Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ алгоритмов управления процессом грунтозабора . 11
1.1. Анализ факторов, ограничивающих производительность землесоса 11
1.2. Способы определения лимитирующего влияния кавитации грунтового насоса 19
1.3. Способы определения лимитирующего влияния процесса гидро транспортирования 22
2. Исследование режимов работы трунтомсосных установок дизельных землесосов и обоснование алгоритма оптими зированного управления процессом грунтозабора 33
2.1. Характеристики и рациональные режимы работы грунтонасосных установок 33
2.1.1. Исследование характеристик грунтонасосных установок при постоянной частоте вращения 33
2.1.2. Характеристики грунтонасосных установок при постоянном крутящем моменте 42
2.1.3. Исследование ре)кимов работы грунтонасосных установок 43
2.2. Исследование кавитационных характеристик грунтовых насосов 60
2.3. Исследование показателей работы землесосов по условиям грунтозабора 65
2.4. Обоснование алгоритма оптимизированного управления технологическим процессом работы землесоса 79
3. Исследование и разработка приборов, необходимых для оптимизации технологического процесса 87
3.1. Исследование состояния контрольно-измерительных приборов для управления технологическим процессом на современных речных землесосах 87
3.2. Обоснование принципа действия и схемы прибора для измерения подачи грунтового насоса по гидросмеси 97
3.3. Исследование и разработка прибора для определения кавитационного изменения характеристики грунтового насоса 115
4. Результаты испытаний ношх приборов контроля за тех нологическим процессом работы землесоса 127
4*1. Испытания опытного образца прибора для опреде ления подачи грунтового насоса по гидросмеси на экспериментальном стенде 127
4.1.1. Описание экспериментального стенда 127
4.1.2. Анализ результатов испытаний расходомера на экспериментальном стенде 133
4.2. Испытания опытного образца прибора для определения кавитационного изменения характеристики грунтового насоса на экспериментальном стенде 135
4.3. Испытания приборов в производственных условиях. 138
4.3.1. Анализ производственных испытаний расходомера 138
4.3.2. Анализ производственных испытаний прибора для определения кавитационного изменения характеристики грунтового насоса 143
Заключение 152
Литература 156
Приложение I
- Способы определения лимитирующего влияния кавитации грунтового насоса
- Исследование кавитационных характеристик грунтовых насосов
- Обоснование принципа действия и схемы прибора для измерения подачи грунтового насоса по гидросмеси
- Испытания опытного образца прибора для определения кавитационного изменения характеристики грунтового насоса на экспериментальном стенде
Способы определения лимитирующего влияния кавитации грунтового насоса
Выше было отмечено, что в общем случае ограничения по грунтозабору могут проявляться и через грунтовый насос. В частости, при работе добывающих землесосов производительность обычно ограничивается всасывающей способностью насоса. Лимитирующие влияния ее при ручном управлении процессом грунтозабора оценивают посредством вакуумметра, субъективно определяя максимально допустимое для каждых условий работы значение вакуума. Вакуумметр является по существу единствен ным прибором на землесосе, которым располагает оператор для оценки явлений, связанных с кавитацией. В системах автоматического регулирования, например, в САРЗ "Слой-ТМ", регулирование грунтозабора по вакууму осуществляется путем подбора чувствительности датчика вакуума. Установка величины предельного вакуума производится вахтенным начальником для каждых новых условий эксплуатации [бо] . Аналогично решается рассматриваемая задача и в других САРЗ [21,95 J .
Субъективная оценка допускаемого в тех или иных условиях эксплуатации значения вакуума перед грунтовым насосом приводит к неполному использованию технических возможностей землесосов.
Это особенно существенно для добывающих землесосов,управление которыми ведется по предельному значению вакуума и по характеру вытекающей струи с концевого понтона плавучего грунтопровода.
Вместе с тем известно, что допускаемая вакуумметрическая высота всасывания центробежных насосов существенно зависит от подачи, тогда как из-за меняющихся условий грунтозабора потери напора при входе смеси в грунтоприемник практически не связаны с подачей. Из-за этого предельно допускаемое разрежение перед насосом может быть достигнуто при любой подаче. Поэтому однажды заданное значение предельно допускаемого разрежения может оказаться предельно допустимым только случайно. Для всех других условий работы оно будет с "запасом". Вследствие того, что потери напора во всасывающем грунтопроводе в режимах с заилением слабо зависят от подачи и от плотности гидросмеси, "запас" даже в 0,5-1,0 м приводит к резкому снижению производительности землесоса. Следует также добавить, что наиболее определенные внешние проявления кави тации, на которые ориентируется оператор, например, мощность шума и вибрация, характерны для начальной стадии кавитации, которая в большей части грунтовых насосов проявляется задолго до срывного режима и не может рассматриваться как недопу-скаемая в эксплуатации. Б связи с малой ролью кавитационной эрозии по сравнению с абразивным износом для грунтовых насосов недопускаемой стадией развития кавитации следует считать срывную, а она внешне практически не проявляется и для ее определения оператор не имеет приборов. Не предусмотрены такие приборы и в известных системах автоматизации грунтозабо-ра. Таким образом, решение задачи определения режима допускаемой кавитации позволит реализовать существенные резервы повышения производительности землесосов. Известно, что в лопастном насосе кавитация проявляется двумя факторами: изменением мощности шума насоса и изменением характеристики [17] . Акустические свойства индивидуальны, поэтому предпочтителен второй фактор. В различных фазах кавитации характеристики грунтового насоса,.в частности зависимость напора от подачи, изменяются по разному. В начальных фазах напорная характеристика проходит выше соответствующей кривой насоса, работающего без кавитации. При срывном режиме она проходит наоборот, ниже. Поэтому в дальнейшем речь пойдет о снижении напорной характеристики по сравнению с кривой насоса при отсутствии кавитации. Сложность использования такого показателя заключается в том, что снижение напора может происходить и по другим причинам, например, из-за снижения плотности гидросмеси, что должно вызвать увеличение подачи. Поэтому признаком кавитационного снижения характеристики является уменьшение напора при одновременном снижении подачи. При отсутствии расходомера об увеличении подачи свидетельствует увеличение разрежения перед насоСОм. Таким об разом, в качестве фактора, позволяющего определить кавитацион-ное снижение характеристики и достижение предельно допустимого разрежения перед насосом можно рассматривать снижение нано-ра при одновременном увеличении показаний вакуумметра. Для реализации указанного метода необходимо располагать устройством, позволяющим суммировать сигналы от двух приборов- вакуумметра и манометра, а также непрерывно сравнивать суммарный сигнал и сигнал с вакуумметра с предыдущим сигналом [77] Этот принцип реализован нами в приборе для определения кавитацион-ного снижения характеристики грунтового насоса. Обоснование принципа его действия изложено в третьем разделе диссертации.
Исследование кавитационных характеристик грунтовых насосов
Существенное влияние на производительность землесовов по грунту оказывает всасывающая способность грунтовых насосов, определяемая потерями во всасывающем грунтопроводе. К таким потерям относятся потери на отрыв грунта от основного материка, на подъем грунта до оси грунтового насоса и на преодоление значительных сопротивлений при движении гидросмеси во всасывающем грунтопроводе, длина которого достаточно велика особенно у добывающих землесосов. Эти потери резко возрастают при увеличении плотности гидросмеси, повышение которой направлено на улучшение технико-экономических показателей работы землесосов.
Современные тенденции к увеличению глубины извлечения грунта, что особенно характерно для землесосов на добыче нерудных строительных материалов (НСМ), повышение гидротранс-портирующей способности и производительности по грунту грун-тонасосных комплексов за счет увеличения скорости гидросмеси связаны с необходимостью улучшения антикавитационных качеств грунтовых насосов.
Исследованию всасывающей способности грунтовых насосов и их кавитационных характеристик посвящен ряд работ [Г7,18,34, 42,59,63,81] .
Антикавитационные свойства центробежных насосов на воде характеризуются зависимостью допускаемой вакуумметрической где Л гъдоп - допускаемый кавитационный запас в м; - —2 - разность атмосферного давления и давления насыщенных паров воды при данной температуре в м.
Для грунтовых насосов, имеющих рабочие колеса с малой густотой решетки, установлены три фазы кавитации [53J .Это нестационарная струйная кавитация, началу которой соответствует первый критический кавитационный запас АІь-кр \ срыв-ной кавитационный режим, характеризуемый резким падением напора и величиной LilfiKp и режим суперкавитации -Ari,jjHp . Исследованиями, проведенными в ГИИВТе установлено [41J , что второй и третий режимы кавитации близки друг к другу, а при отсутствии в колесе зон отрыва потока на входных кромках лопастей происходит совмещение режимов А1Ъ-КР и t 1bjjKp . Наличие же режима нестационарного течения с отрывом каверны при одновременном росте мощности шума и первоначальном снижении характеристик, что соответствует Агъ-кр свойственно колесам с малой густотой решетки [82] и является признаком отрывного течения.
Для грунтовых насосов второй критический кавитационный запас принимают за наименьшую допустимую величину АІьд , при которой возможна еще эксплуатация насоса. Исходя из сказанного, выражение (2.26) запишется следующим образом
Критический кавитационный запас можно определить из уравнения [г?] где С. и СлХ - соответственно абсолютная и относительная скорости жидкости у входной кромки лопасти рабочего колеса насоса в м/с; шАкр - критическое число кавитации. Считая, что предварительная подкрутка потока на входе отсутствует ( CUf= 0), то где IL1 - окружная скорость жидкости у входной кромки лопасти в м/с. Тогда уравнение (2.28) примет вид
Критическое число кавитации зависит от скоростей движения жидкости, на которые также оказывают влияние многие факторы І62І . Поэтому аналитическое определение Хип невозможно и его получают экспериментально.
Исследования, выполненные в ВИГМе [8lJ , показали, что Лцр является функцией Cj /ЪЬ в широком диапазоне изменения параметров насоса и геометрии колеса. В ГИИВТе были проведены кавитационные испытания модельного грунтового насоса с рабочими колесами, имеющими различную ширину и диаметр входа. Анализ результатов испытаний показал четкую зависимость Лкр от отношения C1/tL., что видно из рис.2.II [I8J .Результаты исследований соответствовали режиму суперкавитации,
Обоснование принципа действия и схемы прибора для измерения подачи грунтового насоса по гидросмеси
На основании изучения принципа действия и конструкции современных расходомеров [16,47,74,97] разработан прибор для измерения подачи грунтового насоса по гидросмеси, работа которого основана на непрерывном измерении отношений перепадов давлений в точках отвода грунтового насоса.
Принцип измерения подачи данным прибором основан на том, что эпюра относительного давления р (отношение давления вблизи окружности колеса к давлению в диффузоре отвода) в отводе зависит от подачи насоса. Поскольку относительное давление р является частным от деления двух значений давления, каждое из которых пропорционально плотности, то эпюра р и его значение в любой точке отвода не зависит от плотности перекачиваемой гидросмеси. Поэтому, замеряя относительное давление в какой-либо точке отвода и зная функцию P-j(Q) в ней, можно определить подачу грунтового насоса по гидросмеси.
На экспериментальном стенде (рис.3.1) в лаборатории ГИИВТа были проведены замеры давлений в отводе и диффузоре модельного грунтового насоса. Замеры давлений в отводе и диффузоре производились в рабочем диапазоне подач 50-100$ в
сечениях с первого по восьмое на радиусах НО, 130, 150 мм, что соответствовало изменению центрального угла в через 45, Данные замеров давлений приведены в табл.3.1-3.4. Номера сечений и введенные обозначения приняты в соответствии с рис.3.2. На основе этих замеров были построены эпюры относительных давлений р в зависимости от подачи насоса.
Проведенные исследования эпюр (рис.3.3, рис.3.4) показали, что изменение относительных давлений р в рабочем диапазоне подач грунтового насоса по гидросмеси мало по сравнению с их абсолютными значениями. Эти выводы подтверждаются данными [97j , которые также показали, что изменение относительных давлений существенно зависит от геометрии отвода грунтового насоса, в частности от положения языка спирали. Поэтому определение подачи по гидросмеси через функцию p-J(Q) приводит к значительному снижению точности измерений. Для устранения указанного недостатка принцип действия прибора основан на измерении перепадов давлений между тремя,точками А, В, С, расположенными в отводе грунтового насоса (рис.3.5).
Точки А, В, С выбраны с учетом распределения давлений в спиральном отводе центробежного насоса [б7] . Из рис. 3.6 видно, что при номинальной подаче давления в точках 12,3,6, расположенных по периферии рабочего колеса, одинаковы. С уменьшением подачи давление в точке 12 растет интенсивнее, чем в точке 3 и в точке 6. Вместе с тем экспериментально установлено, что давление в любом радиальном сечении при одинаковой подаче тем больше, чем дальше удалена точка от периферии рабочего колеса (рис.3.7). Следовательно, в отводе грунтового насоса можно подобрать точки так, что перепад давлений между точками А, В и А, С будет изменяться в за висимости от подачи по кривой I для точек А и В и по кривой 2 для точек А и С ( рис. 3.8). При таком характере кривых I и 2, кривая 3 зависимости отношений передадов давлений от подачи насоса ( в рабочем диапазоне подач 50-ЮС$) имеет вид, указанный на рис. 3.8.
На основании вышесказанного разработан новый способ измерения подачи грунтового насоса по гидросмеси путем измерения перепадов давлений. Сущность способа заключается в том, что перепады давлений замеряют в трех точках, выбранных в отводе насоса, а о подаче судят по отношению значений перепадов давлений между общей точкой и двумя другими. На данный способ получено положительное решение ВНИИШЭ Jfe 3551961/25-06,28.11.83.
На рис. 3.5 изображена блок-схема устройства для измерений подачи грунтового насоса по гидросмеси. Оно содержит штуцеры I, 2, 3, расположенные в точках А, В и С отвода 4 грунтового насоса 5, дифференциальные датчики давления 6 и 7, подключенные соответственно к точкам А, В и А, С, блок деления 8 и указатель подачи 9. Блок деления 8 и указатель подачи 9 объединены конструктивно в прибор для измерения подачи по гидросмеси, внешний вид которого изображен на рис. 3.9. Устройство питается от сети переменного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц.
В качестве дифференциальных датчиков давления были использованы комбинированные дифференциальные датчики, состоящие из дифманометров типа М модели 3583М с верхним пределом измерения 63 кПа и преобразователей давления МП с унифицированным токовым выходным сигналом ( рис. 3.10 ). При изменении измеряемого перелада давлений от нуля до 63 кПа выходной сигнал датчике изменяется от нуля до 5 mA. Класс точности датчиков - I. Датчики питаются от сети переменного тока на
Испытания опытного образца прибора для определения кавитационного изменения характеристики грунтового насоса на экспериментальном стенде
Для оценки работоспособности прибор для определения кавитационного изменения характеристики грунтового насоса ( в дальнейшем - прибор) (рис.4.7) испытывался на экспериментальном стенде (рис.4.1, 4.2). Для этого на стенде были проведены кавйтацйонные испытания модельного грунтового насоса при трех значениях подачи Q = 120, 100 и 80 м3/ч. Датчики манометрического и вакумметрического давления прибора были подключены параллельно соответствующим приборам стенда. По дача устанавливалась задвижками 5 и 6 и определялась по дифманометру 8 на основе зависимости (4.2). В дальнейшем подача поддерживалась постоянной с помощью задвижки 5 на нагнетательном трубопроводе 4. Режим работы модельного грунтового насоса менялся вакуум-насосом 14 путем прикрытия крана 17, при этом в кавитационном баке понижалось давление до срыва работы насоса I, т.е. до момента, когда подача падала, не поддаваясь регулировке задвижкой 5, или манометр I (рис.4.3) показывал ноль. Этот момент четко регистрировался прибором. При достижении срывного кавитационного режима прибор выдавал световой и звуковой сигнал.
Проведенные испытания опытных образцов приборов на экспериментальном стенде позволили сделать вывод об их работоспособности и возможности проведения испытаний в производственных условиях.
Испытания опытного образца расходомера проводились на дноуглубительном землесосе Волжского БУПа пр.23-112 "Волжский 1005" в навигации 1982-1983 гг. Первый вариант конструкции расходомера испытывался в навигацию 1982 года. В 1983 году после внесения в схему прибора изменений производственные испытания расходомера были продолжены. Испытания проводились на Н.Парашинском перекате с 16.07.83 г. по 20.07.83 г., на Георгиевском перекате с 4.08.83 г. по 10.08.83 г., и. В.Подновском перекате с 27.09.83 г. по 2.10.83 г. Окончательный вариант конструкции расходомера испытывался на
В.Подновском перекате (приложение I). Разрабатывались серии траншей шириной 6 м и 9 м. Грунт на месте испытаний - песок мелкий, средней плотности, засоренный. Грунтовые условия на этом участке позволяли землесосу работать с производительностью по грунту, близкой к максимальной и в широком изменении подачи грунтового насоса по гидросмеси. Расходомер был смонтирован на землесосе следующим образом. Комбинированные дифференциальные датчики давления (рис.ЗЛО) были установлены в машинном отделении землесоса вблизи грунтового насоса и подключены через отстойники к трем точкам его отвода при помощи резиновых шлангов и штуцеров, ввернутых в крышку насоса (рис.4.8). Непосредственно сам расходомер был установлен в рубке землесоса (рис.4.9). Каждый датчик с расходомером был соединен электрическим четырехжильным кабелем длиной 30 м с сечением жилы I мм . Питание электрической схемы прибора осуществлялось от сети переменного тока напряжением 220 Б, частотой 50 Гц.
Для определения подачи грунтового насоса по гидросмеси была произведена тарировка шкалы индикатора расходомера при работе землесоса на воде. Тарировка проводилась теплотехнической партией Волжского БУПа. В процессе тарировки подача грунтового насоса определялась по скорости движения краски в грунтопроводе. Были проведены пять серий замеров подачи: 1) с нормальной длиной нагнетательного грунтопровода без заглушки; 2) то же с заглушкой, перекрывающей 30$ выходного сечения грунтопровода; 3) то же с заглушкой, перекрывающей 65% выходного сечения грунтопровода; 4) то же с заглушкой, перекрывающей 80% выходного сечения грунтопровода; 5) то же с заглушкой, перекрывающей 30% выходного сечения грунтопровода. Данные тарировки шкалы индикатора расходомера приведены в табл.4.2. При этом относительная погрешность расходомера в рабочем диапазоне подач (50-100%) не превышает 10%. В процессе испытаний расходомер и система отстойников работала без сбоев. Очистка отстойников производилась один раз за вахту. Качественная оценка режимов работы грунтонасосной установки, определяемая по расходомеру, сравнивалась с показаниями штатных приборов манометра и вакуумметра, а также по визуальному наблюдению за вытекающей струей с концевого понтона, характеризующими интенсивность технологического процесса. Сбои в работе прибора наблюдались при засорении рабочего колеса грунтового насоса. Управление по расходомеру помогало оператору оптимизировать процесс грунтозабора. Управляя скоростью рабочего перемещения землесоса по траншее,оператор старался поддерживать подачу грунтового насоса по гидросмеси, равную 0,6 (Хв по расходомеру, что соответствовало работе с производительностью по грунту близкой к максимальной. Испытания показали, что сигнал подачи по гидросмеси может быть использован в системе автоматического регулирования в качестве основного технологического параметра, характеризующего предельную гидротранспортирующую способность грунтонасосной установки.
