Введение к работе
Актуальность темы диссертации:
Приоритет освоения ресурсов морского дна и его рудный потенциал определяются исходя из оценки марганца и кобальта как стратегического сырья для многих отраслей тяжелой промышленности.
Интерес к освоению твердых полезных ископаемых морского дна объясняется рядом факторов, таких как:
– более высокая концентрация полезных ископаемых в морских месторождениях по сравнению с континентальными залежами;
– более высокая по сравнению с материковой рентабельность ведения добычных работ на дне за счет исключения из технологического цикла буровзрывных работ и вспомогательных операций, стадий дробления добытой руды, что в перспективе повышает экологичность и экономичность самого процесса добычи.
Ежегодная потребность в марганцевых сплавах и металлическом марганце в Северо-Западном федеральном округе достигает 100 тыс.т. Темпы развития добычи железомарганцевых конкреций (далее - ЖМК), однако, отстают от темпов потребления ведущими предприятиями, такими как: ОАО «Ижорские заводы» и ОАО «Петросталь» (Санкт-Петербург) и ОАО «Северсталь» (Череповец).
Основной вклад в развитие теории и практики разработки морских месторождений внесли Дж. Меро (1969), Г.А. Нурока, Ю.В. Бруякина, Ю.В. Бубиса, Л.Н. Молочникова, К.В. Яблокова (1979), Р.И. Вяхирева, Б.А. Никитина, Д.А. Мирзоева (1999), В.Б. Добрецова, В.А. Рогалева (2003), И.С. Калинина, В.П. Дробаденко, Н.Г. Малухина (2010). Анализ данных работ выявил, что для разработки месторождений морского дна необходимы новые, нетипичные для материковых условий методы при определении основных характеристик комплексов по добыче твердых полезных ископаемых. Создание добычных комплексов, обеспечивающих устойчивые режимы работы в водной среде с изменяемой глубиной, загрузкой скреперов и скоростями их движения, невозможно без научного обоснования.
Целью исследования является повышение эффективности добычи на основе установления закономерностей, связывающих кинематические и силовые параметры комплекса для ведения добычных работ на морском дне с учетом присоединенной массы ЖМК, загружаемых в бункер донного устройства.
Основная научная идея исследовательской работы: устойчивый процесс транспортирования донного добычного устройства с переменной массой ЖМК достигается рациональным сочетанием силы тяжести гибкого тягового элемента, свободно провисающего в водной среде, с массой донного устройства.
Основные задачи диссертационной работы:
– анализ геоморфологии залегания ЖМК на известных российских месторождениях, в том числе шельфовой зоны Балтийского моря (участок Финского залива);
– анализ существующих технических средств для добычи твердых полезных ископаемых морского дна;
– разработка математической модели взаимодействия гибкого тягового элемента с донным добычным устройством;
– компьютерное моделирование процесса транспортирования гибким тяговым элементом донного добычного устройства;
– проведение экспериментальных исследований взаимодействия стандартных круглозвенных цепей с моделью, имитирующей донное устройство.
Методология и методы исследования. В работе использован комплексный метод, включающий: научный анализ и обобщение технических средств для добычи твердых полезных ископаемых, компьютерное моделирование в объектно-ориентированной среде программирования. Основные теоретические результаты получены с использованием математического аппарата, классических положений теоретической механики и теории механизмов и машин. Для обработки экспериментальных данных использовалась имитационная модель процесса движения донного добычного устройства; была проведена видеосъемка процесса его движения и приведен анализ полученных экспериментальных данных.
Защищаемые научные положения:
-
Математическая модель функционирования системы, включающей донное добычное устройство и плавсредство, соединенные гибким тяговым элементом в водной среде, описывается дифференциальным уравнением с учетом неустановившегося движения, которое определяет закономерность изменения скорости движения донного устройства с учетом присоединенной изменяемой массы ЖМК, удельной массы гибкого тягового элемента и расстояния донного устройства от плавсредства, что позволяет определить область рациональных значений кинематических и силовых характеристик добычного комплекса.
-
Коэффициент тяги при использовании круглозвенных цепей изменяется обратно пропорционально массе транспортируемого груза, а тяговое усилие – прямопропорционально присоединяемой массе груза, установленный экспериментальными исследованиями на имитационной модели, представляющей донное устройство, соединенное гибким тяговым элементом в воздушной среде с неподвижным плавсредством.
Научная новизна:
– установлены теоретические зависимости скорости движения донного устройства при изменении массы ЖМК в бункере добычного устройства во времени;
– определены области соотношений скорости донного добычного устройства, глубины погружения и длины гибкого тягового элемента;
– экспериментально установлены максимальные скорости движения донного устройства при использовании различных цепей и присоединенных масс ЖМК.
Соответствие паспорту специальности: работа соответствует паспорту специальности 05.05.06 «Горные машины»: пункт 3 «Обоснование и оптимизация параметров и режимов работы горных машин и оборудования и их элементов».
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, содержащихся в диссертационной работе, подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы заключается в обосновании рациональных параметров силовых и кинематических характеристик движения донного устройства, определяющих типоразмеры тягового элемента на примере стандартных круглозвенных цепей, а также в разработке рекомендаций по выбору круглозвенных цепей при транспортировании ЖМК в зависимости от коэффициента тяги.
Результаты исследования рекомендуются к использованию научно-производственными предприятиями при ведении морских геологоразведочных и добычных работ.
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований были представлены на научных конкурсах и конференциях в 2010-2012 гг.: XVI Санкт-Петербургской Ассамблее молодых ученых и специалистов, 9-ой и 11-ой международных научно-практических конференциях «Освоение минеральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2011, 2013 гг.), Научной конференции в Центре Трансфера Технологии EMAG (г. Катовице, Польша, 2012 г.); 7-й международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики «Социально-экономические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2011 г.), ежегодных вузовских конференциях студентов и молодых учёных «Полезные ископаемые России и их освоение» (Горный университет, г. Санкт-Петербург).
Личный вклад автора:
– проведен анализ технических средств для добычи ЖМК на морском дне;
– разработана математическая модель процесса взаимодействия гибкого тягового элемента с донным добычным устройством в процессе добычи железомарганцевых конкреций;
– разработана имитационная модель для проведения в лабораторных условиях экспериментов по установлению зависимостей скорости движения донного добычного устройства при различных погонных массах тягового элемента и коэффициентах тяги;
– проведены экспериментальные исследования по определению коэффициентов тяги для различных типоразмеров круглозвенных цепей, а также установлены скорости движения донного добычного устройства в функции времени;
– разработана методика выбора гибкого тягового элемента при транспортировании различных объемов груза для скреперов в условиях добычи твердых полезных ископаемых морского дна.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 1 статья в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, получен 1 патент РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы, включающего 110 наименований, 2 приложений, изложена на 143 страницах машинописного текста и содержит 71 рисунок, 11 таблиц.
Автор выражает особую благодарность за предоставленные консультации доценту кафедры высшей математики Горного университета, кандидату математических наук Колтону Гарри Абрамовичу.
