Оптимизация динамических характеристик гидросети механизированной крепи

УДК 622.232.8

ОПТИМИЗАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОСЕТИ МЕХАНИЗИРОВАННОЙ КРЕПИ

А. А. Подколзин, В.П. Сафронов

Имитационное моделирование режимов работы гидропривода крепи при выполнении операций технологического цикла позволило установить основные характеристики работы, определить динамические параметры переходных процессов и оптимальную конструкцию гидросети.

Ключевые слова: крепь, насос, гидропривод, гидросеть, моделирование, эффективность, оптимизация, конструкция.

Как известно, базовой машиной очистного комплекса является механизированная гидрофицированная крепь, причем основные показатели работы комплекса (производительность, себестоимость добычи, надежность и эффективность управления горным давлением, безопасность труда и др.) во многом определяются характеристиками его гидропривода. Функциональное назначение различных типов механизированных крепей в основном одинаково, поэтому состав рабочих операций в крепи практически не зависит от ее конструктивного исполнения.

Для эффективной работы крепи гидропривод должен обеспечивать высокое давление, эффективные способы регулирования подачи жидкости, оптимальное взаимодействие всех контуров гидросистемы, минимальные динамические нагрузки и высокую надежность оборудования. На гидропривод существенное влияние оказывают также постоянно повышающиеся требования к скорости крепления и коэффициенту затяжки кровли.

Объектом моделирования режимов работы являлся гидропривод механизированной крепи очистного комплекса КМЛ, предназначенного для отработки угольных пластов мощностью от 2,6 до 4,6 м применительно к горнотехническим условиям ОАО "ИК "Шахта Соколовская".

Необходимость исследований была связана с тем, что в начальный период эксплуатации был установлен выход из строя большого количества элементов гидрооборудования. По мнению ряда специалистов, это явилось следствием того, что на шахте без согласования с разработчиками была в 1,45 раза увеличена длина крепи, изменена гидросеть, а также установлены насосные станции, имеющие производительность в 1,72 раза большую чем по проекту и большее рабочее давление.

Задача гидравлического расчета заключалась в сравнении режимов работы гидропривода крепи в проектном и измененных вариантах, разработке предложений и рекомендаций по совершенствованию гидросети, обеспечивающих повышение эффективности работы, функциональной надежности и безаварийности гидрооборудования.

294

При моделировании были проведены исследования семи альтернатив сочетаний длин крепи и типов насосных станций; рассчитаны величины пикового давления в напорной магистрали при различных расходах рабочей жидкости в системе; осуществлена интегральная оценка параметров аккумуляторной установки станции и аккумулирующей способности магистралей различной длины; исследованы инерционные характеристики гидросети и переходные процессы в гидроприводе при выполнении операций технологического цикла. При расчете переходных процессов и инерционных характеристик было учтено влияние угла наклона лавы 15 о.

В качестве критерия оптимизации гидросети была принята длительность цикла работы Тц, т. к. от нее зависят все показатели работы комплекса и эффективность управления кровлей. Этот критерий позволяет также учитывать вероятностный характер процессов, протекающих в системе "механизированный комплекс - вмещающие породы" [1]. При работе крепи длительность отдельных операций и всего цикла будут величинами переменными, подчиняющимися случайным законам изменения как в разных секциях вдоль лавы, так и в разных циклах, несмотря на постоянство основного комплекса условий. Длительность цикла определяется суммированием времен выполнения отдельных операций технологического цикла, периодов действия и срабатывания аппаратуры управления и т.п.

Инерционной характеристикой гидросети является уравнение:

2

где М - масса, приведенная к активной части поршня исполнительного гидромеханизма, и и 5 - соответственно скорость и перемещение поршня.

Приведенная масса учитывает массы движущихся элементов секции крепи и рабочей жидкости. Приведение масс производят на основании равенства кинетических энергий поступательных движений по исполнительному механизму и элементам приведения. Приведенная масса при подводе рабочей жидкости в поршневую Мж.п или штоковую Мжш полости определяется по выражениям [2, 3]:

М ж.п

пр.н

а

\2

п

с ^пр.с

а

2

п

а0 + рн 50

Мж.ш

пр.н

Оп

V ^т.н

а

с ^пр.с

Оп

V ^т.с У

,2

+ рс 50

где - площадь поршня; рн, рс - плотности рабочей жидкости в напорной и сливной магистралях; Цпр.н, Цпрс - общая приведенная длина всех трубопроводов от насосной станции до гидромеханизма; Оп - диаметр поршня; ^.н, ^тс - диаметры трубопроводов приведенной длины; ао - расходный коэффициент мультипликации; 50 - шаг подвигания секции или конвейера.

2

Приведенная длина трубопроводов определяется по формуле:

¿пр = Ё Ц • ,

\=1 V < у

где Цпр и й - длина и диаметр трубопровода, к которому приводится труба диаметром й и длиной Ц

Результаты моделирования показали, что для всех альтернатив решений шахты по сравнению с проектными происходит значительное увеличение (свыше 60 %) приведенной массы и динамических нагрузок, что способствует возникновению колебательных возмущений в магистралях, которые усиливаются дополнительно за счет повышенного аккумулирующего эффекта гидромагистралей. Было определено, что высокие динамические значения можно снизить за счет изменения конструкции гидросети. Было предложено выполнить дополнительную прокладку обводных напорной и сливной гидролиний. При этом оптимальной является несимметричная конструкция основных и дополнительных гидромагистралей. Приведенная масса в этом случае снижается на 38,6 %. Однако, несмотря на снижение динамических параметров, они в этом случае остаются еще значительными. Дальнейший анализ показал, что в этой ситуации на динамику переходных процессов начинает оказывать существенное влияние секционная гидроразводка. Изменение конструкции гидроразводки привело к снижению динамических нагрузок в гидросети и по секции соответственно на 63,8 % и 18,2 %.

Анализ переходных процессов при передвижке секции крепи показал, что гидросистема значительную часть времени работает в аккумуляторном режиме без включения насосных агрегатов (до 50 % времени для насосной станции СНЕ и до 65-70 % - для ЕНР). Было также установлено, что в данной конструкции гидропривода номинальную подачу насосной станции ЕНР реализовать невозможно. Это обстоятельство вызвало необходимость определения оптимальной подачи жидкости. Были исследованы процессы передвижения первой и последней секций крепи в лаве с одной, двумя и тремя насосными станциями. Исследования показали, что увеличение расхода рабочей жидкости до 0,0025 м /с вызывает уменьшение длительности передвижки секции с 7,5 до 5,5 с (на 26,67 %). Дальнейшее увеличение расхода не дает заметного увеличения скорости крепления забоя.

Анализ результатов моделирования показал также, что динамические явления в гидросети значительно возрастают в связи с быстрым нарастанием или падением давления при включении или выключении насосов высокого давления, происходит увеличение количества срабатываний системы разгрузки высоконапорного насоса, происходят скачкообразные изменения скорости движения штока гидроцидиндра передвижения.

На рисунке показан переходный процесс в гидросети при отключении работы насоса высокого давления при выполнении операции "пере-

движение конвейера волной".

Переходные процессы в гидросети при отключении насоса:

1 - подача; 2 - давление

В связи с высокими скоростями течения жидкости в трубопроводах гидросети крепи, применением быстродействующей распределительной аппаратуры, а также со значительными параметрами инерционной характеристики важное значение приобретают вопросы, связанные с эффектом гидравлического удара. Рассчитанные при моделировании параметры забросов давления (величина пикового давления, скорость нарастания или спада, длительность действия) показывают, что они могут вызывать поломки элементов гидроаппаратуры и клапанов на гидромагистралях.

Таким образом, моделирование работы гидропривода крепи в целом показало, что изменение проекта было научно не обосновано и экономически не оправдано.

Список литературы

1. Расчет и конструирование гидроприводов механизированных крепей / Ю.Ф. Пономаренко, А.А. Баландин, Н.Т. Богатырев и др.; под общ. ред. Ю.Ф. Пономаренко. М.: Машиностроение, 1981. 327 с.

2. Ковалевский, В.Ф., Железняков, Н.Т., Бейлин, Ю.Е. Справочник по гидроприводам горных машин. М.: Недра, 1973. 504 с.

3. Тесленко, А.И. Основы гидравлических расчетов механизированных крепей. М.: Недра, 1974. 216 с.

Подколзин Анатолий Алексеевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, apodkol-zin@dialog.nirhtu.ru, Россия, Новомосковск, Новомосковский институт (филиал) Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева,

Сафронов Виктор Петрович, д-р техн. наук, проф., sarychevy@mail.ги, Россия, Тула, Тульский государственный университет

297

OPTIMIZA TION OF DYNAMIC CHARACTERISTICS HYDRONETWORK MECHANIZED SYSTEM

A.A. Podkolzin, V.P. Safronov

Consider internal and external factors arising from the operations of the technological cycle of mining operations affecting the dynamic loading of the electromechanical system of the pumping unit, proposed solutions to improve the efficiency and reliability of the system through the use of the damping properties of electric drive.

Key words: support, pump, hydraulic drive, hydrosystem, modeling, efficiency, optimization, design of.

Podkolzin Anatoly Alekseevich, doctor of technical sciences, professor, Head of Department, apodkolzin@dialog.nirhtu.ru, Russia, Novomoskovsk, Novomoskovsk Institute (branch) of Russian Chemical-Technological University. DIMendeleev,

Safronov Viktor Petrovich, doctor of technical sciences, professor, sary-chevy@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 624.191

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СОВМЕЩЕННОЙ СХЕМЫ ПРОКЛАДКИ ТРУБ ПРИ БЕСТРАНШЕЙНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

А.Н. Панин, В.И. Сарычев, Н.И. Прохоров, И.И. Савин

Рассмотрена совмещенная схема прокладки труб большого диаметра; приведена расчетная модель усилий прокола и длины насадки; получены зависимости шага заходки от глубины прокладки; дана область применения бестраншейных технологий.

Ключевые слова: бестраншейная технология; совмещенная схема прокладки трубопроводов; усилие прокола; длина насадки; уплотнение грунтового основания; расчетная модель; область применения.

Бестраншейные методы - прокол и продавливание - широко применяются при строительстве различных инженерных коммуникаций, технологических тоннелей и других подземных сооружений, в особенности в местах пересечения естественных или искусственных препятствий (автомобильных и железнодорожных магистралей, рек, каналов), где использование других способов является неэффективным. Бестраншейные методы имеют свою область применения, которая ограничивается размерами возводимых инженерных конструкций: для прокола обычно используют трубы диаметром до 600 мм; для продавливания - от 800 до 2000 мм. Ограничение диаметра при проколе связано с необходимостью создания больших