Введение к работе
Актуальность работы. Горнодобывающая промышленность является базой промышленного потенциала страны, во многом определяющей экономические показатели других отраслей. Увеличение объема горных работ неизбежно связано с освоением новых территорий Северо-Востока России, характеризуемых жесткими природно-климатическими и горнотехническими условиями. В приведенных районах, в частности в Якутии, прослеживается положительная динамика в разработке россыпных месторождений.
Важным элементом эффективной работы технологического оборудования горнодобывающих предприятий, ведущих горные работы на россыпных месторождениях, является безаварийная работа центробежных насосов двухстороннего действия (типа «Д»), широко используемых при промывке метало- и алмазоносных песков и водоотведении. Практика показывает, что насосы типа «Д» также хорошо себя зарекомендовали в системах водоснабжения промышленных предприятий других отраслей и муниципальных образований страны.
Специфичность использования насосов типа «Д» промышленными предприятиями заключается в проявлении нестационарных (внештатных) режимов работы, эксплуатация в которых приводит насос к повышенной нагруженности его конструкции, а также к снижению наработки на отказ.
Таким образом, комплекс теоретических и экспериментальных исследований влияния нестационарных режимов работы на эксплуатационную надежность насосов двухстороннего действия и разработка научно-обоснованных рекомендаций, направленных на устранение отрицательного воздействия вышеупомянутых режимов, представляют собой актуальную научно-практическую задачу.
Рабочая гипотеза. В процессе работы насосов двухстороннего действия проявляются нестационарные режимы. Их ограничение возможно при разработке методов с использованием балансировочного клапана.
Целью диссертационной работы является разработка методов автоматизированного управления насосными комплексами в реальном режиме времени с целью оптимизации режимов работы насосов при экстремальных нагрузках.
Объект исследования - насосы двухстороннего действия.
Предмет исследования - воздействие динамических и гидродинамических процессов на ротор насоса двухстороннего действия в нестационарных режимах.
Задачи исследования:
изучение уровня надежности насосов двухстороннего действия, работающих в нестационарных режимах;
выявление взаимосвязи уровня надежности насосов типа «Д» с внешними факторами воздействия;
разработка научно-обоснованных рекомендаций по повышению надежности и эффективности эксплуатации центробежных насосов.
На защиту выносятся следующие научные положения:
-
Зависимости прочностных характеристик ключевого звена конструкции насоса типа «Д» - ротора от динамических, диссипативных и гидродинамических воздействий устанавливаются с применением конечно-элементной модели.
-
В нестационарных режимах работы насоса типа «Д» уменьшается уровень его надежности и экономичности. В данных режимах ресурс до списания приводного подшипника, наименее надежного элемента конструкции, уменьшается в 20...25 раз по сравнению с номинальными режимами.
-
Разработанная автоматизированная система управления насосным комплексом, включающая балансировочный клапан оригинальной конструкции, улучшает технико-экономические показатели работы центробежных насосов при их сезонной эксплуатации в номинальных и нестационарных режимах.
Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов подтверждена высокой степенью сходимости численного моделирования на основе апробированных математических методов с результатами натурных испытаний; большим объемом теоретического материала и производственных данных.
Научная новизна:
разработанная конечно-элементная модель нагружения ротора насоса типа «Д» позволяет определять зоны и уровни концентрации напряжений, возникающих при действии динамических, диссипативных и гидродинамических сил;
получены аналитические зависимости ресурса до списания приводного подшипника насоса типа «Д» от вероятности его безотказной работы в оптимальном и нестационарных режимах;
разработаны автоматизированные системы управления насосными комплексами, исключающие возникновение нестационарных режимов работы центробежных насосов, отличающиеся наличием балансировочного клапана.
Практическая значимость: разработаны рекомендации по ограничению нестационарных режимов работы насосов типа «Д», которые используются на промышленных предприятиях Якутии с целью повышения долговечности узлов и деталей насосов; увеличения энергоэффективности насосных агрегатов.
Внедрение результатов работы. Рекомендации, направленные на повышение надежности работы насосов двухстороннего действия, переданы в РМЦ ОАО «Водоканал» (г. Якутск) и ООО Артель старателей «Ним-геркан» (г. Алдан), а также могут быть применены на других промышленных предприятиях и в муниципальных образованиях страны.
Результаты исследований используются при чтении дисциплины «Стационарные машины» на кафедре горных машин горного факультета в Северо-Восточном федеральном университете им. М. К. Аммосова.
Апробация работы. Результаты исследований представлялись, докладывались и обсуждались: на ежегодных общеуниверситетских аспирантских чтениях СВФУ им. М. К. Аммосова (г. Якутск, 2011, 2012, 2013 гг.); на Всероссийском форуме научной молодежи «ЭРЭЛ-2012», (г. Якутск, 2012 г.); на Международном симпозиуме «Неделя Горняка», (г. Москва, 2012 г.); на 51-й Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (г. Новосибирск, 2013 г.); на техническом совещании при главном механике ОАО «Водоканал» (г. Якутск, 2013 г.); на заседаниях научного семинара кафедры ГМ и факультета ГФ СВФУ им. М. К. Аммосова (г. Якутск, 2012, 2013 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 публикации в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и основных выводов, библиографического списка и семи приложений. Диссертация включает 158 страниц машинописного текста, 76 рисунков, 45 таблиц. Список литературы содержит 106 наименований.
