Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обоснование актуальности разработки комплексов для добычи полезных ископаемых морского дна 7
1.1. Состояние геологических исследований шельфовой зоны 7
1.2. Полезные ископаемые морского дна 14
1.3. Железомарганцевые конкреции 18
1.4. Современные технические средства для разработки подводных месторождений 22
ГЛАВА 2. Принципиальная схема комплекса для добычи полезных ископаемых с поверхности морского дна 40
2.1. Условия работы подводных добычных комплексов 40
2.2. Схема предлагаемого комплекса для добычи полезных ископаемых с поверхности морского дна 41
2.3. Шарнирный трубопровод, используемый в рассматриваемом комплексе 46
ГЛАВА 3. Разработка математической модели шарнирного трубопровода положительной плавучести 49
3.1. Ограничения математической модели 49
3.2. Математическая модель на основе уравнения цепной линии 53
3.3. Математическая модель трассы трубопровода, верхний конец которого близок к поверхности 58
3.4 Математическая модель с учетом ограничения взаимной подвижности звеньев трубопровода 66
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования и обработка их результатов 76
4.1. Гидравлические сопротивления в гибком шарнирном трубопроводе 76
4.2. Аналитические исследования потерь напора в шарнире при изменении угла его поворота 77
4.3. Задачи экспериментальных исследований 79
4.4. Описание экспериментального стенда 80
4.5. Планирование эксперимента 81
4.6. Обработка экспериментальных данных 87
4.7. Анализ экспериментальных данных 92 Выводы по четвертой главе 95
ГЛАВА 5. Методика расчета энергообеспечения добычи полезных ископаемых с поверхности морского дна 96
5.1. Описание варианта энергоснабжения комплекса 96
5.2. Энергозатраты при добыче донных отложений 98
5.3. Определение потерь напора в гибком шарнирном трубопроводе
5.4. Методика расчета потерь в гибком шарнирном трубопроводе
Заключение
Литература
Приложения
- Полезные ископаемые морского дна
- Схема предлагаемого комплекса для добычи полезных ископаемых с поверхности морского дна
- Математическая модель на основе уравнения цепной линии
- Аналитические исследования потерь напора в шарнире при изменении угла его поворота
Введение к работе
Сегодня все труднее становится удовлетворить возрастающий спрос на минеральное сырье только за счет разработки континентальных месторождений полезных ископаемых из-за их истощения, высоких затрат на разработку месторождений, залегающих в сложных горно-геологических условиях и на больших глубинах. Основная масса крупных материковых месторождений цветных металлов и радиоактивных элементов уже открыта, разведаны их запасы и многие из них разрабатываются [64]. Однако, мировой океан, который на протяжении тысячелетий рассматривался лишь как источник продуктов питания и среда для транспортных перевозок, на данном этапе развития науки и техники способен за счет своих ресурсов удовлетворить потребности промышленности в сырье на много лет вперед. Ведь уже в настоящее время более 30 стран мира ведут пробную или промышленную добычу полезных ископаемых с поверхности морского дна. В ряде стран эти работы ведутся не один десяток лет. Разработка подводных россыпей за рубежом дает до 100% циркония и рутила, около 70% ильменита и более 40% касситерита. По данным американских экономистов морские россыпи уже в 1968 г. дали сырья на 50 млн. долл. Некоторые страны полностью или в значительной степени удовлетворяют свои потребности в том или ином минеральном сырье за счет разработки подводных месторождений. Так, США почти полностьк удовлетворяют потребность промышленности в цирконии за счет ПОДВОДНОЕ разработки пляжевых и шельфовых россыпей Северной Америки. Из этих Ж( россыпей добывается до 50% ильменита.
С 1935 г. в США производится подводная разработка платины, причем с дна моря добывают более 90% от общего количества. Содержание платины ! россыпях достигает 10г/м \ За год добывается 765 тыс. м" платиноносны: песков. Глубина разработки около 30 м. На береговых россыпях Аляски боле 100 лет добывалось золото, при этом его было добыто на сотни миллионо долларов. К настоящему времени эти береговые россыпи истощены. Однак были открыты более богатые морские россыпи и некоторые из них давно разрабатываются. Так, с 1964 г. разрабатывается россыпь «Ном Чолд Кост» (содержание золота в россыпи 15 г/м"). Разрабатываются, также, россыпи золота в проливе Лени и в районе п-ова Сьюард [17].
Компании США добывают на шельфе огромное количество нерудных строительных материалов. Около 500 млн. т песка и гравия добыто в районе оз. Эри на глубине 15 м (себестоимость добычи 1 м" не превысила 12 центов). У побережья штатов Луизиана, Вашингтон, в заливе Сан-Франциско в больших объемах добывается ракушечный песок в качестве сырья для цементной промышленности. Ведутся обширные работы по разработке морских россыпей в Австралии. Россыпи в большом количестве содержат циркон, рутил, ильменит, монацит. В некоторых россыпях содержание полезных компонентов достигает 70—90%, из них циркона 25—55, рутила 20—45, ильменита 18— 40%. Россыпи расположены на восточном побережье Австралии от Северного Квинсленда до о. Тасмания, на юго-западном побережье западной Австралии, вдоль прибрежной линии в Новом Южном Уэльсе и Южном Квинсленде. В 1965 г. в Австралии было добыто 930 тыс. т тяжелых минералов, при этом рутила — 90%, циркона — 75% мировой добычи [18].
Значительный интерес, по мнению многих исследователей, представляют месторождения железомарганцевых конкреций и рудоносные пески и илы. которые могут служить источником сырья для черной и цветной металлургии [15]. Особенно актуальна добыча ЖМК для нашей страны. В Советском Союзе общие запасы марганцевых руд составляли 2,6 млрд. т., в том числе запась Никопольского марганцевого бассейна (Украина)— 2,16 млрд. т. Эти рудь залегают в благоприятных горно-геологических и климатических условиях, і легко доступной и густо населенной местности. При ежегодном извлеченш около 13,2 млн. т марганцевых руд, в том числе 2/3 этого объема Никопольском бассейне, запасы руд обеспечивали высокий уровень добычи СССР на много лет, (даже с учетом экспорта). Возможно, это обстоятельств-объясняет имевшуюся низкую заинтересованность промышленности СССР, п сравнению с крупнейшими промышленными странами, в добыче морских железомарганцевых конкреций. Но если учесть, что после распада СССР большая часть месторождений цветных металлов оказалась за рубежом, на Украине, в Казахстане, Узбекистане, Туркмении, Таджикистане - добыча марганцевого сырья с поверхности морского дна, вероятно, является единственно возможным способом обеспечить страну собственными стратегическими ресурсами. Например, месторождения конкреций, обнаруженные специалистами «Севморгео» в балтийском, море имеют запасы ЖМК приблизительно 25-30 млн. т., что для условий материка соответствует месторождению средней рентабельности [79].
Несмотря на то, что на данный момент разработано большое количество комплексов для добычи полезных ископаемых с поверхности морского дна как отечественными, так и зарубежными специалистами, они не могут считаться приемлемыми, так как не в полной мере отвечают современным требованиям к надежности, не обладают достаточной производительностью, не могут работать при сложном рельефе дна, в неблагоприятных погодных условиях и не обеспечивают необходимые показатели экологичное™.
Все вышеизложенное наглядно показывает, что разработка и создание комплексов по добыче полезных ископаемых с поверхности морского дна есть актуальная задача. Актуальность ее подтверждается Федеральной целевой программой «Мировой океан», одной из подпрограмм которой является «создание технологий для освоения ресурсов и пространств Мирового океанах (Указ президента РФ от 17 января 1997г. №11).
Полезные ископаемые морского дна
Кроме ЖМК представляют интерес для промышленного освоения также идругие виды полезных ископаемых, встречающиеся на дне морей и океанов. Ктаким полезным ископаемым можно отнести фосфориты, рудные корки, илы,прожилковые рудопроявления в магматических породах, сапропели [10, 12, 22].образом, в двух типах фациальных обстановок - на шельфах и на вершинах подводных гор. Фосфориты современных шельфовых фаций в большинстве районов их распространения не современные, представлены желваками, вымытыми из фосфатоносных пород, обнажающихся на побережьях или на дне [53].
Современное фосфоритообразование на шельфе складывается из пяти этапов: поставка фосфора на шельф океанскими водами; потребление фосфора организмами; осаждение его на дно в составе биогенного детрита; диагенетическое перераспределение рассеянного фосфора в осадках; вторичное обогащение за счет перемыва фосфатных осадков [40]. Глобальные масштабы распространения фосфатов (фосфаты обнаруживаются практически на всех подводных горах, где обнажаются древние карбонатные породы, без явной зависимости от геологического строения и возраста основания) позволяют предполагать, что причина их образования лежит в общей системе океанского седиментогенеза, а не в локальных проявлениях гидротермальной активности или накопления гуано на островах. Фосфатизация может быть связана с физико-химическим воздействием на обнаженные породы обогащенных фосфором наддонных вод [53].
В рифтах срединно-океанских хребтов обнаружены массивные рудные тела полиметаллических сульфидных руд с очень высокими концентрациями рудных компонентов. Такие руды, считающиеся весьма перспективными с точки зрения их промышленной добычи, обнаружены во многих местах Восточно-Тихоокеанского поднятия, Галапагосского рифта, хребта Хуан-де-Фука и калифорнийского залива. Они образуются непосредственно у выходов высокотемпературных гидротерм на поверхности лавовых потоков и глыбовых осыпей. Благоприятным для устойчивого выпадения сульфидов и предохранения их от окисления должны быть условия ограниченного придонного водообмена. Ярко выраженным поисковым признаком выходов рудообразующих гидротерм являются глубоководные «оазисы бентоса» -сообщества донных организмов, проявляющих тенденции гигантизма [53].
На дне океанов, морей и многих озер широко распространены мощные отложения кремнистых илов. Кремнистые илы широко применяются в различных областях промышленности в качестве легких пористых наполнителей бетона, материала для изготовления фильтров, сырья для изготовления кирпича, обладающего термо и звукоизоляционными свойствами, абсорбентов, минеральных наполнителей и мягких абразивов.Кремнистые илы по происхождению делятся на радиоляриевые и диатомовые.
Радиоляриевые илы, состоящие преимущественно из раковин и скелетов радиолярий, распространены в Индийском океане (вокруг о. Кокосовый и к востоку от о. Мадагаскар). Этими илами покрыто около 0,3 млн. км дна Индийского океана [53].
В Тихом океане радиоляриевые илы покрывают около 6,6 млн. км" дна, причем южные области Тихого океана характеризуются пятнистым распределением радиоляриевых илов. Залегают илы на глубинах 4300—8200 м, обычно между областями накопления известковых илов и красных глин. Содержание кремнезема редко превышает 60%. Окраска илов красно-бурая.
Диатомовые илы сложены из остатков растительных планктонных организмов. Они покрывают 4,1 млн. км" дна южной части Атлантического океана, 12,6 млн. км" южной части дна Индийского океана и 14,4 млн. км" северной периферии Тихого океана. Общее количество диатомовых илов на дне океанов примерно 10 т. Залегают они на глубинах от 1100 до 5700 м. Средняя мощность диатомовых илов около 200 м. Чистые их разновидности окрашены в белый или кремовый цвет. Размеры частиц в среднем составляют 100 микрон. В высушенном виде диатомовые илы по цвету и структуре напоминают муку [40, 53].
Чистые образцы диатомовых илов содержат не менее 80% кремния, но обычно из-за примесей содержание кремния снижается до 68%. Сепарация диатомовых илов позволяет получать продукт с содержанием кремнезема более 99%о в пересчете на воздушно-сухую навеску [33, 53].
Известковые илы покрывают около 128 млн. км" океанического дна или примерно 36%) его площади. Эти илы являются преобладающими осадками на дне Атлантического океана и покрывают более 70% его дна. В Тихом океане известковые илы обрамляют Австралию и Новую Зеландию, а также размещаются в центральных областях юго-восточной части океана. Общая площадь дна Тихого океана, занятая известковыми илами, составляет более 50% всей его площади. В Индийском океане известковыми илами занято около 55%о площади дна, в пределах 100-километровой полосы вдоль континентального побережья океана. Залегают они на глубинах от 700 до 6000 м. Мощность слоя известковых илов оценивается в 400 м. В общей сложности в океанах заключено около 10 6 т известковых илов и запасы их ежегодно увеличиваются за счет отложений на 1,5 млрд. т [33, 40, 53].
Основными компонентами известковых илов являются остатки многочисленных организмов, а также обломки неорганического происхождения — полевые шпаты, магнетит, кварц, зерна двуокиси марганца и вулканические частицы. Размеры частиц известковых илов меняются, от 0,5 до 500 мм Известковые илы отличаются высоким содержанием карбоната кальция (до 93%), при этом осадки с более высоким содержанием располагаются на относительно меньших глубинах. Процентный химический состав известковых илов: кальция 65—93, кремния 1,6—8, глинозема 1,3—5, магнетита 0,5—5, магния 0,2—2,5 [33].Известковые илы могут служить сырьем для цементной промышленности, так как содержание кальция в них выше, чем в известняках используемых в производстве в настоящее время.
Металлоносные илы. Обнаружены в рифовой зоне Красного моря в трех впадинах. Глубина их залегания около 2200 м. Морская вода во впадинах имеет повышенную температуру (до 56 С) и высокую соленость (до 250%). Концентрация солей тяжелых металлов (железа, марганца, свинца, цинка, серебра и золота) в воде повышена в 1000—50000 раз по сравнению с обычной их концентрацией в морской воде. На дне этих впадин залегает ил с большим содержанием тяжелых металлов, который представляет собой коллоидную массу мягкой или средней консистенции, содержащую до 50—90% рассола и окрашенную в черно-дегтярный либо в красные, желтые и зеленые тона. При высыхании осадки принимают различные оттенки желтого и коричневато-бурого цвета. В этих илах может содержаться до 37% магнетита, до 35% магния, цинка— до 12-20%, содержание серебра в иле достигает 2%, содержится также медь, свинец и другие металлы [40, 53].
Накопление сапропеля происходит в приконтинентальных областях с высокими скоростями осадкоыакопления, главным образом за счет поступления терригенного материала и в условиях повышенной продукции органического вещества. Сюда относятся дельты с их подводным продолжением и аккумулятивные тела континентального подножия, т.е. два главных уровня
Схема предлагаемого комплекса для добычи полезных ископаемых с поверхности морского дна
На основе анализа работы подводных добычных комплексов на донных месторождениях полезных ископаемых сотрудниками кафедры Рудничных стационарных установок Санкт-Петербургского горного института под руководством профессора Маховикова Б.С была предложена принципиальная схема комплекса для добычи донных отложений, представленная на рис. 2.2.1. Иа схеме обозначено:1. - придонный агрегат на гусеничном ходу (рис 2.2.2) с барабанным исполнительным органом, оснащенным резцами, обеспечивающими рыхление донного грунта, вращающимся в направлении движения агрегата при помощи встроенной в него гидротурбины и обеспечивающий захват смеси грунта с морской водой всасывающим соплом;2. - гибкий трубопровод, соединяющий всасывающее сопло придонного агрегата с подводным модулем 3, состоящий из труб, оснащенных поплавками и шарнирно соединенных между собой и служащий для транспортирования полезного ископаемого в виде пульпы в подводный модуль 3, а также дляснабжения придонного агрегата 1 энергией, необходимой для его работы;3. - подводный модуль, имеющий в своем составе землесос и привод для напорного транспортирования пульпы по жесткому трубопроводу 4 в пульпоприемники, расположенные на поверхностном судне;4. - жесткий напорный трубопровод, служащий для подъема полезного ископаемого в пульпоприемники судна и для крепления подводного модуля 3;
Машина для сбора конкреций, представленная на рис. 2.2.2 оснащена исполнительным органом в виде работающего в режиме буксования барабана, приводимого в движение встроенным тихоходным двигателем и установлена на гусеничной тележке, оснащенной регулируемым объемным гидроприводом для поступательного движения, обеспечивающим устойчивую работу за счет постоянного отношения скоростей подачи v и резания со при обработке забоя на донной поверхности [44, 48, 85]. Последнее условие при гидротурбинном приводе исполнительного органа достигается за счет обеспечения привода объемного насосного агрегата от многоступенчатой прямоточной гидротурбины через встроенный внутри барабана раздаточный мультипликатор. Общая мощность встроенной гидротурбины в этом случае должна быть достаточной для привода режущей части и ходовой тележки машины. Для питания гидротурбины, на гусеничной тележке или на поверхности можно установить центробежный насос с электродвигателем в водозащищенном исполнении. Захват горной массы в смеси с морской водой обеспечивается установленным за барабаном всасывающим соплом. Барабан радиусом / и длиной L- при помощи встроенного в него привода вращается в направлении движения машины, работая по принципу буксующего колеса и срезая серповидными резцами с вылетом lp=R-r поверхностный слой грунта с находящимися в нём конкрециями. Смешанный с морской водой грунт, отбрасываемый назад, поступает через установленную за барабаном всасывающую щелевидную насадку в гидроподъёмный трубопровод и далее, через подводный модуль в поверхностный пульпоприемник, располагаемый на обслуживающем добычной комплекс судне. Такое устройство подъёма полезного ископаемого в водной среде является наиболее экономичным и безопасным с точки зрения экологии горных работ на море. Ширина резцов Ь, в соответствии с рекомендациями Домбровского Н.Г. и Панкратова С.А, в 5 раз превышает средний эквивалентный диаметр добываемых конкреций. Резцы размещены на поверхности барабана вдоль нескольких линий резания Np с числом m в каждой из них. Общее число резцов на барабане определяют из условия контакта с обрабатываемой поверхностью в любой момент времени как минимум одного из них [45].
Привод исполнительных органов машин для добычи полезных ископаемых с поверхности морского дна может быть обеспечен прямоточными многоступенчатыми гидротурбинами, прототипами которых являются турбины турбобуров. Такие гидротурбины в одноступенчатом исполнении впервые были применены в 1924 году по предложению М.А. Капелюшникова для привода долот при бурении глубоких нефтяных скважин. С целью улучшения их механических характеристик в 1932 году Г.А. Любимовым был предложен многоступенчатый вариант такой гидротурбины, в которой применен принцип ступенчатого использования напора жидкости при ее работе. Ступенчатое деление полного напора потока жидкости в гидротурбине при постоянном ее расходе с ростом числа ступеней приводит к повышению мощности и КПД за счет относительного снижения утечек в ступенях и потерь энергии на выходе из ее проточной части, а также к снижению удельной быстроходности [43, 46].
Указанные свойства, а также возможность надежной и эффективной работы такой гидротурбины в водной среде определяют целесообразность ее применения для привода машин подводной разработки месторождений полезных ископаемых в морях и океанах. Для рабочих органов горных машин, как следует из опыта создания горных машин для традиционных условий, характерны, как правило, сравнительно небольшие (3-4 м/с) скорости резания и резко изменяющиеся по амплитуде нагрузочные моменты. На этом основании можно утверждать, что при безредукторном исполнении привода рабочего органа, гидротурбина должна иметь частоту вращения, не превышающую 100 об/мин.
Положительным фактором, способствующим применению гидротурбин в подводных горных машинах, является отсутствие жестких ограничений на их радиальные размеры при ограниченной длине. Последнее свойство достигается уменьшением числа ступеней при заданной мощности гидротурбины. Такой гидротурбинный двигатель может быть встроен в барабан исполнительного органа машины.
Основные преимущества многоступенчатых прямоточных гидротурбин состоят в том, что водная среда является естественной для таких двигателей. Это обеспечивает безопасные условия эксплуатации подводной машины, способствует повышению ее надежности и долговечности в отличие от электродвигателей.
Энергоснабжение гидротурбины может осуществляться отдельным, расположенным на поверхностном судне, на гусеничной тележке или встроенным в корпус барабана центробежным или объемным насосами специального исполнения. В комплексах с подводным базовым судном необходимость в насосе, как в источнике энергии для работы гидротурбины, так же как и в землесосе, может отсутствовать, поскольку для энергоснабжения приводов и других элементов технологического комплекса оборудования (включая подъём) в данном случае используется потенциальная энергия в виде
Математическая модель на основе уравнения цепной линии
Из рис. 3.2.1 видно, что при движении машины 3, трасса гибкого трубопровода 2 непрерывно изменяет свой вид. Исследования пьезометрических линий потока вдоль трассы трубопровода показали [81], что гибкий трубопровод целесообразно присоединять к судну 1 через опущенную в воду мачту длинной h 4, на конце которой установлена капсула 5 с землесосом, причем расстояние zmm между высшей точкой гибкого трубопровода и поверхностью должно всегда быть больше нуля. Электродвигатель землесоса служит элементом, через который к комплексу подводится внешняя энергия от палубной электростанции базового судна и входит в состав устройств, при помощи которых осуществляется внешнее управление комплексом.
Произвольные постоянные С\ и Сі определяются из условия, что кривая проходит через точки A(ai,b) и А2(а2,Ь2). Совершим параллельный перенос координатных осей поместив начало координат в точку (-С\, С2), тогда можно считать, что С\=С2=0 и уравнение примет вид ( X _.Лпропорциональная горизонтальной составляющей натяжения и обратно пропорциональная линейной массе нити [63].
Для решения поставленной задачи воспользуемся следующим алгоритмом. Введем параметр С, определяемый для текущего положения добычной машины относительно судна как Вводим переменную . Задача сводится к определению зависимости k=f(l)на основе численного решения трансцендентного уравнения Используя найденное из (3.2) значение ;, вычисляем константу цепнойОбозначим величины вертикальных реакций на опорах Т и Т2. Для вычисления этих величин, прежде всего, необходимо определить местоположение начала координат цепной линии. Для их нахождения, используя ранее полученные результаты, делаем следующее. Обозначим координаты точек А и А2 через а\, Ь\ и а2, bo соответственно.
На основе геометрических соотношений принимаем: Из соотношения (3.8), используя ранее вычисленные I, h,u к определяема/ численными методами.Определив at из (3.6) находим а2, из (3.7) получаем /.Расстояние между высшей точкой цепной линии и А\, обозначенное Н,находим из равенства
Из полученного выражения можно сделать вывод, что для выпрямления цепи под нагрузкой, ее нужно растягивать теоретически бесконечно большой силой. На практике это означает, что при достижении добычной машиной некоторой точки, напряжения в точках крепления превысят предел прочности материала, из которого изготовлены шарниры, и трубопровод будет поврежден. Наглядным подтверждением этому служит рисунок 3.2.3, где ТІ- натяжение в верхней точке крепления, Т2- натяжение в нижней точке крепления.
Вид цепной линии, полученный по данной методике при принятых: S=100, Zl=25, Z2=70 представлен на рис.3.2.4.(а) и (б).Следует, однако, отметить, что поскольку при работе на небольших глубинах землесос может располагаться практически на поверхности, то данная модель не в состоянии описать вид трасс, так как трубопровод будет всплывать на поверхность даже при значительных расстояниях между добычной машиной и судном. Для нахождения трасс трубопровода при таком расположении землесоса, можно предложить следующее решение. Предположим, что нерастяжимая абсолютно гибкая нить в водной среде обладает положительной плавучестью. Таким образом, на единицу длинны нити действует направленная вверх эффективная архимедова сила равная yds. Рассмотрим равновесие отрезка нити длинной dS (рис.3.3.1). нити [63].Для решения поставленной задачи воспользуемся следующим алгоритмом. Введем параметр С, определяемый для текущего положения добычной машины относительно судна как Вводим переменную . Задача сводится к определению зависимости k=f(l)на основе численного решения трансцендентного уравнения Используя найденное из (3.2) значение ;, вычисляем константу цепнойОбозначим величины вертикальных реакций на опорах Т и Т2. Для вычисления этих величин, прежде всего, необходимо определить местоположение начала координат цепной линии. Для их нахождения, используя ранее полученные результаты, делаем следующее. Обозначим координаты точек А и А2 через а\, Ь
Аналитические исследования потерь напора в шарнире при изменении угла его поворота
Для определения искомой зависимости потерь напора в шарнире, как функции от угла поворота, используем метод анализа размерностей [11,61,35, 36]. Воспользуемся 7Г-теоремой.
Выразим перепад давления в шарнире Ар, учитывая, что: представляет собой местное сопротивление с коэффициентом сопротивления к, можно предполагать, что Ар должно зависеть от следующих факторов: скорости на входе V ; плотности жидкости р\ отношения минимального d и максимального D диаметров шарнира; вязкости жидкости // ; угла поворота а. Общее число аргументов п = 5. отсюда имеем: Примем за неизвестные переменные V,p,d, следовательно, безразмерных комплексов будет п + 1 - 3 = 4. Приведем (4.2) к безразмерным комплексам: П = /(1,1,1,П,,П,,П3), где: Поскольку а и (D/d) безразмерно - П 2 = а, П3 = —. потерь напора в цилиндрическом шарнире как функции от угла поворота шарнира и скорости движения жидкости в нем. В задачи экспериментальных исследований входили: 1. Оценка влияния угла поворота шарнира на потери давления в потоке жидкости. 2. Оценка влияния скорости движения жидкости в шарнире на потери давления потока. 3. Получение экспериментальных данных о потерях напора в шарнире при различных углах его поворота. 4. Получение экспериментальных данных о потерях напора в шарнире в зависимости от скорости движения исследуемой жидкости. 5. На основе экспериментальных данных получить зависимость потерь напора в шарнире в функции угла его поворота и скорости движения жидкости. 6. Сопоставить полученные экспериментальные данные с известными [1, 2] сведениями о потерях напора в местных сопротивлениях. В экспериментальных исследованиях были приняты неизменными следующие параметры: - минимальный диаметр шарнира; - максимальный диаметр шарнира; - коэффициент динамической вязкости модельной жидкости; - плотность модельной жидкости. Изменялись: - скорость потока жидкости; - угол поворота шарнира. При экспериментах скорость изменялась в таких пределах, чтобы поток оставался автомодельным, как наиболее распространенный при проведения экспериментальных исследований был разработан и изготовлен шарнир (см. приложение 2), который был подключен к лабораторному гидравлическому стенду. Схема установки приведена на рис.3.4.1. На схеме обозначено: 1- насос; 2- исследуемый шарнир; 3- дифманометр; 4- мерный бак; 5- манометр; 6- вентиль последовательный; 7- вентиль параллельный, 8- дроссель. В лабораторной установке использовались: - центробежный консольный насос 2К-6 ереванского завода малых гидротурбин с паспортной производительностью 20 м7ч и напором 30.8м при числе оборотов 2900 мин"1; - манометр дифференциальный ДТ-10 заполненный ртутью; - дроссель с проходным сечением 0.8 мм; - манометр; - мерная емкость, с площадью основания 31 дм"; - для подключения исследуемого шарнира использовался резиновый армированный шланг диаметром 37 мм. В качестве модельной жидкости использовалась вода. Использование воды в данном случае возможно по той причине, что в реальном трубопроводе осуществляется гидротранспортирование частиц, обладающих значительной гидравлической крупностью при небольшой концентрации. Следовательно, можно предположить, что величина кинематической вязкости пульпы будет примерно равна кинематической вязкости воды.
На стенде насос обеспечивал максимальную производительность 0=9.475м7ч, что соответствовало скорости потока на входе в шарнир v = 4- у и 7.6 м/с- шарниру придавался нужный угол поворота;- при помощи вентиля 6 устанавливалась необходимая подача насоса;- подача насоса количественно оценивалась при помощи мерного бака путем перекрытия слива последнего и замера времени его заполнения посредством электронного секундомера;- дифференциальным манометром измерялся перепад давлений на входе ивыходе шарнира.
Перед составлением плана эксперимента был проведен анализ факторов, оказывающих наибольшее значение на параметр [27, 71, 72]. В нашем случае, параметром является перепад давления Ар на входе в шарнир и на выходе из оного. Из всего многообразия факторов были выделены следующие: а - угол поворота шарнира; V - скорость потока жидкости в шарнире; р - плотность жидкости в шарнире; D/d - отношение минимального и максимального диаметров шарнира; д - вязкость жидкости. Следует отметить, что в общем случае плотность и вязкость есть функции концентрации и физических характеристик транспортируемого твердого. Однако, поскольку предполагается, что при работе комплекса концентрация твердого в потоке пульпы будет незначительна, а сами конкреции представляют собой достаточно крупные образования, то плотность и вязкость в процессе работы комплекса можно признать постоянной и примерно равной вязкости воды. Следовательно, варьируемыми факторами в данном случае являются только угол поворота шарнира и скорость потока.
Определим интервалы варьирования для Киа. Интервалом варьирования называется значение фактора в натуральных единицах, прибавление которого к нулевому дает верхний, а вычитание - нижний уровень. Обозначим данный фактор как Х„ его нижний уровень - Xiu, верхний - XiG и нулевой - Xl(l. Тогда интервал варьирования
В теории планирования эксперимента также используются кодированные значения факторагде Xj - натуральное значение фактора на соответствующем уровне; Хш натуральное значение фактора на нулевом уровне; АХ, - интервал варьирования соответствующего фактора.Следовательно, мы можем осуществить кодирование любого фактора на нижнем и верхнем уровнях как
Примем в качестве первого фактора Xt скорость движения жидкости в шарнире (время заполнения мерного бака), в качестве второго Х2 - угол поворота шарнира. Предварительными экспериментами установлено, что время заполнении мерного бака изменяется в пределах от 51.9 до 185.6 с, т.е.,
