Исследование аэродинамических процессов в шахтной аэрометрической установке и повышение качества поверки анемометров

ГЕОМЕХАНИКА

УДК 622

ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

В ШАХТНОЙ АЭРОМЕТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ И ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОВЕРКИ АНЕМОМЕТРОВ

А.В. Воронцов

Обоснованы закономерности, описывающие поведение потока в аэрометрической установке и поверяемом анемометре для совершенствования процесса проектирования шахтных аэрометрических установок. Предложена методика поверки, повышающая качество управление распределением воздуха в шахтах.

Ключевые слова: анемометр, аэродинамический процесс, воздух, аэрометрическая установка, шахта, безопасность.

Контроль параметров шахтной атмосферы представляет собой весьма актуальную задачу, так как от своевременной регулировки параметров проветривания шахты может зависеть здоровье и даже жизнь горнорабочих [1 - 3]. Жесткие условия эксплуатации в угольных шахтах приводят к преждевременному возрастанию погрешности большинства типов анемометров, поэтому зачастую погрешность превышает допустимые значения даже при соблюдении интервалов поверки. Так, по данным центра метрологических услуг г. Прокопьевска ~90 % приборов не проходит периодическую поверку. Это означает, что фактически межповерочный интервал большинства приборов является завышенным, что усугубляется шахтными условиями эксплуатации. Особенно актуально это для стационарных приборов, входящих в состав систем мониторинга шахтной атмосферы. Такие комплексы предназначены для оперативного реагирования на нештатные ситуации, которое может стать неадекватным при возрастании погрешностей датчиков. Таким образом, от погрешности датчиков напрямую зависит безопасность условий труда в шахте [4 - 5]. Если учесть удаленность большинства шахт от поверочных организаций, которая приводит к несоблюдению межповерочных интервалов, то ситуация представ-

ляется еще более плачевной. Указанную проблему можно решить, разработав и внедрив средство поверки, которое бы могла приобрести каждая шахта или объединение.

Целью исследований являлось получение закономерностей, описывающих поведение потока в аэрометрической установке и поверяемом анемометре для совершенствования процесса проектирования аэрометрических установок и методик поверки анемометров, обеспечивающих достоверную оценку воздухораспределения в горных выработках [6 - 8].

Для поверки приборов существует ряд установок, которые имеют свои недостатки и не одну из них нельзя назвать идеальным средством для поверки шахтных анемометров. Наиболее типичными недостатками являются недостаточная равномерность потока воздуха в рабочей зоне установке и отсутствие или недостаточная степень автоматизации поверочных операций. Сформулированы следующие требования к аэрометрической установки для поверки шахтных анемометров:

- наличие открытой рабочей зоны большой протяженности с высокой равномерностью потока в ней;

- высокая точность задания скорости потока и стабильность ее поддержания;

- наличие встроенного образцового анемометра;

- желательно обеспечение регулирования скорости в диапазоне 0,1 ... 30 м/с только за счет изменения оборотов двигателя, чтобы обеспечить неразрывность тарировочной характеристики установки;

- высокая степень автоматизации.

Самой важной частью аэрометрической установки, безусловно, является рабочая зона. Прямоточные компоновки подвержены влиянию аэродинамических помех и имеют низкую энергоэффективность, а закрытая рабочая зона крайне неудобна для поверки анемометров различных типов, так как для этого необходимо применять различные адаптеры. Таким образом, наиболее удобной компоновкой установки является замкнутая компоновка с открытой рабочей зоной [6, 9 - 10]. Окончательный вариант конструкции аэрометрической установки, выбранный с учетом изложенных соображений, показан на рис. . 1. Для создания единого средства поверки различных типов анемометров, необходимо добиться максимальной равномерности потока в рабочей зоне установки, чтобы приблизить условия поверки к условиям эксплуатации, а также для снижения погрешности от позиционирования анемометра в рабочей зоне и изменения поправочного коэффициента от прибора к прибору. Чтобы получить рабочую зону с максимально возможной равномерностью потока, необходимо уточнить ее геометрии в соответствии с этим параметром.

Рис. 1. Реконструкция шахтной аэрометрической установки

Для получения зависимости параметра равномерности потока от длины и угла раскрытия рабочей зоны использовалась модель рабочей зоны, созданная в программном пакете Solid Works. Модель представляет собой два соосных диска, расположенных на определенном расстоянии один от другого. Один из них является источником потока (конфузором), а другой - приемником (диффузором). Для моделирования применялся пакет Flow Simulation, использующий метод конечных элементов. Для получения из модели максимума информации за минимум итераций был привлечен математический аппарат теории планирования эксперимента. График зависимости равномерности потока в рабочей зоне от ее длины и угла раскрытия показан на рис. 2

Рис. 2. График зависимости равномерности потока в рабочей зоне от длины и угла раскрытия рабочей зоны

Из рис. 2 видно, что оптимальное значение как таковое отсутствует и равномерность потока повышается при уменьшении расстояния между конфузором и диффузором. Таким образом, оптимальное значение выбирается исходя из допустимого ухудшения длины рабочей зоны при определенном значении длины и угла расхождения.

Для проверки корректности выбора параметров рабочей зоны было проведено моделирование всей установки методом конечных элементов. Используя линии, расположенные в зоне размещения поверяемого анемометра, можно получить эпюры скоростей в виде данных Excel, графики эпюр в зависимости от продольной координаты показаны на рис. 3Рис. 3.

Следующий шаг - моделирование поверяемого анемометра в условно-бесконечном пространстве, которое позволяет исключить погрешность из-за ограниченности размеров рабочей зоны. Сравнивая эти данные с данными, полученными при моделировании в составе аэрометрической установки, можно будет оценить погрешность, вносимую ограниченностью размеров рабочей зоны.

Продольная координата, м

Рис. 3. Эпюры скоростей на входе и выходе поверяемого анемометра в рабочей зоне

После обсчета полученных данных и пересчета их в показания прибора было вычислено значение погрешности, возникающей из-за ограниченных размеров рабочей зоны, которое составляет 0,17 %, что на порядок ниже паспортной погрешности установки [11 - 12]. Таким образом, подтверждается верность выбора геометрических параметров рабочей зоны. Данные, полученные в результате моделирования анемометра в условно-бесконечном пространстве также позволяют построить градуировочные кривые акустического анемометра. Получение данной зависимости стало возможным благодаря тому, что теоретическая кривая имеет более гладкую форму, чем экспериментальные, и позволяет четко выявить тенден-

цию, особенно на малых скоростях. Данная зависимость используется для поверки и калибровки акустических анемометров:

показываемая эталоном; А, В и С - константы, определяемые в процессе калибровки.

Для создания макета аэрометрической установки необходимо рассчитать ее энергетические характеристики исходя из геометрических параметров рабочей зоны и максимальной скорости. Максимальную скорость принимаем равной 30 м/с, так как максимальная скорость, измеряемая большинством анемометров, составляет 20 м/с, при этом необходимый запас на проведение каких-либо исследований составляет 10 м/с. Имея все исходные данные, можем вычислить требуемую компрессию вентилятора, которая составляет 465 Па, а требуемая мощность электродвигателя равна 1,366 кВт.

Сравнительный анализ двух вариантов электропривода коллекторного и асинхронного дает представление о преимуществах и недостатках различных типов управляемого электропривода применительно к использованию его в составе аэрометрической установки. Такие преимущества асинхронного двигателя в паре с частотным преобразователем, как низкий порог трогания и высокая точность установки и поддержания оборотов позволяют однозначно рекомендовать его для применения в вентиляторах аэрометрических установок, так как дают возможность повысить точность установки оборотов, и позволяют обойтись без дополнительных конструкций типа заслонок. Постройка макета установки дала возможность провести экспериментальные исследования потока в рабочей зоне. Для исследования был применен метод обхода сечения, при этом пространство разбивалось на горизонтальную сетку и радиальную сетку, после чего производились измерения в каждой точке сетки при помощи термоанемометра, а полученные данные обрабатывались в системе МЛТЬЛБ. Трехмерная интерполяция позволила получить гладкие поверхности, показанные на рис. 4

Экспериментальное исследование характеристик образцового анемометра необходимо для анализа случайной составляющей погрешности прибора. Возможность автоматической записи показаний образцового анемометра позволила собрать большое количество экспериментальных данных, анализ которых проводился в системе МЛТЬЛБ. Обработка данных позволила вычислить такие показатели, как дисперсию и среднеквад-ратическое отклонение на разных скоростях, и построить гистограмму распределения экспериментальных данных. Эти значения позволяют обос-

скорость,

новать минимальное количество измерений, после получения и осреднения которых можно начинать запись данных с образцового и поверяемого анемометров.

6 5 4 3 2 1 КБ?

Рис. 4. Трехмерная визуализация эпюр в различных сечениях потока с учетом их реального расположения в пространстве

Для автоматизации измерений необходимо научиться автоматически определять момент установления скорости в аэрометрической установке. На величину времени влияют два фактора: время завершения аэродинамических переходных процессов и уже рассмотренное время осреднения образцового анемометра. А для получения надежной информации недостаточно проведения эксперимента, так как аддитивные составляющие экспериментальных зависимостей могут служить препятствием к выявлению четких тенденций на малых скоростях потока. Наиболее полную картину происходящего можно получить на основе теоретических моделей переходных процессов, подтвержденных экспериментально. Динамические переходные процессы можно смоделировать, используя Второй закон Ньютона, рассматривая воздух внутри аэрометрической установки как единое тело, имеющее соответствующую массу:

т^^Г = Р - ^М + к2],

где т, ¥(/) - масса и скорость воздуха внутри установки; ^ - сила давления; £ - площадь обечайки вентилятора; к1 и к2 - коэффициенты аэродинамического сопротивления.

Для того чтобы найти массу воздуха, вычисляем внутренний объем аэрометрической установки и умножаем его на плотность воздуха. Так как аэрометрическая установка состоит из простых геометрических фигур, то

вычисление объема не составляет труда. Искомый объем равен 0,553 м3, а соответствующая масса равна 0,714 кг. Решая данное дифференциальное уравнение, получаем зависимость скорости от времени при подаче единичного скачка давления в сечении вентилятора:

) = [И0'5 -Ь-

где П = к%Б/т + 4к18Р/т2.

Графики данной зависимости показаны на рис. 5, где видно, что в силу нелинейности процесса на больших скоростях переходные процессы завершаются быстрее, чем на малых.

45

и 40.5

Г

36

-О

е и 31.5

О

о. о 27

^

и 22. Ь

ск

а 18

3 13.5

га

а

Е • 1 У

о 4.5

<е е Дс ютдехее юя скорость ¿3 м/с

» ч

ч -ОД

у г 1 / «/с

1 .

/5 / У / п / кд скор всяк» Г?

V--

1 / г / ------ Досг пигаеко я скарас ль 11,Ь4 м/с

11 / п У •>

/ / г/

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Время, с

Рис. 5. Теоретические графики переходных процессов при различных максимальных скоростях потока

В качестве порогового значения скорости потока, при котором считаем переходной процесс завершившимся берем значение

+ (2) где V - значение уставки; Упор - нижняя граница полосы погрешности образцового анемометра при данной уставке; а - аддитивная погрешность образцового анемометра аэрометрической установки; р - коэффициент мультипликативной погрешности образцового анемометра аэрометрической установки.

Пороговое значение позволяет получить зависимость длительности переходного процесса от скорости. График данной зависимости показан на рис. 6

Для автоматизации установки необходимо разработать программное обеспечение, которое способно автоматически устанавливать определенную скорость в аэрометрической установке, начинать запись показаний эталонного (возможно и поверяемого) анемометра в нужный момент времени, а также производить операции калибровки на основе полученных данных и повторную поверку откалиброванных приборов. Разрабатываемое программное обеспечение состоит, таким образом, из шести модулей: модуля соединения с аэрометрической установкой, формирующего протокол взаимодействия с частотным преобразователем установки, а также эталонными и поверяемым анемометрами, модуля задания скорости потока, модуля снятия показаний приборов, модуля записи показаний анемометров, модуля поверки и модуля калибровки.

Для проверки достоверности полученной модели было проведено сравнение с экспериментальными данными. Графики экспериментальных и теоретических зависимостей для разных значений скорости показаны на рис. 7. Для получения экспериментальных графиков использовался образцовый акустический анемометр аэрометрической установки.

Рис. 6. Зависимость времени завершения переходного процесса

от скорости потока

Для автоматизации установки необходимо разработать программное обеспечение, которое способно автоматически устанавливать определенную скорость в аэрометрической установке, начинать запись показаний эталонного (возможно и поверяемого) анемометра в нужный момент вре-

мени, а также производить операции калибровки на основе полученных данных и повторную поверку откалиброванных приборов. Разрабатываемое программное обеспечение состоит, таким образом, из шести модулей: модуля соединения с аэрометрической установкой, формирующего протокол взаимодействия с частотным преобразователем установки, а также эталонными и поверяемым анемометрами, модуля задания скорости потока, модуля снятия показаний приборов, модуля записи показаний анемометров, модуля поверки и модуля калибровки.

Перенос единицы измерения осуществлялся через промежуточное звено в виде термоанемометра ТТМ-2, поверенного на государственном эталоне скорости воздушного потока. Такой подход позволяет калибровать образцовый анемометр непосредственно в составе аэрометрической установки, учитывая, таким образом, отличие скоростей в рабочей зоне и возвратной ветви установки. Разработка данной аэрометрической установки была осуществлена по заказу Министерства топлива и энергетики Российской Федерации в Лаборатории средств аэрологического контроля МГИ НИТУ «МИСиС».

16

-р 14

в•

О

О-ю О

X 0

к

Щ 4

а

Эксперимент

О

с!

Достигаемая скорость 17,5 м/с Дрсшяздемря скорость 13 м/с

Достигаемая скорость 14.5 м/с

Достигаемая скорость 9,5 м/ с

Достигаемся скорость 6.2 м/с

Дастигаамая скорость 3,2 м/с Дошибаемая скорость 1.7 м/с Достигаемая скорость 1 м/с

1 Г.

3.5

Время, с

Рис. 7. Сравнение теоретических и экспериментальных кривых, описывающих переходные процессы в аэрометрической установке

Таким образом, на основе результатов экспериментальных и теоретических исследований получены закономерности, описывающие поведение потока в аэрометрической установке и поверяемом анемометре для совершенствования процесса проектирования шахтных аэрометрических установок и методик поверки, повышающих качество управление воздухо-

распределением в шахтах, что имеет важное значение для безопасности подземных горных работ.

Список литературы

1. Качурин Н. М., Воробьев С. А., Качурин А. Н. Прогноз метано-выделения с поверхности обнажения угольного пласта в подготовительную выработку при высокой скорости проходки // Горный журнал. 2014. №4. С. 70 - 73.

2. Прогноз метановыделения в подготовительные и очистные забои угольных шахт / Н. М. Качурин, С. А. Воробьев, А. Н. Качурин, И. В. Са-рычева // Обогащение руд. 2014. №6. С.16 - 19.

3. Аппроксимация аэродинамических вентиляторов местного проветривания при многоцелевом моделировании их работы / Н. М. Качурин, В С. А. Воробьев, А.Д. Левин, П.В. Васильев // Горный журнал. 2015. №12. С. 76 - 79.

4. Качурин Н.М., Борщевич А.М., Качурина О.Н. Системный подход к снижению риска и локализации последствий взрывов метана в угольных шахтах // Известия вузов. Горный журнал. 2010. № 4. С. 19 - 24.

5. Качурин Н.М., Каледина Н.О., Качурин А.Н. Выделения метана с поверхности обнажения угольного пласта в подготовительную выработку / Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2011. Вып. 1. С. 80 - 84.

6. Качурин Н.М., Каледина Н.О., Качурин А.Н. Выделение метана с поверхности обнажения угольного пласта при высокой скорости подвига-ния подготовительного забоя // Безопасность жизнедеятельности. 2012. №12. С. 8 - 11.

7. Шкундин С.З., Воронцов А.В. Автоматизированная аэрометрическая установка - метрологическое обеспечение горнорудной анемометрии // Горная промышленность. 2004. №2. С. 48.

8. Воронцов А.В. Исследование эпюры рабочей области аэрометрической установки // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2011. Отдельный выпуск. № 6. Информатизация и управление. С. 381.

9. Воронцов А.В. Моделирование распределения скоростей и давлений воздуха в аэрометрической установке методом конечных элементов // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. № 10. С.326 - 330.

10. Воронцов А.В., Румянцева В.А. Моделирование калибровочной характеристики акустического анемометра // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2013. № 10. С. 331 - 336.

11. Воронцов А.В. Оптимизация геометрии открытой рабочей зоны аэрометрических установок замкнутого типа // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2014. № 7. С. 196 - 202.

12. Моделирование аэродинамических переходных процессов в аэрометрической установке / С.З. Шкундин, С.И. Буянов, А.В. Воронцов, В.А. Румянцева // Измерительная техника. 2014. №12. С. 25 - 29.

Воронцов Аркадий Викторович, научный сотрудник, ecology tsu.tula.ru, Россия, Москва, Московский горный институт, НИТУ «МИСиС»

RESEARCHING AERODYNAMICAL PROCESSES IN MINING AERODYNAMIC SET AND IMPROVING QUALITY OF ANEMOMETER VERIFICATION

A.V. Voroncov

Regularities describe airflow in mining aerodynamic set and verification anemometer for developing process of designing mining aerodynamic sets were substantiated. The method of verification, which improving quality of management by distribution air in mines was proposed.

Key words: anemometer, aerodynamical process, air, aerodynamic set, mine, safety.

Reference

1. Kachurin N. M., Vorob'ev S. A., Kachurin A. N. Prognoz meta-novydelenija s po-verhnosti obnazhenija ugol'nogo plasta v podgotovi-tel'nuju vyrabotku pri vysokoj skorosti prohodki // Gornyj zhurnal. 2014. №4. S. 70 - 73.

2. Prognoz metanovydelenija v podgotovitel'nye i ochistnye za-boi ugol'nyh shaht / N. M. Kachurin, S. A. Vorob'ev, A. N. Kachurin, I. V. Sarycheva // Obogashhenie rud. 2014. №6. S.16 - 19.

3. Approksimacija ajerodinamicheskih ventiljatorov mestnogo provetrivanija pri mnogocelevom modelirovanii ih raboty / N. M. Ka-churin, V S. A. Vorob'ev, A.D. Levin, P.V. Vasil'ev // Gornyj zhurnal. 2015. №12. S. 76 - 79.

4. Kachurin N.M., Borshhevich A.M., Kachurina O.N. Sistemnyj podhod k snizheniju riska i lokalizacii posledstvij vzryvov metana v ugol'nyh shahtah // Izvestija vuzov. Gornyj zhurnal. Izvestija vuzov. Gornyj zhurnal. 2010. № 4. S. 19-24.

5. Kachurin N.M., Kaledina N.O., Kachurin A.N. Vydelenija meta-na s poverhnosti obnazhenija ugol'nogo plasta v podgotovitel'nuju vy-rabotku // Izvestija Tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Nauki o Zemle. Vyp. 1. 2011. S. 80-84.

6. Kachurin N.M., Kaledina N.O., Kachurin A.N. Vydelenie meta-na s poverhnosti obnazhenija ugol'nogo plasta pri vysokoj skorosti podviganija podgotovitel'nogo zaboja // Bezopasnost' zhiznedejatel'nosti. 2012. №12. S. 8 - 11.

7. Shkundin S.Z., Voroncov A.V. Avtomatizirovannaja ajeromet-richeskaja ustanovka - metrologicheskoe obespechenie gornorudnoj anemo-metrii // Gornaja promyshlennost'. 2004. №2. S. 48.

8. Voroncov A.V. Issledovanie jepjury rabochej oblasti ajero-metricheskoj ustanovki // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulle-ten'. 2011. Otdel'nyj vypusk. № 6. Informatiza-cija i upravlenie. S. 381.

9. Voroncov A.V. Modelirovanie raspredelenija skorostej i davlenij vozduha v aje-rometricheskoj ustanovke metodom konechnyh jele-mentov // Gornyj informacionno-analiticheskij bjulleten'. 2013. № 10. S. 326-330.

10. Voroncov A.V., Rumjanceva V.A. Modelirovanie kalibrovoch-noj harakteristiki akusticheskogo anemometra // Gornyj informacion-no-analiticheskij bjulleten'. 2013. № 10. S. 331-336.

11. Voroncov A.V. Optimizacija geometrii otkrytoj rabochej zony ajerometricheskih ustanovok zamknutogo tipa // Gornyj informa-cionno-analiticheskij bjulleten'. 2014. № 7. S. 196-202.

12. Modelirovanie ajerodinamicheskih perehodnyh processov v ajerometricheskoj ustanovke / S.Z. Shkundin, S.I. Bujanov, A.V. Voron-cov, V.A. Rumjanceva // Izmeritel'naja tehnika. 2014. №12. S. 25-29.

Voroncov Arkadiy Viktorovich, scientific associate, ecology @tsu.tula.ru, Moscow, Moscow Mining Institute, National Research Technological University of "MISIS"

УДК 624.131.524

АНАЛИЗ ОШИБОК, ВЛИЯЮЩИХ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ СИСТЕМЫ «ОСНОВАНИЕ - ФУНДАМЕНТ»

П.Н. Должиков, В.В. Збицкая

Приведен анализ результатов обследования зданий, находящихся в предаварийном и аварийном техническом состоянии, а также анализ ошибок, вызвавших снижение несущей способности и надежности системы «Основание - фундамент». Выполнен анализ аварийных ситуаций по Луганскому региону.

Ключевые слова: здание, аварийное состояние, анализ, несущая способность, основание, фундамент.

Строительная отрасль, как и любая другая отрасль промышленности, характеризуется наличием аварийных ситуаций. К настоящему моменту проведенными ЛФ НИИСК и ДонГТУ исследованиями установлено, что наружные стены, их стыки и соединительные элементы, кровли, балконы и входные козырьки, окна, конструкции подвалов и другие элементы зданий имеют значительные повреждения. Статистика показывает, что 80 % случаев строительных аварий с обрушением несущих конструкций объекта происходит в результате человеческих ошибок, а одной из основных причин аварий является потеря несущей способности основания фундаментов

[1 - 4].

Вопрос несущей способности системы «Основание - фундамент» особенно актуален для шахтерских регионов (например, Луганского), так как здесь на ее снижение существенное влияние оказывают подработки и ликвидации шахт [5, 6].

Целью работы является анализ ошибок, влияющих на несущую способность системы «Основание-фундамент».