Расчет параметров исполнительного органа агрегата для добычи конкреций морского дна Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

------------------------------------ © Д.А. Юнгмейстер, А.В. Большунов,

Д. В. Смирнов, 2006

УДК 622.271.5

Д.А. Юнгмейстер, А.В. Большунов, Д.В. Смирнов

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА АГРЕГАТА ДЛЯ ДОБЫЧИ КОНКРЕЦИЙ МОРСКОГО ДНА

Семинар № 20

ТГ осле распада СССР основная

И. часть месторождений марганцевых руд оказались за пределами Российской Федерации, что привело к возникновению проблемы обеспечения промышленности собственным марганцевым сырьем, основными потребителями которого являются металлургические и машиностроительные предприятия. Кроме того, в последние годы наметилась устойчивая тенденция роста потребления марганцевой руды предприятиями РФ [1].

Альтернативным источником марганцевой руды могут стать шельфовые месторождения железомарганцевых конкреций (ЖМК) Балтийского, Баренцева, Карского и Белого морей. Преимущества месторождений ЖМК Балтийского моря заключается в малой удаленности от берега, небольшой глубине (до 100 м) и высокой плотности (до 30 кг/м2) залегания, горизонтальным протиранием (углы падения до 2,5-3,0 град.) и отсутствием покрывающих пород. Дополнительным преимуществом месторождений ЖМК Балтийского моря является малая удаленность от Санкт-Петербурга, крупного металлургического и машиностроительного центра Северо-Западного региона РФ, в результате чего снижаются расходы на транспортировку добытого сырья до места его переработки.

В настоящее время известно значительное число патентов, предложений, планов, проектов, экспериментальных и опытно-промышленных конструкций установок для добычи конкреций со дна

океана, которые можно разделить на два основных класса: механические и гидравлические.

Недостатками механических устройств являются:

• при использовании канатно-

ковшовых устройств тралового типа - маленькая производительность, связанная с цикличностью работ и извлечением большого объема пустой породы, а также возможность проведения работ только на плоском дне без препятствий (расщелины, валуны и т.д.) с рыхлыми донными поверхностями [1].

• при использовании канатно-

ковшовых устройств с "бесконечным" канатом - на малых и средних глубинах плохое заполнение ковшей из-за их свободного протаскивания по дну, и, как следствие, низкое качество отработки месторождения; на больших глубинах уменьшение петли канатно-ковшовой системы в размерах, приводящее к резкому снижению производительности; сильное экологическое загрязнение акватории [2].

Недостатками гидравлических устройств являются сложности при работе на плотных грунтах без механических рыхлителей, износ насосов и трубопроводов твердыми частицами, невысокий КПД, высокая энергоемкость процесса, большая замутненность в зоне проведения работ [2].

На кафедре конструирования горных машин и технологий машиностроения предложены несколько вариантов конструкций агрегатов, один из которых (рис. 1)

отличается от рассмотренных выше тем, что с целью увеличения производительности и глубины работы добычной установки ее тягово-несущий орган выполнен в виде конвейерной ленты 2, снабженной ковшами-поплавками, расположенными с интервалом, определяемым заданной производительностью установки. Лента приводится в движение гидростатическими промежуточными приводами, рассредоточенными вдоль става установки, выполненного в виде колонны труб, снабженными силовым оборудованием и поплавковыми системами.

Основываясь на конструкции и расчетах промежуточного привода, предложено несколько вариантов исполнительных органов агрегата для добычи конкреций морского дна.

Принцип действия первого варианта (рис. 2) исполнительного органа.

Лента с ковшами 4 приводится в движение исполнительным органом, выполненном в виде гидростатического привода (рис. 2). Тяговая лента 3 гидростатическо-

3 Рис. 1. Общий вид агрегата:

1 - судно обеспечения; 2 - транспортирующая лента с ковшами; 3 -водная среда; 4 - бункер; 5 - исполнительный орган; 6 - ферма придонного агрегата; 7 - механизм передвижения; 8 - залежи железомарганцевых конкреций

го привода имеет фрикционный контакт с транспортирующей лентой 4 установки, посредством прижатия обеих лент друг к другу гидростатическим давлением. Оно создается откачкой насосом 8 через систему клапанов 7 воды из объемов, образуемых в результате прижатия пазов, расположенных в рабочей обкладке тяговой ленты приводов, к нерабочей стороне транспортирующей ленты установки.

Гидростатический привод исполни-тельного органа работает следующим образом: от электродвигателя 2 пи-тается насос 8, который посредством системы патрубков и клапанов 7 откачивает воду из замкнутых объемов, образуемых в результате прижатия пазов, расположенных в рабочей обкладке тяговой ленты к нерабочей стороне несущей ленты системы. Благодаря наличию этих полостей происходит прижатие транспортирующей ленты с ковшами к тяговой ленте привода. Ведущая шестерня 6 входит в зацепление со штырями 12 тяговой ленты и, благодаря высокому фрикционному контакту между лентами, происходит перемещение транспортирующей ленты с кошами.

Исполнительный орган имеет тяговое усилие, которое в общем виде может быть рассчитано по формуле:

1П

РТ = I пФ | к П (IП №п , (1)

0

¿Л/_1 ¿.иТ)—^ г

^

/ V

7/

А- А

10 11

где КП(1П) - функция изменения коэффициента натекания в вакуум-систему, Ф -суммарная площадь, на которой создается разряжение. Задаваясь конкретными значениями величин, формула (1) имеет вид: Рт = 1 • IП X

д •£ д, • со8в + Ар0 [Ф + кн (А - Ф)]

где / - коэффициент трения между лентами; Ф - суммарная площадь пазов на тяговой ленте, м2; 1П - длина исполнительного органа, м; А - зона распространения разряжения, м2; кН - коэффициент неравномерности; угол установки элеватора; Ар0 - величина разряжения;

Я, = д1 + д2 + д3; д1 - погонный вес ленты, д2 - погонный вес ковшей, д1 + д2 = 0, т.к. лента с ковшами имеет нулевую плавучесть; д3 - погонный вес груза, кг/м; А = (В10 - Ф), где В - ширина привода, м; 10

Рис. 2. Гидростатический привод исполнительного органа: 1 - опорная труба; 2 - электродвигатель; 3 -тяговая лента; 4 - транспортирующая лента; 5 - ковш; 6 - ведущая шестерня; 7 - система для создания разряжения между лентами; 8 - насос; 9 - натяжной барабан; 10 - отверстие тяговой ленты; 11 - штырь

- длина участка на котором создается разряжение, м.

Задаваясь значениями глубины разработки, длины промежуточного привода и материалом транспортирующей ленты можно составить таблицу зависимостей.

Вторым рассматриваемым вариантом является сдвоенное роторное колесо с равномерно распределенными по ее ободу призмообразными захватами. (в данный момент такое устройство патентуется). Внутри каждой

призмы имеется полость, из которой откачивается жидкость, при этом в основании каждой призмы имеются отверстия и нижняя плоскость покрыта губчатой резиной. По мере передвижения роторного колеса по дну, одна из расположенных по периметру колеса призм вступает в контакт с придонной поверхностью своим основанием и, благодаря откачиванию жидкости из ее внутренней полости, происходит присасывание грунта и конкреций к нижней плоскости призмы. При дальнейшем повороте роторного колеса и достижении призмой разгрузочного лотка, откачивание воды прекращается и происходит разгрузка. Далее, по достижению этой призмы морского дна, процесс повторяется.

Разряжение в призмах, необходимое для нормальной работы устройства, нахо-

П м 1 4 6 8 10

F, Н 16915 269332 605670 1076456 1681690

где 1П - длина исполнительного органа; F - тяговое усилие исполнительного органа

дится из системы уравнений:

Рнар - Ркам = Р0 + Р9В0 + РЯВ202 *0 = ^Рр (ар - Ркам )

где Рнар - наружное давление воды, Па; Ркам - давление в камере, Па; В1 и В2 - характеристики насоса; р - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м3; g - ускорение свободного падения, м/с2; Q - подача, м3с; в - коэффициент расхода; £ - пло-2

щадь щели утечки, м .

Если принять объем полости захвата V = 0,15 м3 и площадь основания призмы 8 = 0,85 м2, то при укрупненном расчете производительность данного исполнительно-

Рис. 3. График зависимости реализуемого тягового усилия привода от его длины

го органа будет составлять р = 108 т/ч конкреций.

Главной особенностью использования гидростатического привода является существенное повышение тягового усилия. В связи с этим, реализация представленного агрегата для добычи конкреций морского дна позволит вести разработку залежей ЖМК на больших глубинах (теоретически 1000 - 1500 м), что безусловно является большим достоинством, т.к. в настоящее время практически отсутствуют технические средства способные вести работы на подобных глубинах. Использование в качестве исполнительного органа роторного колеса с гидростатическими захватами снижает уровень загрязнения водного пространства в зоне ведения работ по добычи конкреций морского дна, что является существенным фактором по обеспечению экологической безопасности водного пространства. Это наиболее актуально при ведении добычи конкреций с небольших глубин, например при разработки поля ЖМК Балтийского моря.

--------------------------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Добрецов В.Б., Рогалев В.А. Основные во- 2. Лобанов В.А. Справочник по технике ос-

просы освоения минеральных ресурсов мирового воения шельфа / Л.: Судостроение, 1983. 288 с.

океана / Санкт-Петербург, 2003. 524 с.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------------

Юнгмейстер Д.А. - доктор технических наук,

Большунов А.В. - кандидат технических наук,

Смирнов Д.В. - аспирант,

Санкт-Петербургский государственный горный институт.

© Н.А. Попов, А. С. Белоусова,

231