Введение к работе
Актуальность темы работы. Существующие темпы развития промышленности влекут за собой увеличение потребления минерально-сырьевых ресурсов. Потребителями марганцевых руд являются предприятия металлургической промышленности и машиностроительные предприятия. При этом быстро возрастают потребности РФ в марганцевой руде. Так в 2000 г. потребность в марганцевой руде с содержанием марганца 40 - 60% составляла 2,2 млн. т. Ситуация усугубляется тем, что в настоящий момент в России нет про-мышленно освоенных месторождений марганца на суше.
По оценкам отечественных и зарубежных специалистов, альтернативным источником минерального сырья для цветной и черной металлургии являются подводные месторождения железомарганце-вых конкреций (ЖМК).
Железомарганцевые конкреции являются уникальным полезным ископаемым. В их минеральном составе присутствуют в тех или иных количествах практически все элементы периодической системы таблицы Менделеева.
Проведенные геологоразведочные работы в Балтийском море подтвердили наличие промышленных запасов железомарганцевых конкреций. Месторождения обладают следующими отличительными особенностями: малая глубина разработки (до 70-80 м); высокая плотность залегания (до 40 кг/м2); спокойный рельеф залегания; небольшая удаленность от промышленного города Санкт-Петербурга (до 100 миль).
Предложенные на настоящий момент технические средства добычи конкреций Финского залива мало эффективны. Короткие интенсивные волны на Балтике вызывают большую качку судна обеспечения, что в свою очередь ведет к высокой опасности при использовании тросовых систем добычи. Целесообразно использовать транспортные средства, которые легко реагируют на изменение качки, имеют высокое разрывное усилие транспортирующего органа при увеличении производительности системы, легко сочленяются с придонным добычным устройством, не нарушая его работу во время качки.
Обоснование облика агрегата добычи конкреций на основе создания новых технических средств и способов ведения добычи
является актуальной темой, что позволит повысить эффективность добычи, возможность обеспечить первичное обогащение добытых железомарганцевых конкреций и снизить уровень экологического загрязнения в зоне работы.
Цель работы: обоснование технических характеристик исполнительных органов агрегата придонной добычи, основанного на принципе захвата и удержания конкреций при помощи полостей разрежения, и выбор рациональных его параметров по результатам моделирования процесса движения агрегата на основе разработки механико-математической модели.
Научная новизна диссертационной работы заключается в разработке механико-математической модели процесса движения придонного добычного агрегата барабанного типа с переменной массой и использовании устройства с полостями разрежения в конструкции обечайки барабана добычного агрегата для захвата и удержания железомарганцевых конкреций; подтверждение результатами лабораторных исследований эффективности использования камер с полостями разрежения; установлена зависимость доли устойчиво захваченных единиц конкреций устройством захвата от времени их контакта; обоснование предельных величин скоростей движения добычного агрегата в зависимости от параметров тягового средства.
Основные задачи исследования:
Разработать основные требования к параметрам добычного агрегата на основе анализа недостатков современных технических средств для разработки месторождений морского дна.
Разработать механико-математическую модель процесса добычи железомарганцевых конкреций исполнительным органом с захватом на основе использования полостей разрежения. Разработать методику расчета основных параметров и конструкций добычного агрегата.
Определить влияние коэффициента перетекания на работу устройства захвата с полостями разрежения для добычного агрегата на основе экспериментальных исследований на стенде.
Обосновать компоновочную схему и параметры добычного комплекса.
Методы исследований. При решении поставленных задач
использовался комплексный метод исследований, включающий: анализ и обобщение литературных источников и патентных материалов, а также выполненных ранее научных исследований; математическое моделирование процессов движения придонного агрегата с использованием пакета программ MatLab; экспериментальные исследования на стенде процессов захвата и удержания конкреций с использованием теории планирования; компьютерное моделирование и обработка, анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Защищаемые научные положения:
Гарантированный захват и удержание железомарганцевых конкреций устройством с полостями разрежения обеспечивается при средней линейной скорости обечайки барабана от 1 м/с до 1,5 м/с и без резкого изменения скорости движения добычного агрегата барабанного типа, при котором время разгона в пределах от 0 до 1 м/с должно составлять не менее 30 секунд, а изменения амплитуды скорости - не более 50 % от рабочего значения.
Экспериментально установлено, что устойчивое удержание захваченных конкреций при движении придонного добычного агрегата барабанного типа с камерами разрежения происходит при максимальном использовании суммарной поверхности рабочего сектора захватывающего устройства и при значении коэффициента перетекания от 0 до 0,55, и при этом суммарная площадь свободного пространства между приемным отверстием камеры и конкрецией не должна превышать 25% площади всасывающего отверстия камеры.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, разработанных в диссертации, подтверждается использованием апробированных математических методов, удовлетворительной сходимостью (погрешность в пределах 5%) результатов аналитических и экспериментальных исследований на стенде с применением современных средств измерений и методов исследований.
Практическая ценность работы:
- разработана конструкция транспортирующего агрегата на
основе захвата с использованием полостей разрежения защищенная
патентом;
- разработана конструкция экспериментального стенда,
обеспечивающего исследование процесса захвата и удержания кон-
креций с использованием полостей разрежения в широком диапазоне изменения режимных параметров;
разработанные методики с высокой точностью позволяют определить основные параметры придонного добычного и транспортирующего агрегатов;
применение захватов с полостями разрежения в конструкции исполнительных органов агрегатов добычи и транспортирования конкреций позволит в значительной степени уменьшить загрязнение окружающей среды, увеличить глубину разработки залежей конкреций и обеспечат возможность проведения предварительного обогащения конкреций на добычном агрегате.
Реализация результатов работы. Методика расчета промежуточного привода и придонного добычного агрегата, а также материалы по патенту №2301338 МІЖ Е21С50/00 (2006.01), дата публикации 2007.06.20 «Комплекс для разработки полезных ископаемых шельфовой зоны Мирового океана» и заявка № 2008121079 - «Способ селективного отбора и предварительного обогащения железо-марганцевых конкреций и устройство для его реализации», а также варианты конструкций промежуточного привода и придонного добычного агрегата с полостями разрежения приняты к внедрению в ООО «Петротранс». Материалы диссертационной работы используются при чтении дисциплин: «горные машины и оборудование для подземных горных работ», «механизация горных работ» для студентов и для магистров по направлению 150400 «технологические машины и оборудование».
Личный вклад автора:
- обоснован новый агрегат сбора и транспортирования желе-
зомарганцевых конкреций;
- исследована механико-математическая модель процесса
движения придонного добычного агрегата;
- разработаны рациональные режимы работы устройства за
хвата с полостями разрежения и соответствующие им конструкции
исполнительных органов агрегата добычи железомарганцевых кон
креций.
Апробация работы. Результаты исследований и основные материалы диссертационной работы обсуждались на 5-ой Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение мине-
ральных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2007гг.), научной конференции молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (г.Санкт-Петербург, 2005, 2006гг.), межкафедральных семинарах ГЭМФ СПГГИ (ТУ) (2005, 2006, 2007гг.). Награждение золотой медалью на престижных выставках в г. Севастополе, г. Нюрнберге, г. Женева, г. Сеул, г. Санкт-Петербург на выставке в ЛенЭкспо и бронзовой медалью в г. Париже за разработку «Устройство для сбора железомарганцевых конкреций на шельфовых месторождениях», так же дипломами в г. Брюссель.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, из них 1 патент, 6 работ опубликованы в журналах рекомендованных ВАК России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 151 странице, содержит 61 рисунок, 16 таблиц, список литературы из 112 наименований и 4 приложения.
