Оптимизация режима регулирования высоты конических грохотов и срока службы рабочих колес грунтонасосов при гидромеханизированной разработке обводненных месторождений нерудных строительных материалов

Л.А. Немчикова

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫСОТЫ КОНИЧЕСКИХ ГРОХОТОВ И СРОКА СЛУЖБЫ РАБОЧИХ КОЛЕС ГРУНТОНАСОСОВ ПРИ ГИДРОМЕХАНИЗИРОВАННОЙ РАЗРАБОТКЕ ОБВОДНЕННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НЕРУДНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Проведены исследования по установке конического грохота при гидромеханизированной укладке в штабель песка и песчано-гравийной смеси. Полученные результаты подтверждают эффективность ступенчатого регулирования КГ с целью увеличения выработки земснарядов. Изучено влияние абразивного износа рабочего колеса грунтонасосов на работу земснаряда при гидромеханизированной укладке в штабель песка и песчано-гравийной смеси. В результате реализации разработанной автором модели динамики координат рабочей точки рассчитаны оптимальные сроки службы рабочих колес грунтонасосов по нескольким инвестиционным проектам. Полученные результаты подтверждают эффективность установки рабочих колес из износостойкой стали с увеличенными сроками службы рабочих колес.

Ключевые слова: Гидромеханизация земляных работ, конический грохот, режим регулирования высоты конического грохота, оптимизация режима регулирования высоты конического грохота, грунтонасос, абразивный износ рабочего колеса, оптимизация срока службы рабочего колеса.

а нализ положения дел в отечественной гидромеханизации /і [1-3] показывает, что недопонимание механизмов, определяющих выработку земснарядов, нередко приводит к большим финансовым потерям. При общепринятой установке конических грохотов сразу на полную высоту намываемого штабеля значительная часть напора грунтонасосов земснарядов расходуется на излишний подъем гидросмеси в конический грохот. По опыту работы треста «Уралгидромеханизация»[1] при установке КГ сразу на полную высоту среднемесячная выработка земснарядов по грунту снижается на 12-15%. Проведены исследования по переменной установке КГ по мере намыва штабеля. Рассмотрена данная задача для условий гидромеханизированной добычи песка и песчано-гравийной смеси на Марусинском месторождении в Новосибирской области.

В соответствии со схемой (рис. 1) намывается штабель. Грунтонасос (ГН) работает в штатной ситуации на нормативной или отличной от нормативной плотности гидросмеси.

Рис. 1. Схема гидромеханизированного комплекса при добыче и укладке в штабель песка и песчано-гравийной смеси: 1 - грунтонасос земснаряда; 2, 3 и 4 - положения КГ (при трехступенчатой регулировке высоты его установки; 5 - склад гравия; 6 - намываемый штабель

Варианты расчетов:

вариант 1: установка КГ сразу на полную высоту; превышение выпуска КГ над уровнем воды в забое постоянно;

вариант 2: две ступени установки КГ;

вариант 3: три ступени установки КГ.

Разработанный алгоритм реализации математической модели процесса намыва штабеля при регулируемой высоте КГ предусматривает в каждом из трех вариантов установки КГ:

1) расчет расхода грунтового насоса с подсоединенной трубопроводной сетью и пересчет этого расхода на грунтопроизводи-тельность земснаряда при полной реализации кавитационного запаса ГН (если он имеется);

2) расчет величины подачи грунта в штабель с учетом потерь фракций, как в коническом грохоте, так и с отработанной водой;

3) расчет количества часов чистой работы земснаряда при заполнении емкости штабеля в каждом варианте;

4) суммирование времени работы земснаряда при полном заполнении емкости штабеля;

5) сравнение результатов расчетов с базовым вариантом (установка КГ сразу на полную высоту).

Все расчеты выполнены с помощью программного продукта «ЗЕМСНАРЯД» [4]. Результаты экспериментальных исследова-

ний при рассматриваемых исходных данных, подтвердили выполненные расчеты: использование регулируемого по высоте КГ в две ступени дает эффект увеличения часовой выработки земснарядов (в среднем за время намыва всего штабеля) на 8%, а в три ступени - на 11% [5]. Регулируемый режим установки конического грохота позволяет уменьшить общие и удельные энергозатраты на намыв штабеля, что, в свою очередь, приводит к снижению себестоимости продукта.

Результаты могут быть существенно улучшены с увеличением размеров основания штабеля в плане и его высоты. При этом повышается эффективность гидромеханизированного способа добычи и укладки в штабель нерудных строительных материалов за счет увеличения сезонной выработки земснарядов при сохранении высокого качества получаемой продукции.

Как известно, основным механизмом земснарядов является грунтонасос. При этом режим работы ГН определяется с помощью масштабных графиков основных рабочих характеристик его гидравлической системы:

напорная характеристика ГН; кавитационная характеристика ГН; вакуумметрическая характеристика; гидравлическая характеристика; характеристика КПДГН.

Напорная характеристика и характеристика КПД существенно зависят от степени абразивного износа рабочего колеса (РК) грун-тонасосов. При этом, в соответствии с [6-7] по мере износа РК имеет место конгруэнтное снижение напорной характеристики, что, в свою очередь, обуславливает выраженную динамику координат рабочей точки гидравлической системы ГН по схеме рис. 2.

С учетом указанных обстоятельств задачами в современных условиях являются:

1) обоснование оптимального срока эксплуатации РК грунто-насосов, после превышения которого возросшие текущие затраты превышают получаемую прибыль;

2) при общепринятой продолжительности срока службы рабочих колес грунтонасосов из обычной стали (300 часов чистой работы земснарядов) обоснование экономической эффективности применения рабочих колес из износостойкой стали,

Рис. 2. Схема изменения координат рабочей точки гидравлической системы грунтонасоса: 1, 2, 3, 4 - напорные характеристики грунтонасоса соответственно при новом рабочем колесе (т1=0), а также при его эксплуатации в течение времени тьт2 и т3; 5 - гидравлическая характеристика трубопровода; 6 - вакуумметриче-ская характеристика; 7 - кавитационная характеристика

во-первых, с вариантным рассмотрением предельного срока их службы 500, 700, 1000 и 1500 часов чистой работы земснаряда, во-вторых, с оптимизацией срока службы РК в каждом инвестиционном проекте.

Условия работы КГ на параметры гидротранспорта влияния не оказывают, в то время как качество обогащения песка в КГ существенно зависит от скорости входа гидросмеси в него. А так как

уменьшение расхода гидросмеси в транспортной системе автоматически приводит к уменьшению величины центробежной силы при закручивании потока, то существенно возрастают потери песка с гравием. По данным Т.И. Пеняскина [1, 2] установлено, что потери полезных фракций (0,16-5 мм) в КГ возрастают с 9%, при новом РК, до 50% при изношенном.

Разработанный алгоритм имитационного моделирования динамики координат рабочей точки грунтонасосов по мере абразивного износа их рабочего колеса реализован на алгоритмическом языке и включает блоки формирования баз данных по грунту карьерной залежи, по грунтонасосу, по гидротранспортной линии земснаряда; блок обоснования нормативной грунтопроизводительно-сти земснаряда с выводом грунтонасоса из нештатных ситуаций (при их наличии) и имитационное моделирование динамики координат рабочей точки при предельном сроке службы рабочего колеса 300, 500, 700, 1000 и 1500 часов чистой работы земснаряда.

В соответствии с [10] и вышеизложенным разработан метод оптимизации срока службы рабочих колес грунтонасосов с учетом:

инвестиционных расходов (объема капитальных вложений) на повышение износостойкости РК грунтонасосов; которые можно сопоставлять только со сроком службы 300 часов чистой работы земснарядов;

индекса инвестиционного проекта]'=1,2, ..., m); индекса варианта реализации инвестиционного проекта: j = 1, r = 1,2,3

j = 2, r = 1,2,...,5; j = 3, r = 1,2,...,7; j = 4, r = 1,2,...,10; j = 5, r = 1,2,...,15;

текущих затрат C(j, r) - затраты при реализации проекта j по варианту г;

инвестиционных расходов 1,,/объема капитальных вложений) при реализации проекта j по варианту г;

нормативного срока окупаемости Тн (срока окупаемости дополнительных (по отношению к базовому j=1 варианту) инвестиционных расходов экономией на себестоимости).

Текущие затраты при реализации проектов по вариантампред-ставляют следующее:

возрастающие по мере износа РК текущие затратыза счет уменьшения грунтопроизводительности земснарядов

СрО',г) = Ср-/[5

8 (г) — объемная консистенция гидросмеси в долях единицы соответственно при новом и частично изношенном рабочем колесе; QA (г = 0) и QA (г) — расход в рабочей точке соответственно при новом и частично изношенном рабочем колесе;

возрастающие во времени текущие затраты, обусловленные увеличением удельных затрат на разработку и гидротранспорт грунта в связи со снижением КПД грунтонасоса

где сэл — стоимость электроэнергии, руб./(кВт-ч); рсм — плотность гидросмеси, кг/м3; НАМ (г) — напор в рабочей точке; Г]А (г) и г/А (г = 0) КПД соответственно при новом и частично изношенном рабочем колесе;

текущие затраты на замену изношенного РК, равные стоимости продукта, который мог бы быть уложенным в штабель за время производства работ по замене РК

где Тз - время эксплуатации РК от его установки до замены, ч;

Тнорм - нормативное время на замену РК, ч.

Прирост прибыли АП за время эксплуатации РК можно количественно оценить следующим образом

0

где Срр — стоимость 1 м3 строительного песка, руб.; S(т = 0) и

Срк (Тз) = с^ (т = Т3)-QA (т = Тз )Тн

норм ’

0

где Ссб — себестоимость продукции, руб/м3. Решаемые задачи

Задача 1. Оптимизация срока службы рабочих колес для инвестиционного проекта с индексом /. Для решения указанной задачи необходимо, чтобы сумма инвестиционных и текущих затрат с учетом прироста прибыли, отнесенная к продолжительности срока эксплуатации РК, удовлетворяла условию ц С

Ч гр\ опт / эн\ опт / РК \ опт / V опт /

+— -------------------------------------------------= тт ,

Т Т

опт опт

где г — текущее время те 7/, г; Топт — оптимальный срок эксплуатации РК, удовлетворяющий условию (5), ч.

Задача 2. Обоснование оптимального проекта при известной стоимости РК из износостойкой стали. Выбор оптимального проекта из условия

I (/)+с- (/)+с::т л+ск (л .

-------- ------------------------= тт .

W

опт \*/ /

Задача 3. Обоснование максимально оправданной стоимости рабочих колес из износостойкой стали. Сначала находится сумму прибыли от продажи полученной продукции при оптимальном сроке службы РК в рассматриваемом проекте j

ПрЦ) = Пр(1 — 1) + (сгр — ссб)[8 (/ — 1)-QA(/' — 1) + 8 (/)• QA(0]Аг/2 , (7) а затем, с учетом экономической специфики специализированного предприятия, решается задача обоснования максимально оправданной стоимости рабочих колес из износостойкой стали.

В соответствии с полученными данными эффект увеличения прибыли от продажи продукции без замены рабочего колеса по сравнению с базовым (имеющим место при сроке службы рабочего колеса Т = 300 часов чистой работы земснарядов) усиливается при переходе к более капиталоемкому проекту.

Разработанный метод позволяет решать, описанные в [9-10], задачи:

оптимизации срока службы рабочих колес грунтонасосов для нескольких инвестиционных проектов;

определения оптимального индекса проекта при известной стоимости изготовления рабочего колеса ГН из обычной и износостойкой стали.

Так, при разработке Марусинского месторождения нерудных строительных материалов в Новосибирской области могут иметь место два оптимальных варианта организации работ:

1-й вариант: назначение проектного объема намываемого штабеля в течение очередного сезона эксплуатации земснарядов У=120000 м3 с заменой рабочего колеса во время зимнего отстоя земснарядов на рабочее колесо со сроком службы Т=1000 часов чистой работы земснарядов.

2-й вариант: назначение проектного объема намываемого штабеля в течение очередного сезона эксплуатации земснарядов У=90000 м3 с заменой рабочего колеса один раз в два года на рабочее колесо со сроком службы Т=1500 часов чистой работы земснарядов.

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

1. Пеняскин Т.И. Совершенствование технологии добычи песка и гравия / Т.И.Песнякин, Г.З.Карандаев // Известия вузов. Строительство и архитектура. -1975. - № 11. - С. 104-107.

2. Пеняскин Т.И. Оптимизация режимов эксплуатации грунтонасоса в условиях абразивного износа во взаимосвязи с коническим грохотом/Т.И. Песня-кин//Известия вузов. Строительство и архитектура. - 1980. - №1. - С. 126-132.

3. Попов Ю.А. Гидромеханизация в Северной строительно-климатической зоне / Ю.А.Попов, Д.В. Рощупкин, Т.И. Пеняскин. - Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1982. - 224 с.

4. Свидетельство №2005610545 от 28.02.2005г. об официальной регистрации программы для ЭВМ «ЗЕМСНАРЯД» (Расчет проектной грунтопроизводи-тельности земснарядов с обоснованием способов и параметров вывода грунтона-сосов из нештатных ситуаций).

5. Немчикова Л.А. Гидравлическая укладка песка и песчано-гравийных смесей в штабель при регулируемой высоте конического грохота / Л.А.Немчикова, Е.В.Лизунов, А.В.Щербаков // Известия вузов. Строительство.- 2008. - №3. - С. 65-70.

6. Гидромеханизация земляных работ Часть 1. Теория процессов гидромеханизации: учебное пособие / Ю.А. Попов [и др.]. - Новосибирск, Изд-во НГАСУ, 2000. - 84 с.

7. Оптимизация процессов гидромеханизации земляных работ в современных условиях / Ю.А. Попов [и др.] // Известия вузов. Строительство. - 2001. - №910. - С. 77-84.

8. Воронцовский А.В. Инвестиции и финансирование / А.В.Воронцовский. -С.-Петербург: Изд-во С.-П. гос. ун-та, 1998. - 528 с.

9. Немчикова Л.А. Оптимизация срока службы рабочих колес грунтонасосов при гидромеханизированной разработке обводненных месторождений песка / Л.А.Немчикова // Известия вузов. Строительство.- 2008. - №8. - С. 39-47.

10. Немчикова Л.А. Оптимизация срока службы рабочих колес грунтонасо-сов в гидромеханизации земляных работ // Тр. Всероссийской конф. «Актуальные проблемы строительной отрасли». - Новосибирск: Изд-во НГАСУ (Сибстрин), 2008. - С. 122. ЕШ

L.A. Nemchikova

OPTIMIZATION OF THE REGIMEN REGULATION OF HEIGHT THE CONICAL SIFTER AND SERVICE LIFE OF DRIVING WHEELS GROUND-PUMP AT THE MECHANIZED DEVELOPMENT OF NATURAL DEPOSITS OF SAND AND SANDY - GRA VEL MIXTURE

Are carried out researches on installation of a conical sifter at the hydromechanized stacking in a stack of sand and sandy - gravel mixture. The received results confirm efficiency of step regulation of conical sifter for the increase in development dredge ships. Thus alternative calculations have confirmed also increase productivity at the increase in the size of the basis of a stack and of height.

Studied influence of abrasive deterioration of the driving wheel groundpumps for work dredge ship at the hydromechanized stacking in a stack of sand and sandy - gravel mixes. As aresult of realization of the model of dynamic coordinates of aworking point developed optimum service life of driving wheels under several investment projects are calculated. The received results confirm efficiency of installation of driving wheels from wearproof steel with the increased service life of driving wheels.

Key word: the hydraulic mining, conical screen, the height of a conical screen controlling mode, the optimization of the height of a conical screen controlling mode, soil pump, abrasive erosion of an impeller, impeller life time optimization

— Коротко об авторе ---------------------------------------------

Немчикова Л.А. - инженер, Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин), г. Новосибирск, гес-tor@sibstrin.ru