CC BY
243
ГОРНОЕ ДЕЛО
УДК 622.236.52:622.23.054
ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ИСПЫТАНИЕ ГИДРОСЪЕМНИКА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ДЛЯ ГИДРОСИСТЕМЫ ВЫСОКОНАПОРНОГО ОРОШЕНИЯ ПРОХОДЧЕСКОГО КОМБАЙНА КП21
А.Б. Жабин, А.В. Поляков
Приведена конструкция гидросъемника и стенда для его испытания. Представлены результаты заводских испытаний гидросъемника.
Ключевые слова: система высоконапорного орошения комбайна КП21, гидросъемник, испытательный стенд, результаты заводских испытаний гидросъемника.
В последние годы во всех угледобывающих странах уделяется большое внимание вопросами защиты от взрывов газа и пыли при фрикционном контакте режущего инструмента исполнительных органов горных машин с абразивными породами и их включениями в угольном массиве. В настоящее время работают тысячи комбайнов, которые эксплуатируются с системами орошения, не обеспечивающими надежнуювзрывозащиту, а в большинстве случаев вообще без орошения, хотя это и запрещено Правилами безопасности.
Учитывая тяжесть последствий воспламенения или взрыва пылеметановоздушной смеси, создание систем для проходческих машин, способных не только повысить эффективность производства, но и безопасность горных работ имеет первостепенное значение. Полное исключение или хотя бы резкое снижение количества вспышек и взрывов метана и угольной пыли является одной из главных и актуальных задач при создании горной техники и, в частности, проходческих машин.
В настоящее время разработана конструкторская документация на систему пылевзрывозащитного высоконапорного орошения для комбайна КП21, и часть элементов системы изготовлены и прошли стендовые испы-
тания. Отметим, что опытно-промышленное производство таких систем может быть налажено на ООО «Скуратовский опытно-экспериментальный завод». Данное предприятие уже имеет опыт изготовления экспериментальных образцов гидромеханических исполнительных органов и комбайнов, а также средств формирования струй воды высокого и сверхвысокого давления и заинтересовано в выпуске наукоемкой, конкурентоспособной продукции.
Рабочий проект системы высоконапорного орошения выполнен применительно к комбайну КП21. Система содержит комплект оборудования, достаточный для монтажа и отладки на полностью собранном комбайне, в том числе и в условиях рудоремонтного завода. Указанная система предназначена для модернизации комбайна с целью повышения эффективности подавления искрообразования в зоне контакта резца с породой и улучшения пылеподавления.
Система высоконапорного орошения (рис. 1) является дополнительным оборудованием к комбайну КП-21 и состоит из следующих составных частей: продольно-осевой коронки 7; гидросъемникаб; источника воды типа УНС63 2 мощностью 75 кВт с водяным баком 1 и гидросистемы, содержащей рукав высокого давления 5, реле давления 4 и фильтр 3. Система обеспечивает подачу воды на один резец с расходом 2,0 л/мин при давлении воды 35 МПа. При этом источник воды высокого давления 2 располагается на раме комбайна (рис. 1, в). Такое его расположение значительно повышает надежность работы всех гидравлических систем высоконапорного орошения [1, 2].
Наиболее ответственным элементом системы высоконапорного орошения, от четкости работы которого во многом зависит эффективность всей системы, является гидросъемникб (рис.1). Он устанавливается в камере редуктора стрелы комбайна и предназначен для передачи воды высокого давления от неподвижного рукава высокого давления 5 к вращающейся породоразрушающей коронке 7 и далее к резцам, расположенным на ней.
На основании анализа существующих конструкций гидросъемников высокого давления и с учетом опыта разработки высоконапорного оборудования для гидромеханического разрушения горных пород и других материалов [2 - 4] разработана конструкция гидросъемника высокого давления 6 (рис. 1). Его конструктивная схема показана на рис. 2, а краткая характеристика - в табл. 1. Отличительные особенности этого гидросъемника следующие.
Конструкция гидросъемника имеет простую и экономичную (небольшие габариты) конструкцию. Соединение является прочным, устойчивым и может противостоять случайному повреждению, обеспечивая при этом надежное поворотное соединение линий передачи воды высокого давления.
а
б
в
Рис.1. Компоновка системы высоконапорного орошения на проходческом комбайне КП-21: а - общий вид комбайна; б - общая схема; в - место установки источника воды высокого
давления
Гидросъемник является самосмазывающимся, так как позволяет жидкости, находящейся внутри отверстий, частично протекать между охватываемым элементом и внутренними поверхностями, улучшая взаимодействие опорных поверхностей. Кроме того, все корпусные элементы гидросъемника соединяются винтами 13 и прижимной гайкой 12. Это обстоятельство позволяет работать гидросъемнику при различных положениях стрелы исполнительного органа комбайна. Наличие подшипникового узла со сдвоенным шарикоподшипником 21 (см. рис. 2) увеличивает несущую способность гидросъемника, а наличие манжетных уплотнений 23 исключает возможность попадания рабочей жидкости в подшипниковый узел, заполненный специальной консистентной смазкой. Наличие смазки позволяет значительно увеличить ресурс работы гидросъемника.
Гидросъемник (см. рис. 2) включает в себя три основных элемента: охватываемый элемент - вал 1, удерживаемый корпусами 2 и 3. При этом между рассматриваемыми элементами значительно увеличена доля опорных поверхностей (называемых также «упорными поверхностями» или «прилегающими поверхностями») за счет использования внутренних и наружных осевых, а также торцевых поверхностей этих элементов.
Таблица 1
Техническая характеристика гидросъемника
Наименование параметра и характеристики Величина
1. Рабочее давление, МПа 35,0
2. Расход воды высокого давления, л/мин 60
3. Частота вращения, об/мин 47,0
4. Присоединительные размеры, мм: - диаметр входного патрубка; - диаметр выходного патрубка М22х1,5 >20/6
5. Габаритные размеры, мм: - длина; - ширина, высота 170 >120
6. Масса, кг 6,0
7. Регламентированная внешняя утечка, %*, не более 3 - 5
8. Среднеквадратическое значение виброскорости, мм/с, не более 4,5
9. Температура подшипниковых узлов, 0С, не более 65
* Величина утечки уплотнения гидросъемника определена техническими условиями на торцевые уплотнения при перекачивании химически неактивных жидкостей и указана в процентах от производительности насосного оборудования
а
б
Рис. 2. Гидросъемник: а - общий вид; б - конструктивная схема; 1 - вал; 2 - промежуточный корпус; 3 - корпус; 4, 8 и 11 - втулка; 5 - втулка шестигранная; 6 и 7 - уплотнительные кольца;
10 - пружина; 12 - гайка; 13 - винт; 14-20 и 23 - кольцо уплотнительное; 21 - подшипник; 22 - шайба; 24 - штуцер
В разработанной конструкции гидросъемника использована технология «герметизации», которая включает торцевые уплотнения 6 и 7 и целый комплект дополнительных уплотнений 14 - 20 и 23, обеспечивающих надлежащую смазку, предотвращающих при этом наружные утечки. Технология герметизации, которую можно назвать «лабиринтной», позволяет уменьшить избыточное («перегрузочное») давление, которое может оказать разрушительное воздействие на уплотнения, замедляя перемещение жидкости к уплотнениям, и увеличивает тем самым долговечность и срок службы гидросъемника. Кроме того, технология использования «последовательного уплотнения» (т.е. серии уплотнений) вместе с соответствующим расположением элементов обеспечивает «последовательное» снижение скорости жидкости и тем самым постепенно и очень эффективно задерживает жидкость внутри соединения. Еще раз подчеркнем, что гидросъемники физически и технически не могут быть абсолютно герметичными. Поэтому отвод утечек воды через уплотнения разработанного гидросъемника осуществляется через дренажное отверстие 25 (см. рис. 5.2).
Торцевые уплотнения 6 и 7 (см. рис. 2), являющиеся основными, изготовлены из специального сплава. Работа таких уплотнений в процессе эксплуатации улучшается - регламентированные утечки снижаются, так как взаимный износ опорных поверхностей уплотнений и сопрягаемых деталей гидросъемника делает их более гладкими, облегчая при этом их относительное перемещение.
Предварительное усилие прижатие торцевых уплотнений 6 и 7 к опорным поверхностям обеспечивается за счет пружины 10. При подаче давления воды в рабочем диапазоне ее значений рабочее усилие прижатия достигается за счет применения компенсирующих втулок 4 и никакой дополнительной настройки уплотнений в процессе работы гидросъемника не требуется.
Следует также понимать, что гидравлическая система (см. рис. 1) , в которую входит гидросъемник, является достаточно сложной. Поэтому трудно четко определить различные характеристики внутри гидросъемника, такие, как режим течения, распределение усилия и давление. Многие режимы работы системы высоконапорного орошения комбайна КП-21, а вообще говоря, любого комбайна, оснащенного такой системой, являются динамическими или полудинамическими [1, 5], что дополнительно усложняет проблему. Для гидравлических контуров системы орошения характерны резкие и существенные колебания давления жидкости [5], что, в свою очередь, оказывает комплексное воздействие на условия внутри гидросъемника. Перемещение жидкости и элементов гидросъемника, а также давление жидкости и другие внешние напряжения, действующие на линии, приводят к возникновению разницы коэффициентов трения, например, между элементами 3 и 7гидросъемника (см. рис. 2). Взаимодействие элементов соединения сильно зависит от множества сложных взаимосвязан-
ных факторов, поэтому выполнены стендовые испытания разработанного гидросъемника.
Испытания выполнены согласно разработанной программе и методике заводских испытаний [6], которая устанавливает объем, порядок, условия и методы проведения испытаний и требования к ним для гидросъемника высокого давления (см. рис. 2). Следует отметить, что основным методом экспериментальных исследований и ресурсных испытаний гидросъемника приняты стендовые ускоренные ресурсные испытания по плану [КЛг] [7]. При этом продолжительность испытаний определялась по формуле
*и = К • Тр , (1)
где ТР - 80%-й ресурс работы гидросъемника, заданный
в НД, ч; К = 1,61 - коэффициент продолжительности испытаний
с учетом соотношения 80%-ного и среднего ресурсов при принятом распределении ресурса по закону Вейбула и коэффициенте вариации 0,42.
При проведении испытаний определялись и контролировались следующие показатели и характеристики гидросъемника:
1. Показатели назначения: давление, частота вращения,;подача (расход).
2. Показатели эффективности и конструктивные: внешняя утечка, габаритные размеры, рабочая температура, вибрация.
3. Показатели надежности: средняя наработка до отказа и ресурс.
Испытания и исследование процесса работы гидросъемника высокого давления выполнены на специально разработанном испытательном стенде, показанном на рис. 3. Стенд состоит из источника воды высокого давления (рис. 3, а) и нагрузочного блока (рис. 3, б), имитирующего реальные условия работы гидросъемника на комбайне. В качестве источника воды высокого давления применялся плунжерный насос и дизельмаслостан-ция, обеспечивающие давление воды до 60 МПа и ее расход до 60 л/мин.
Стендовые испытания гидросъемника проводились в 2 этапа: 1-й этап - «обкаточный»; 2-й этап - ресурсные испытания.
Перед проведением стендовых испытаний гидросъемника выполнен его визуально-измерительный контроль с целью определения соответствия конструктивного исполнения и комплектности гидросъемника разработанной конструкторской документации. Результаты контроля показали, что механические повреждения и коррозионные поражения элементов гидросъемника и его металлоконструкций отсутствуют, его конструктивное исполнение и комплектность соответствуют конструкторской документации. На основании этого было принято решение о проведении испытаний гидросъемника.
б
в
Рис. 3. Стендовое оборудование для испытания гидросъемника: а - источник воды высокого давления; б - нагрузочный блок; в - фрагмент испытаний; 1 -гидромотор; 2 - плунжерный насос высокого давления; 3 - гибкий трубопровод подачи масла от дизельмаслостанции; 4 - манометр высокого давления;
5 - трубопровод воды высокого давления; 6 - кран регулировочный;
7 - установочная плита; 8 - вращатель; 9 - гидросъемник;
10 - преобразователь разности давлений; 11 - специальная оправка;
12 - нагрузочное устройство; 13 - ременная передача; 14 - струя воды высокого давления; 15 - место контроля частоты вращения и вибрации; 16 - мерная емкость
На первом «обкаточном» этапе общей продолжительностью 18 ч выполнены работы, связанные с испытаниями гидросъемника на прочность и герметичность с вращением и при подаче воды давлением 35 МПа. Гид-росъемникбез вращения был опрессован статическим давлением 52,5 МПа в течение 5 мин. После снятия нагрузки проведен внешний осмотр гидросъемника. Течей, разрывов, деформаций и других дефектов обнаружено не было. В дальнейшем испытания производились с вращением (проверка на герметичность) гидросъемника и подачи воды давлением 35 МПа. При этом производился контроль показателей назначения, эффективности и конструктивных параметров гидросъемника.
Испытания показали, что все узлы гидросъемника оказались работоспособны. Полученные результаты по контролируемым параметрам соответствуют его технической характеристике. Так, после 18 ч испытаний максимальная утечка через уплотнения (табл. 2), не превышала 2,5%, или 1,5 л/мин. Кроме того, установлено, что с увеличением времени работы гидро-съемникаутечка неуклонно снижается (табл. 2). Это объясняется тем, что взаимный износ опорных поверхностей уплотнений и сопрягаемых деталей гидросъемника делает их более гладкими, облегчая при этом их относительное перемещение.
Результаты измерения виброакустических параметров гидросъемника показали, что вибрация подшипникового узла на всем протяжении 1-го этапа испытаний не превышала допустимой величины 4,5 мм/с (см. табл. 1, поз.8) и варьировалось от 1,2 до 1,5 мм/спри проведении как вертикальных, так и горизонтальных измерений в каждой режимной точке.
Таблица 2
Результаты измерений внешней утечки гидросъемника_____________
Измеряемый параметр Режимные точки измерений
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Интервал измерений, ч 0,15 0,3 0,4 0,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5
Внешняя утечка, мл/мин 790 1000 1260 1280 1310 1340 1370 1400 1440 1510
Измеряемый параметр Режимные точки измерений
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Интервал измерений, ч 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5
Внешняя утечка, мл/мин 1510 1510 1510 1510 1510 1470 1430 1350 1330 1320
Измеряемый параметр Режимные точки измерений
21 22 13 14 15 16 17 18 19 20
Интервал измерений, ч 10 12 15 16 17 18
Внешняя утечка, мл/мин 1310 1250 1190 1100 980 975
При контроле частоты вращения вала гидросъемника в каждой режимной точке проводилось по 3 измерения. Условия испытаний можно считать стабильными, поскольку средние значения полученных данных (частота вращения составляла 55,8 об/мин) не зависят от времени. Погрешность изменения частоты вращения, наблюдаемой в каждой рабочей (режимной) точке испытаний, не превышает допустимой величины 1,0 % [8] и соответствует 2-му этапу испытаний.
Температура подшипникового узла на данном этапе испытаний измерялась каждые 30 мин. Характерные результаты испытаний приведены на рис. 4. Установлено, что при непрерывном вращении гидросъемника в течение 6 - 7 чмаксимальный нагрев подшипникового узла составлял не более 16°С и не превышал допустимой величины 65°С (см. табл. 1, поз. 8).
Кроме того, были выполнены испытания с замером нагрева подшипниковых узлов при вращении гидросъемника без подачи воды высокого давления («на сухую»). После 6 ч испытаний в таком режиме температура подшипникового узла составляла не более 19°С (рис. 5) и также не превышала допустимой величины. При этом величина вибрации подшипникового узла оказалась соизмеримой с вибрацией для условий подачи воды высокого давления. Отметим, что климатические условия при проведении 1-го этапа испытаний в лаборатории были следующие: температура воздуха +10...12 °С, влажность воздуха 54...60 % и атмосферное давление 748...760 мм рт. ст.
Отдельно следует указать, что в процессе проведения испытаний источник воды высокого давления работал устойчиво. Колебания давления не превышали 1,1 ... 1,6 МПа. Кроме того, узлы и агрегаты нагрузочного блока (см. рис. 3, б) в полной мере обеспечивали технические потребности данных испытаний.
За период проведения ресурсных испытаний (2-й этап испытаний) гидросъемника на стенде (см. рис. 5) сделано более 50 опытов при варьировании давления и расхода воды, исходя из технической возможности источника воды высокого давления. В результате испытаний установлено, что при нагружениигидросъемника в течение 125 ч износ трущихся поверхностей оказывается незначительным (по результатам контрольной разборки), контролируемые показатели и характеристики гидросъемника находятся в регламентированных пределах. Так, к моменту наработки 150 ч изменение выходных параметров гидросъемника не превышает 1,5 % по сравнению с результатами, полученными на «обкаточном» этапе испытаний.
9
2011-10-03 11:54:58е=0.96
в
Рис. 4. Фотографии, сделанные термокамерой при замере температуры подшипникового узла: а - перед испытаниями; б - после 120 мин испытаний; в - после 360 мин испытаний
а
б
Рис. 5. Фотографии, сделанные термокамерой при замере температуры подшипникового узла: а - перед испытаниями; б - после 420 мин испытаний
Результаты выполненных испытаний на 1 и 2 этапах подтвердили работоспособность гидросъемника, достаточно высокую надежность его основных конструктивных элементов и узлов. Кроме того, достигнута стабильная работа гидросъемника.
Список литературы
1. Мерзляков В.Г., Бафталовский В.Е. Физико-технические основы гидроструйных технологий в горном производстве. М.: ННЦГП-ИГД им. А.А. Скочинского, 2004. 645 с.
2. БреннерВ.А., ПушкаревА.Е., ЩеголевскийМ.М.Гидроструйные технологии в промышленности. Гидромеханическое разрушение горных пород. М.: Изд-во АГН, 2000. 343 с.
3. Тихомиров Р.А., Гхенко В.С. Гидрорезание неметаллических материалов. К.: Техника, 1984. С. 150.
4. Головин К.А. Обоснование параметров и создание оборудования для гидроструйной цементации неустойчивых пород в горном производст-ве:автореф. дис. ... д-ра.техн. наук. Тула, 2007. 38 с.
5. Расчет и проектирование гидромеханических исполнительных органов проходчб. еских комбайнов / Н.М. Качурин[и др.]. М.: Изд-во МГГУ. 2003. 293 с.
6. Гидросъемник с торцевым уплотнением Программа и методика заводских испытаний КП21.31.02.200 ПМ. Тула, 2011. 14 с.
7. ГОСТ Р 50703-2002 Комбайны проходческие со стреловидным исполнительным органом. Общие технические требования и методы испытаний. М.: Госстандарт России. 2002. 35 с.
8. РД 03-606-03. Инструкция по визуально измерительному контролю. М.: ГУП ''НТЦ по безопасности в промышленности Госгортехнадзора России'' 2003. 140 с.
Жабин Александр Борисович, д-ртехн. наук, проф., Zhabin.tula@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Поляков Андрей Вячеславович, канд. техн. наук, техн. директор, Polyakoff-anamail.ru, Россия, Тула, ООО «Экспертный центр технологической безопасности»
JUSTIFICATION OF THE DESIGN AND TEST OF THE HYDROSTRIPPER OF THE HIGH PRESSURE FOR THE HYDRA ULIC SYSTEM OF THE HIGH-PRESSURE IRRIGA TION
PROKHODCHESKY KP21 COMBINE
A.B. Zhabin, An. V. Polyakov
The hydrostripper and stand design for its test is given. Results of production tests of a hydrostripper are presented.
Key words: system of a high-pressure irrigation of the KP21 combine, gidro-stripper, test bench, results ofproduction tests of a hydrostripper.
192
ZhabinAleksandrBorisovich,doctor of technical sciences, professor, Zha-bin. tulaamail. ru, Russia, Tula, Tula state university,
PolyakovAndreyVyacheslavovich, candidate of technical sciences, technical director, Polyakoff-anamail. ru, Russia, Tula, JSC Expert Center of Technological Safety
УДК 622.236.732
ЭРОЗИЯ ПОВЕРХНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ОДИНОЧНОМ УДАРЕ АБРАЗИВНОЙ ЧАСТИЦЫ С УЧЕТОМ ОБРАЗОВАНИЯ
ЛУНКИ ВЫКОЛА
Е.А. Аверин
Предложен метод определения объема горных пород, уносимого с поверхности массива при ударе одиночной абразивной частицы. В основу метода положены расчетные схемы, полученные путем применения к проблеме разрушения высокоскоростными гидроабразивными струями горных пород и других хрупких материалов методов механики разрушения. В механике разрушения разрушение материалов рассматривается как процесс зарождения и развития трещин.
Ключевые слова: математическая модель, гидроабразив, эрозия.
Технология гидроабразивного разрушения заняла прочное положение в современной промышленности, постоянно развивается и совершенствуется, растет количество отраслей производства и стран, освоивших этот способ. Необходимо отметить, что процесс гидроабразивного разрушения носит эрозионный характер, т.е. в результате воздействия струи, несущей твердые частицы, происходит разрушение и удаление только поверхностного слоя материала определенного объема без нарушения его внутренней структуры. Т.е. причиной уноса материала при эрозии служит ударное разрушение.
Поскольку большинство горных пород являются хрупкими [5], то в монографиях [2, 3], на результатах которых основывается данная работа, проводились исследования именно хрупких материалов. Процесс эрозии хрупких материалов обусловлен образованием поперечных трещин при ударе частицы о поверхность.
В работе [2] была получена система уравнений относительно углов распространения трещины при ударе абсолютно твердой сферической частицы по упругому полупространству (символическое обозначение в идеализированной схеме удара частицы абразива по горному массиву):
