давления на процессы зачерпывания и отрыва грейфера с грунта. В
третьей главе проведены экспериментальные исследования. В четвертой
главе проведен экономический анализ эффективности пользования грейферной установки для подводной добычи рудных материалов под
водой на глубине до 300 м. С гидроразгрузкой зачерпываемого материала под водой.
Основные положения, выносимые на защиту - в области теории грейферных механизмов, раскрытие физической
сущности деформации сыпучего водонасыщенного материала в грейфере с учетом гидростатического давления и, как следствие
этого, построение математической модели нагружения челюстей грейфера.
- в области научно-технических разработок - принципиально новый принцип работы грейфера под водой на глубине до 300 м.
-в области научно-методических разработок: метод определения
физико-механических |
свойств |
сыпучих |
водонасыщенных |
материалов. |
|
|
|
|
|
О |
|
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Физическаямодельсыпучегоматериала,
Расчеты грейферных механизмов, работающих под водой должны соответствовать деформации вязкопластичных тел, объемнонапряженное состояние которых зависит от скорости деформации с учетом фильтрации жидкости через поры сыпучих материалов при их сжатии. При зачерпывании грейфером материала на грейфер действуют следующие силы сопротивления: сопротивление резанию материала под водой челюстью грейфера; сопротивление вязко-пластического течения материала при поступлении его в челюсть; сопротивление трения материалов по стенкам челюсти (P - сумма давлений при сжатии материала, давления фильтрации и гидростатического давления на
стенки челюсти); приращение давления при сжатии материала в челюстях грейфера; приращения давления при фильтрации жидкости из материала в челюстях грейфера. В начальной фазе зачерпывания отсутствуют последние две составляющие сопротивления зачерпывания. В конечной фазе зачерпывания, когда в грейфере сформировался массив материала и происходит его сжатие, составляющей вязкостного течения
можно пренебречь, т.к. материал подвергается уплотнению.
Блок-схема технико-экономического
анализа грейферной плавучей установки с гидроразгрузкой грейфера под водой.
определение обобщенных (цилиндрических) координат, привязанных к геометрии грейфера;
определение в обобщенных координатах функции плотности; переход от функции плотности к функции давлений,
определение сил сопротивления действующих на грейфер в процессе зачерпывания и во время подъема грейфера с фунта;
определение мощности необходимой для зачерпывания грейфером грунта под водой;
7
анализ эффективности применения грейферной плавучей установки с
гидроразгрузкой грейфера подводой.
Методика расчета грейфера, представленная в табл. 1, обладает
следующими качествами:
• позволяет рассчитать рабочие органы в различном конструктивном исполнении еще на стадии проектирования за счет определения объемно-напряженного состояния сыпучего материала в органе но известным безразмерным характеристикам материала:
• позволяет проанализировать изменение нагрузок на элементы рабочего органа при изменении технологических условий или
геометрии грейфера;
• поскольку расчет ведется по распределенным нагрузкам, метод свободен от ошибок, обусловленных определением точек приложения векторов равнодействующих сил и их направлением.
• учитывается влияние: гидростатического давления на функцию уплотнения, усилия «присоса», возникающего при подъеме грейфера с грунта, ряда эмпирических коэффициентов, формы челюстей
грейфера.
Метод позволяет проанализировать, «вес» своих составляющих общего сопротивления перемещения сыпучего материала в
грейфере и наметить пути его изменения.
Теория силового расчета грейферных механизмов.
Для того, ,чтобы определить все силы сопротивления зачерпывания, необходимо определить зависимость между давлением на деформатор и переменной плотностъю материала для идеализированного процесса уплотнения. Подобные зависимости
определялись теоретически или экспериментально Для различных 8