CC BY
65
УДК 62-661+621.311.22+622.73
РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ СРЕДСТВ ПЕРВИЧНОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ СМЕРЗШЕГОСЯ И КРУПНОКУСКОВОГО УГОЛЬНОГО ТОПЛИВА НА ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ
Г.П. Берлявский1, В.Г. Канцедалов1, Р.А. Г азаров2, В.Т. Казуб3
Научно-производственное предприятие «Прочность» (1);
Академия информационных технологий в образовании, науке и курортологии (2); Кафедра физики и математики ПятГФА (3), г. Пятигорск
Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: измельчение; режущие фрезы; смерзшаяся порода; тепловые электростанции.
Аннотация: Показано, что схемы размещения резцов на барабанах режущих фрез существующих дробильно-фрезерных машин не соответствуют их допустимым режимным параметрам.
Приведены расчетные зависимости, определяющие оптимальные условия работы резцов, и минимум удельных энергозатрат при разрушении крупнокускового и смерзшегося топлива. Дано обоснование режимных параметров и параметров разрушения для конкретного варианта установки по измельчению угольного топлива в приемных устройствах тепловых электрических станций.
Одним из условий надежной и экономичной работы тепловых электростанций является своевременное снабжение топливом. В настоящее время его потребление находится на уровне 80 млн т. По прогнозам института систем энергетики СО РАН, представленным для оптимизационной динамической модели топливноэнергетического комплекса России, значительного увеличения потребления угольного топлива на ТЭС ОАО PAO «ЕЭС России» можно ожидать уже к 2020 г., когда его потребность достигнет 175 млн т. Если учесть, что стоимость сжигаемого топлива составляет до 65 % себестоимости выработанной электростанцией электроэнергии, а до 10 % себестоимости уходит на транспортировку, прием, разгрузку, хранение и измельчение твердого топлива, то становится понятным насколько важна, как для обеспечения устойчивой работы электростанций, так и для своевременного освобождения железнодорожного подвижного состава, рациональная организация своевременной разгрузки угля.
При перевозке угля в зимних условиях, как в суровых восточных районах России, так и в районах с мягким климатом топливо систематически смерзается [1]. К тому же из-за постоянного роста добычи угля ковшовыми и роторными экскаваторами на электростанции круглосуточно поступает значительное количество негабаритных кусков угля размерами 600... 1500 мм и более, вместо стандартного размера 300 мм. Поэтому актуальность надежного приема твердого топлива, особенно в зимний период, непрерывно возрастает.
Подача твердого топлива на многих электростанциях является наименее надежным звеном, и в этом процессе занято до 25...30 % персонала электростанций. Бесперебойная работа топливно-транспортного хозяйства электростанции, одного из самых ответственных участков, может быть обеспечена только при условии организации эффективных способов первичного измельчения смерзшегося угля и его негабаритных кусков.
В настоящее время на электростанциях, оборудованных вагоноопрокидыва-телями, работает уже несколько сотен дробильно-фрезерных машин типа ДФМ-11 и ДФМ-11А, имеющих режущую фрезу в виде горизонтального барабана. При перемещении вращающегося барабана по рельсам, проложенным по краям бункера над его приемной решеткой, смерзшееся топливо и крупные куски угля подвергаются разрушению, поступают через решетку в приемный бункер, далее в дробильные установки для «тонкого» измельчения [2].
При этом, независимо от типа режущей фрезы (барабан, шнек, набор дисков), ее эффективная и надежная работа будет определяться не только конструкцией и геометрией рабочего инструмента, но и схемой расстановки резцов на фрезе, частотой вращения и скоростью подачи фрезы на штабель измельчаемого угля.
Существующие схемы размещения резцов на барабанах режущих фрез не соответствуют режимным параметрам дробильно-фрезерных машин типа ДФМ-11 и ДФМ-11А. Целики, образующиеся между бороздками резцов, не отделяются, что обусловливает возникновение контакта поверхности барабана с разрушаемым штабелем и резкий рост напорного усилия [3]. В результате размеры кусков угля могут превосходить размеры ячеек приемной решетки и забивать последнюю. Нагрузки на фрезе определяются установленной мощностью ее привода, а не величиной усилий на резцах, необходимых для разрушения смерзшегося и крупнокускового топлива в рациональном режиме.
Параметрами, характеризующими условия работы резцов исполнительных органов дробильно-фрезерных машин, являются глубина резания h , ширина бороздки реза у основания b , средняя величина развала бороздки B и шаг резания t (рис. 1).
В зависимости от этих размеров и их соотношения, а также от расположения поверхностей обнажения разрушаемого массива, работа резцов может протекать в условиях полусвободного (рис. 1, а), полублокированного (рис. 1, б), блокированного (рис. 1, в), углового (рис. 1, г) и щелевого (рис. 1, д) резаний.
При одинаковых значениях h и b сила резания Z , действующая на главную режущую кромку резца со стороны его передней грани и направленная параллельно вектору скорости резания, имеет минимальную величину при полусвободном резании и достигает максимального значения при работе резца в щели.
При изменении t в области полусвободных и полублокированных резов в случае h = const сила резания растет медленнее изменяемого параметра и достигает своего максимума в области блокированных резов (рис. 2, а), когда t = b + (5...6)h . Далее для значений t > b + (5...6)h условия работы не меняются, и усилия резания Z для каждого значения h = const стабилизируются [4].
Удельные энергозатраты процесса разрушения характеризуют величину энергии, необходимую для разрушения единицы объема угля или породы (в том числе и смерзшегося угля), и могут быть определены по формуле
Нw = 2,72 • 10-3 Zср / S, (1)
где Ew - удельные энергозатраты на процесс разрушения, кВт-ч/м3; Z^ - средняя сила резания, кН; S - площадь сечения реза, см2.
а) б) в)
г) д)
Рис. 1 Типы резов
а) б)
Рис. 2 Зависимости силы резания Z и удельных энергозатрат Н„ от величины шага резания ^
Характерные графики зависимостей Н№ (t) показывают, что с ростом глубины резания h удельные энергозатраты снижаются, а с ростом шага резания t при h = const они сначала снижаются, достигая своего минимума в области полу-блокированных резов, а затем снова возрастают и стабилизируются в области блокированных резов (рис. 2, б).
Наиболее предпочтительными из рассмотренных типов являются полубло-кированные резы, которые позволяют при правильно выбранном соотношении между глубиной резания, шириной резца и шагом резания (расстоянием между центрами соседних бороздок) установить оптимальные значения tOT шага резания для различных глубин резания, при которых целички разрушаемого массива между соседними бороздками полностью отделяются, а энергозатраты на процесс разрушения имеют минимальные значения
где значения /оп , ширины резца Ь и глубины резания и имеют одинаковые единицы измерения (см).
Меньшее значение коэффициента в формуле (2) принимается для вязких, а большее - для хрупких углей и пород.
Резы, производимые рабочим инструментом исполнительных органов горных машин с горизонтальными осями вращения, к которым относятся и режущие фрезы дробильно-фрезерных машин, имеют серповидную форму, глубина резания (толщина стружки) в этом случае не остается постоянной, а изменяется при вращении исполнительного органа от 0 до Итах и затем снова до 0.
Максимальное значение толщины стружки Итах (см) находится из выражения
где Уп - рабочая скорость подачи дробильно-фрезерной машины на штабель раз-
число резцов в линии резания.
Средняя толщина стружки (глубина резания) Иср определяется согласно [6],
из соотношения
Максимальная глубина резания (3) не должна превышать величину вылета резца 1р над опорной поверхностью кулака.
Приведенные зависимости являются исходными для определения параметров разрушения Итах , Иср , /оп и общего количества резцов Шфр , устанавливаемых на фрезе и работающих по последовательной схеме резания при разрушении смерзшегося и крупнокускового угля.
В качестве примера для расчета параметров разрушения были приняты режимные и конструктивные параметры фрезы, приведенные в [3], установки для первичного измельчения смерзшегося и крупнокускового угля:
Ширина захвата фрезы В3 , м........................... 5,286
Диаметр фрезы (исполнительного органа) Пи о , м....... 0,76
Скорость подачи фрезы Уп , м/с........................ 0,06
(2)
hmax 100Vnj( ^и.о^л.р ) ,
(3)
рушаемого угля, м/с; пи о - частота вращения исполнительного органа, с '; mл р
‘max ■
(4)
Частота вращения фрезы пи о , с......................... 4,63
Максимальный вылет резцов из кулака, мм
тангенциальных типа РКС1............................ 60
радиальных типа ЗР4.80.............................. 80
Число резцов в каждой линии резания шл р................ 1
Производительность Q , т/ч.............................. 900
Скорость подачи фрезы Уп = 0,06 м/с хорошо корреспондируется с возможными рабочими значениями скоростей подачи современных очистных комбайнов со шнековыми и барабанными исполнительными органами и обеспечивает необходимую производительность установки для первичного измельчения угля. Скорость резания Ур м/с, определяемая по формуле
Ур = р^и.опи.о ,
составляет Ур = 3,14 • 0,76 • 4,63 = 11,05 м/с.
Максимальная и средняя глубины резания, определенные по (3) и (4), при установке в каждой линии резания одного резца (шл р = 1), составляют:
2
Итах = 100 • 0,06/4,63 = 1,29 см; Иср = — 1,29 = 0,82 см.
я
Средний шаг установки резцов /у по длине режущей фрезы
/у = В3 /Шфр = 528,6/109 = 4,85 см,
где Шфр = 109 - число резцов, установленных на фрезе по схеме последовательного резания.
Таким образом, и в этом случае шаг установки резцов /у равен шагу блокированного резания
/бл = Ьр +(5...6) И = 0,7 + (5...6) 0,82 = 4,8...5,62 см,
где Ьр = 0,7 см - ширина резца типа РКС на высоте контакта его с разрушаемым
массивом при Иср = 0,82 см.
В этой связи, при указанных режимных и конструктивных параметрах фрезы параметры разрушения смерзшегося и крупнокускового угля рабочим инструментом режущей фрезы далеки от оптимальных. Скорость резания почти в 5 раз превышает скорость резания для шнековых и барабанных исполнительных органов того же диаметра у очистных комбайнов, а средняя глубина резания Иср в 4-5 раз
меньше чем у комбайнов, хотя скорость подачи фрезы практически одинакова со средней рабочей скоростью подачи на забой очистных комбайнов.
Возможным способом повышения глубины резания и обеспечения оптимальных условий работы инструмента является снижение частоты вращения фрезы. Нами выполнены предварительные расчеты нагрузок на фрезе при работе ее полным диаметром. Расчеты проводились на ПЭВМ по программе, составленной на основании отраслевого стандарта [5] и рекомендаций, изложенных в [6].
За основу принят расчет сил резания 2 на одиночном резце с последующим их суммированием на одновременно работающих резцах в каждом положении исполнительного органа
2 = г0 + /'у,
где Zo - сила резания на остром резце, Н; f' - коэффициент сопротивления резанию; у - отжимающая сила на резце, Н.
В свою очередь
Zo = 10A ^l+Eh ЫКзКуКфКпр (1/cosb),
где Ap - сопротивляемость угля резанию, Н/мм; b - ширина режущей части инструмента, см; E - показатель степени хрупкости угля; h - толщина стружки на резце (средняя глубина резания), см; t - ширина стружки на резце (шаг резания), см; Кз - коэффициент обнажения забоя; Ку - коэффициент влияния угла резания на удельную энергию резания; Кф - коэффициент влияния формы передней поверхности резца; Кпр - коэффициент влияния поворотного резца; b - угол
наклона резца к направлению подачи фрезы, град.
Результаты расчетов для фрезы, оснащенной вращающимися резцами РГ401 (РКС1), приведены в табл. 1.
Сопоставление вариантов расчета нагрузок на исполнительном органе установки свидетельствует о том, что частота вращения фрезы при постоянной скорости ее подачи на штабель разрушаемого топлива (Уп = const) играет решающую роль в формировании величины результирующей нагрузки и мощности на резание.
Снижение частоты вращения фрезы ведет к прямопропорциональному росту нагрузки на единичном резце в условиях блокированного резания, но благодаря росту величины оптимального шага резания, общее число резцов на исполнительном органе существенно уменьшается. Поэтому при снижении, например, частоты вращения в 6 раз (с 6 до 1 с-1) окружная сила на резце и крутящий момент на ее валу возрастают в 2,21 раз, а мощность на резание снижается при этом в 2,71 раз.
Последнее обстоятельство является весьма существенным, так как приводит к значительного уменьшению габаритов и массы привода фрезы.
Таким образом, для разрушения смерзшегося и крупнокускового топлива резцами современных конструкций требуется создавать установки с существенно сниженной (в среднем в 4,5 раза) частотой вращения фрезы. При этом размер 87,7 % кусков разрушенного угля не будет превышать 100 мм, что приведет к снижению энергозатрат на процесс последующего «тонкого» измельчения твердого угольного топлива.
Таблица 1
Частота вращения фрезы, с-1 6 3 1,5 1
Окружная сила на фрезе, кН 41,61 53,93 74,29 92,08
Крутящий момент на валу фрезы, кН 15,81 20,49 28,61 34,99
Мощность на резание, кВт 685,2 444,0 309,9 252,7
Сила подачи исполнительного органа, кН 57,48 63,89 76,65 87,16
1 Берлявский, Г.П. Исследование разрушения смерзшегося топлива / Г.П. Берлявский // Энергетика и электрификация. - 1993. № 2.
2 Дьяков, А.Ф. Кризисные явления на тракте топливоподачи угольных ТЭС и пути их преодоления / А.Ф. Дьяков, Г.П. Берлявский, В.Г. Канцедалов. - М.: Издательство МЭИ, 1998.
3 Эффективные средства, первичного измельчения угля на тепловых электростанциях / Г.П. Берлявский, Б.И. Пасько, Л.А. Бойко, В.Е. Саратов. - Киев: Техника, 1992.
4 Солод, В.И. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов / В.И. Солод, В.Н. Гетопанов, В.М. Рачек. - М.: Недра, 1982.
5 ОСТ. 12.44.258-84. Комбайны очистные. Выбор параметров и расчет сил резания и подачи на исполнительных органах. Методика. Срок введения 01.01.1985.
6 Позин, Е. З. Разрушение углей выемочными машинами / Е. З. Позин, В.З. Меламед, В.В. Тон. - М.: Недра, 1984.
Development of Effective Means of Primary Grinding of Frozen and Large Rock Coal Fuel at Thermal Power Station
G.P. Berlyavsky1, V.G. Kantsedalov1, R.A. Gazarov2, V.T. Kasub3
Scientific Industrial Enterprise “Prochnost” (1);
Academy of Information Technologies in Education, Science and Balneology (2);
Department of Physics and Mathematics PyatSPA (3), Pyatigorsk
Key words and phrases: grinding; milling cutter; frozen rock; thermal power stations.
Abstract: It is shown that the schemes of location of cutters on the drums of milling cutters of the existing grinding-cutting machines do not meet the allowed mode parameters.
The calculating dependencies, determining optimum conditions of cutters work and minimum of specific costs on destruction of large rock and frozen fuel are given. Mode parameters and destruction parameters for a specific type of unit of grinding coal fuel in suitable devices of thermal power stations are grounded.
Erarbeitung der wirkungsvollen Mittel der primären Zerkleinerung des gefrierten und großstückigen Kohlenbrennstoffes auf den Wärmekraftwerken
Zusammenfassung: Es ist aufgezeigt, daß die Schemas der Anlegung der Schneidezähne auf den Trommeln der schneidenden Fräser der existierenden Brechfräsermaschinen ihren zulässigen Regimenparametern nicht entsprechen.
Es sind die Rechenabhängigkeiten, die die optimalen Bedingungen der Arbeit der Schneidezähne und Minimum der spezifischen Energieausgaben bei der Zerstörung des gefrierten und großstückigen Brennstoffes bestimmen, aufgeführt. Es ist die Begründung der Regimenparameter und der Parameter der Zerstörung für die konkrete Variante der Anlage für die Verkleinerung des Kohlenbrennstoffes in den Emfan-gsgeräten der thermischen Kraftwerke angegeben.
Elaboration de l’efficacité des moyens du broyage primaire du combustible charbonneux à grandes mottes et congélé dans les centrales thermiques
Résumé: Est montré que les schémas du placement des outils coupants sur les tambours des fraises à couper des machines à broyage et à fraisage existantes ne coïncident pas à leurs paramètres admis.
Sont citées les dépendances de calcul définissant les conditions optimales du service des outils coupants ainsi que le minimum des dépenses énergétiques spécifiques lors de la destruction du combustible charbonneux à grandes mottes et congélé. Est donnée la justification des paramètres de régime et paramètres de destruction pour une variante concrète de l’installation pour le broyage du combustible charbonneux dans les récepteurs des centrales électriques thermiques.
