Введение к работе
Актуальность работы. В связи с ростом потребления промышленностью минерального сырья и, в частности, марганца, месторождения полезных ископаемых будут интенсивно отрабатываться. На территории Российской Федерации запасы марганца не велики. Между тем на дне морей и океанов сосредоточены большие запасы полезных ископаемых и по мере сокращения их на суше подводные месторождения полезных ископаемых будут приобретать все большее промышленное значение. Поэтому вопросы, связанные с совершенствованием приводов подводных машин, являются актуальными.
Вопросами разработки технологии и оборудования для подводной добычи полезных ископаемых на шельфе и совершенствованием приводов горных машин занимались такие ученые, как В.В. Ржевский, Г.А. Нурок, И.П. Тимофеев, В.Б. Добрецов, Б.С. Маховиков, Л.Л. Лифшиц, В.Г. Лешков, Г.М. Лезгинцев, Дж. Кении, П. Ка-уш, В.И. Медведков, О.В. Батаев, А.С. Горбачев.
В этих работах обосновываются системы разработки и принципиальные схемы добычных устройств, однако эффективные технические средства, их приводы для разработки полезных ископаемых на дне морей и океанов отсутствуют. В связи с этим разработка привода подводной горной машины для подводной добычи полезного ископаемого является актуальной задачей и для успешного решения требует проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.
Цель работы - научное обоснование и установление закономерностей, позволяющих выявить рациональные параметры системы с гидротурбинным приводом, обеспечивающей устойчивую работу подводной добычной машины с максимальной мощностью на исполнительном органе и использующей в качестве источника энергии гидростатическое давление, определяемое глубиной погружения.
Идея работы - работа подводного гидротурбинного привода добычных машин с максимальной мощностью при переменном характере изменения внешних нагрузок и использовании источника постоянного давления обеспечивается путем одновременного изменения определяющих факторов на основе функциональных зависи-
мостей, связывающих их с нагрузкой и мощностью на его исполнительном органе и определяемых на стадии проектирования добычной системы.
Основные задачи:
Провести анализ работы гидротурбинных приводов подводных добычных машин и определить области изменения значимых факторов.
Разработать алгоритм функционирования системы гидротурбинного привода подводной добычной горной машины, обеспечивающий ее работу с максимальной мощностью на выходном валу турбины и выполнить компьютерное моделирование работы устройства.
Получить математическое описание и разработать устройство для реализации полученного алгоритма функционирования.
Разработать стенд и план факторного эксперимента, построить экспериментальные статические и динамические характеристики физической модели устройства.
Разработать методику расчета параметров подводного гидротурбинного привода горной машины, обеспечивающего устойчивую работу при максимуме полезной мощности.
Методы исследований: при решении поставленных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследований. Теоретические исследования включали составление блочных и принципиальных схем, их математическое описание, компьютерное моделирование, анализ полученных результатов. Экспериментальные исследования включали создание физической модели, разработанной системы гидропривода, разработку многофакторных планов, проведение экспериментов при широком диапазоне регулирования основных параметров. Результаты экспериментов обрабатывались методами математической статистики.
Защищаемые научные положения:
1. При использовании источника постоянного входного давления режим работы подводного гидротурбинного привода с максимальной мощностью определяется путем совместного решения уравнений связи между сработанным давлением, угловой скоростью, нагрузкой, мощностью и конструктивными параметрами тур-
бины, что позволяет определить геометрическое место точек рабочих режимов и максимальных мощностей.
2. При работе горной машины по добыче железомарганцевых конкреций и переменном характере изменения внешних условий среды следует использовать алгоритм управления, обеспечивающий режим работы подводного гидротурбинного привода с максимальной мощностью, определяемый путем выбора сработанного давления как функции угловой скорости и нагрузки на исполнительном органе, а также скорости передвижения устройства.
Научная новизна заключается в следующем:
Установлено, что для подводного гидротурбинного привода, работающего с источником постоянного давления, имеется функциональная зависимость между сработанным давлением, угловой скоростью, нагрузкой и конструктивными параметрами, обеспечивающая его устойчивую работу с максимальной мощностью.
Получены аналитические зависимости, позволившие разработать методику определения режимных параметров, обеспечивающую максимальную мощность подводного гидротурбинного привода при непрерывном изменении нагрузок.
Выявлены зависимости, позволившие разработать методику определения конструктивных параметров гидротурбинного привода по результатам испытаний его физической модели в режиме холостого хода и торможения.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена теоретическими исследованиями, результатами лабораторных экспериментов, сопоставлением результатов теоретических и экспериментальных исследований с применением методов математической статистики и регрессионного анализа. При этом среднеквадратичное отклонение расчетных и фактических значений параметров не превышало 1,5-5%.
Практическая значимость работы:
Разработана методика расчета параметров подводных гидротурбинных приводов, обеспечивающая устойчивую работу при максимуме полезной мощности.
Разработан алгоритм, обеспечивающий максимальную мощность на валу исполнительного органа при переменных нагрузках.
Разработан алгоритм определения статических и динамических характеристик гидротурбинного привода.
Разработан стенд для испытаний физических моделей подводных гидротурбинных приводов, позволяющий определять их статические и динамические характеристики во всем диапазоне изменения нагрузок.
Апробация работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались на ежегодных конференциях молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института (технический университет) в 2006-2009 гг., на IV Международной научно-практической конференции "Инновационные технологии автоматизации и диспетчеризации горно-добывающих и перерабатывающих предприятий" в 2009 г., на VII Межрегиональной научно-практической конференции "Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения" в 2009 г., на заседаниях кафедры Рудничных стационарных установок Санкт-Петербургского государственного горного института (технический университет).
Личный вклад соискателя:
Разработан алгоритм, обеспечивающий работу гидротурбинных приводов с максимальной мощностью.
Разработано устройство, реализующее алгоритм работы гидротурбинных приводов с максимальной мощностью.
Получены зависимости между угловой скоростью, сработанным давлением, нагрузкой и скоростью движения подводной добычной машины, позволяющие определить рациональный режим работы.
Разработан экспериментальный стенд, позволяющий имитировать условия работы добычного модуля под водой, в частности, ступенчатое изменение нагрузки на исполнительном органе.
Разработана методика определения на стадии проектирования параметров работы подводного радиального гидротурбинного привода в режиме максимальной мощности при переменных внешних нагрузках.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе 1 патент Российской Федерации. В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, опубликовано 3 работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложенных на 128 страницах, содержит 44 рисунка, 7 таблиц, список литературы из 89 наименований.
