Исследование аэродинамических процессов в шахтной аэрометрической установке для повышения качества поверки шахтных анемометров

ГЕОМЕХАНИКА

УДК 622.44

ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ШАХТНОЙ АЭРОМЕТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКЕ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРКИ ШАХТНЫХ АНЕМОМЕТРОВ

А.В. Воронцов

Разработана шахтная аэрометрическая установка. Получены динамические характеристики шахтной аэрометрической установки. Определена функциональная зависимость длительности переходного процесса в аэрометрической установке от скорости потока. Получен теоретический вид градуировочной характеристики акустического анемометра. Предложена методика калибровки анемометров на основании данной зависимости.

Ключевые слова: аэрометрическая установка, скорость воздуха, анемометр, шахтная атмосфера, математическая модель, градуировка, переходный процесс.

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]. Для поддержания скорости воздуха и концентрации метана в действующих выработках в допустимых границах применяются как ручные, так и стационарные приборы - метанометры и анемометры.

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 города Прокопьевска около 90 % приборов не проходит периодическую поверку. Это означает, что фактически поверочный интервал большинства приборов является завышенным, что усугубляется шахтными условиями эксплуатации. При наложении погрешности анемометра, завышающей скорость потока и метанометра, занижающего концентрацию

метана, вполне возможно возникновение взрывоопасной концентрации, которая останется незамеченной [4-6]. 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.

В лаборатории средств аэрологического контроля МГГУ под руководством профессора С.З. Шкундина [7] был разработан шахтный анемометр нового типа - акустический, который лишен перечисленных недостатков. Данный прибор имеет ряд преимуществ, благодаря которым его применение в шахте возможно как в качестве ручного прибора, так и в качестве стационарного. Используемые акустические колебания ультразвуковой частоты вызывают эффект самоочистки от угольной пыли, что делает прибор гораздо более стойким к шахтным условиям эксплуатации. Поскольку прибор не содержит движущихся и вращающихся частей, он практически не накапливает погрешность с течением времени. Но несмотря на чрезвычайно малый дрейф погрешности во времени, акустические приборы, тем не менее, нуждаются в первичной поверке по причине технологического разброса параметров деталей при изготовлении.

Таким образом, 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. Следует отметить, что совершенствование процесса проектирования аэрометрических установок и методик поверки анемометров на них основывается на моделировании потока внутри установок и анемометров методом конечных элементов.

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;

- обеспечение регулирования скорости в диапазоне 0,1...30 м/с только за счет изменения оборотов двигателя, чтобы обеспечить неразрыв-

ность 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.

Важным элементом конструкции аэрометрической установки является образцовый анемометр. Размещение его в рабочей зоне для компактных аэрометрических установок нежелательно, так как это приводит к искажению эпюры скоростей и ограничивает возможности локализации поверяемых анемометров, вынуждая смещать их в несимметричную область эпюры. Таким образом, остается вариант с размещением образцового анемометра в возвратной ветви установки. Однако, для того, чтобы обеспечить приемлемую точность измерения при таком варианте размещения необходимо уменьшить диаметр возвратной ветви, сделав его равным диаметру рабочей зоны. В противном случае образцовый анемометр будет вынужден измерять в четыре раза меньшую скорость и погрешность измерения на малых скоростях окажется недопустимо большой.

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.

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 применился пакет Flow Simulation, использующий метод конечных элементов. Для получения из модели максимума информации за минимум итераций был привлечен математический аппарат теории планирования эксперимента.

В качестве факторов, влияющих на равномерность потока взяты длина рабочей зоны и угол раскрытия рабочей зоны, а в качестве параметра - относительный объем зоны равных скоростей. Под объемом зоны равных скоростей понимается объем, внутри которого скорость изменяется не более чем на паспортную погрешность аэрометрической установки, стандартным значением которой является ±(0,015+0,015-F).

Диаметр конфузора определяется из правила 3...5 % заполнения площади рабочей зоны площадью поверяемого анемометра.

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 произведено 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. 3.

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

Рис. 3. Эпюры скоростей на входе и выходе поверяемого анемометра

После обсчета полученных данных и пересчета их в показания прибора было вычислено значение погрешности, возникающей из-за ограниченных размеров рабочей зоны. Ее значение составляет 0,17 %, что на порядок ниже паспортной погрешности установки. Таким образом, подтверждается верность выбора геометрических параметров рабочей зоны.

Данные, полученные в результате моделирования анемометра в условно-бесконечном пространстве, позволяют построить градуировочные кривые акустического анемометра. Например, данная зависимость используется для поверки и калибровки акустических анемометров:

Уприв= А • гэвт + С,

где Уприб. - скорость, показываемая поверяемым прибором; Уэт - скорость, показываемая эталоном; А, В и С - константы, определяемые в процессе калибровки.

Процесс моделирования был повторен для образцового акустического анемометра, что позволило достоверно установить его метрологические параметры.

Для создания макета аэрометрической установки необходимо рассчитать ее энергетические характеристики исходя из геометрических параметров рабочей зоны и максимальной скорости. Максимальную скорость принята 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, можно 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 МЛТЬЛВ. Трехмерная интерполяция позволила получить гладкие поверхности, показанные на рис. 4

Рис. 4.

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

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 производился в системе МЛТЬЛВ. Обработка данных позволила вычислить такие показатели, как дисперсия и средне-

квадратическое отклонение на разных скоростях, и построить гистограмму распределения экспериментальных данных. Эти значения позволяют обосновать минимальное количество измерений. Для исследованного прибора минимально число измерений составляет 71, для практического использования можно округлить до 100 измерений. Для автоматизации измерений необходимо научиться автоматически определять момент установления стационарной скорости в аэрометрической установке. На величину времени влияют два фактора: время завершения аэродинамических переходных процессов и уже рассмотренное время осреднения образцового анемометра. Также 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:

эффициенты аэродинамического сопротивления; т - масса воздуха внутри установки.

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 м , а соответствующая масса равна 0,714 кг.

Решая данное дифференциальное уравнение, получаем зависимость скорости от времени при подаче единичного скачка давления в сечении вентилятора:

т — = ¥ - Б¥

где ¥ = Б-АР; Б = 0,25п 2; с1 - диаметр обечайки вентилятора; к1 и к2 - ко-

2

где: Б = Ь - 4ас; а = -к15 /т; Ь = -к2Б /т; с = ¥ / т .

Графики данной зависимости показаны на рис. 5Рис. 5.

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

Из приведенных графиков видно, что в силу нелинейности процесса, на больших скоростях переходные процессы завершаются быстрее, чем на малых. В качестве порогового значения скорости потока, при котором считаем переходной процесс завершившимся, примем значение

Упор = Уу-{а + вУу),

где Уу - значение уставки; Упор - нижняя граница полосы погрешности образцового анемометра при данной уставке; а - аддитивная погрешность образцового анемометра аэрометрической установки; в - коэффициент мультипликативной погрешности образцового анемометра аэрометрической установки.

Пороговое значение позволяет получить зависимость длительности переходного процесса от скорости. График данной зависимости показан на рис. Рис. 6. Графики экспериментальных и теоретических зависимостей для разных значений скорости показаны на рис. Рис. 7. Для получения экспериментальных графиков использовался образцовый акустический анемометр аэрометрической установки.

Рис. 6. Зависимость времени завершения переходного процесса

от скорости потока

Время, с

Рис. 7. Сравнение теоретических и экспериментальных кривых

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 производить повторную поверку откалиброванных приборов. Разработанное программное обеспечение состоит из шести модулей. Это модуль соединения с аэрометрической установкой, формирующий протокол взаимодействия с частотным преобразователем установки, а также эталонными и поверяемым анемометрами. Далее следуют модуль задания скорости потока, модуль снятия показаний приборов, модуль записи показаний анемометров, модуль поверки и модуль калибровки.

Разработка данной аэрометрической установки была осуществлена по заказу Министерства топлива и энергетики Российской Федерации в лаборатории средств аэрологического контроля НИТУ МиСИС. 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 управления воздухораспределением в шахтах, что имеет важное значение для безопасности подземных горных работ.

Список литературы

1. Качурин Н.М., Воробьев С.А., Качурин А.Н. Прогноз метановы-деления 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 и [др.]//Обогащение руд. 2014. №6. С.16-19.

3. Evaluating of closed mines mining lease territories environmental safety by gas factor / N.M. Kachurin [et al.] // Eurasian Mining. 2014. №2. P. 41-44.

4. 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.

5. 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.

6. Качурин Н.М., Борщевич А.М., Бухтияров А.А. Прогноз выделения метана с поверхности обнажения разрабатываемого угольного пласта и нагрузка на лаву при интенсивной выемке угля // Безопасность жизнедеятельности. 2010. № 5. С. 19-24.

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

Воронцов Аркадий Викторович, старший преподаватель, ecology@ tsu.tula.ru , Россия, Москва, Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

RESEARCHING AERODYNAMICS PROCESSES IN MINING AEROMETER PLANT

FOR IMPROVING QUALITY OF CALIBRATING MINING ANEMOMETERS

A.V. Vorontcov

The mining aerometer plant was created. Dynamic characteristics of the mining aerometer plant were gotten. Functional dependence of transient processes duration in the aerometer plant from velocity of flow was defined. Theoretical form of calibrating characteristic for acoustic anemometer was gotten. Method of calibrating anemometers with using this dependence was proposed.

Key words: aerometer plant, air velocity, anemometer, mining atmosphere, mathematical model, calibrating, transient process.

Vorontcov Arkadyi Viktorovich, Assistant Professor, ecology@ tsu.tula.ru , Russia, Moscow, National Research Technological University "MISIS"