3256

На правах рукописи

Никитаев Игорь Владимирович

СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ГИДРОГРЕЙФЕРНЫЕ УСТАНОВКИ ДЛЯ ДОБЫЧИ РУДНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА КОНТИНЕНТАЛЬНОМ ШЕЛЬФЕ

Специальность: 05.08.05 - судовые энергетические установки

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

H. Новгород-2000

Работа выполнена на кафедре «Прикладная механика и подъемно-

транспортные машины» в Волжской государственной академии водного транспорта.

Актуальность работы. В настоящее время наблюдаются большие потребности в сырьевых ресурсах промышленно-развитых стран мира. Особенно необходимы такие полезные ископаемые, как никель, марганец, кобальт, кадмий, медь. По информации зарубежных источников к 2500 г. будут израсходованы запасы всех металлов, находящихся на суше. В то же время, один из самых богатейших залежей рудных ресурсов в мире, скрыты в недрах мирового океана, и прежде всего в его шельфовых зонах на глубинах от 100 м. до 5 км. За рубежом в настоящее время из прибрежно-шельфовых отложений добывается до 50% ильменита, 80% монацита, 98% рутила и 100% циркония. Главное богатство шельфовой зоны составляют железомарганцевые конкреции, встречающиеся в пределах шельфовых морей - Карского, Балтийского, Баренцева и др. на большом диапазоне глубин.

Добыча полезных ископаемых на больших глубина требует специальной техники. Для этого наиболее готовы к внедрению плавучие грейферные установки. Однако применение грейферов большой вместимости накладывает определенные условия на эти установки и прежде всего при извлечении грейфера на поверхность из воды.

Кафедрой ПТМ ГИИВТа было предложено устройство с разгрузкой грейфера под водой, под днищем грейфера за счет гидротранспортных установок (а.с.825777). Однако для реализации данного проекта в настоящее время нет теории расчета грейфера, работающего под водой, и особенно на больших глубинах, кроме ряда эмпирических коэффициентов, вводимых в примятую методику расчета, учитывающих гидродинамическое сопротивление и действие "присоса". Несмотря на качественное отличие физической картины зачерпывания и резания фунта под гидростатическим давлением от аналогичного

процесса на суше, основанием для создания теории служат работы, связанные с зачерпыванием "сухого" и водонасыщенного материалов, а также работы по резанию водонасыщенных материалов под гидростатическим давлением при заглублении кабелей и других коммуникаций. Анализ работ по зачерпыванию "сухого" материала показывает что основные исследования в этом направлении были

выполнены следующими авторами: M. П. Александровым, А. И. Дукельским, H, И. Ерофеевым, Б. П. Румянцевым, JI. И. Малеевым, А. Б. Филяковык., A. M, Яснновским, Б. К. Стрекаловым, Д. К. Глебко, А. И. Ильченко, В. Г. Соловьевым, Г. Г. Каракулиным, P. Jl. Зенковым, Б. А. Таубером, А. С. Слюсаревым.

Основной вклад в теорию подводной разработки грунтов внесли

разработаны теоретические основы и принципы конструирования подводных грунторазрабатывающих машин.

Особенности взаимодействия рабочих органов под водой исследовали: Д. Д. Тургумбаев, M. T. Тындыбекон, А. А. Карошкин, А.

А.Шаталов, H. А. Лобанов, А. И. Копталов, M. А. Гоц, M. К. Сукач, А.

А.Курузь и др..

Целью работы является создание теории деформированных водонасыщенных грунтов под водой при зачерпывании грейферными механизмами с учетом гидростатического давления, и разработка методов расчета энергозатрат приводных энергетических установок.

Задачи исследований

Задачи теоретических исследований.

2

-Разработка физической модели водонасыщенного материала, адекватно отражающего процесс деформированная фунта грейфером на больших глубинах и определение механических характеристик, отражающихеёдеформационныесвойства.

-Разработка теории объемного деформирования грунта при его зачерпывании грейфером под.водой с учетом гидростатического давления.

-Определение причин возникновения явления «присоса» и влияния на него фильтрации грунта водным потоком под грейфером.

-Исследование аналитической зависимости влияния

гидростатическогодавления нафильтрационные процессы. Экспериментальные задачи:

-Исследование физико-механических свойств материала, зачерпываемого грейфером под водой.

-Определение коэффициентов, входящих в аналитические зависимости, описывающие явление «присоса».

-Нахождение зависимости деформации грунта от фильтрационных процессов при зачерпывании грейфером под водой с учетом гидростатического давления.

-Определение влияния гидростатического давления на уплотнения

материала в грейфере.

Научная новизна работы заключается в методе определения нагрузок, действующих на грейфер с учетом гидростатического давления при зачерпывании им груза под водой. При этом поля давлений грунта на челюсти грейфера при зачерпывании определяются при помощи безразмерных характеристик: модуля уплотняемости и коэффициента

бокового давления, которые определяются экспериментально.

3

Вработе разработан рад принципиальных теоретических

положений:

-определено усилие «присоса» возникающее при подъеме грейфера с грунта под водой;

-определено объемно-напряженное состояние сыпучего материала в грейфере при помощи безразмерных характеристик: модуля уплотняемости, коэффициента бокового давления и коэффициента трения, зависящих от физических аргументов сыпучего материала;

-разработана теория силового расчета грейферных механизмов, работающих под водой на больших глубинах;

-определены конструктивные решения уменьшающие силы сопротивления зачерпыванию и подъему грейфера под водой;

-определено влияние гидростатического давления на процесс

зачерпывания грейфером грунта под водой.

Практическая ценность и реализация результатов . Разработанный метод расчета применим к грейферным механизмам, которые работают под

,водой на глубинах от 3 до 300 м.

Разработанный метод расчета использован в курсе лекций: «Машины

непрерывного транспорта».

Разработана конструкция грейфера, зачерпывающего материал на глубине до 300 м., с использованием гидростатического давления в

процессе открытия и закрытия челюстей грейфера.

Разработана установка для исследований, процессов происходящих внутри грейфера, при зачерпывании водонасыщенного материала; явления «присоса», возникающего при отрыве грейфера с грунта.

Апробация работы. Научные результаты опубликованы в 3 печатных

Обьем и структура работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение и выводы, приложение, 37 рисунков, 19 таблиц, изложена на 177 страницах, список литературы содержит 81 наименование.

Первая глава посвящена анализу теоретических и экспериментальных работ по зачерпыванию грейфером «сухого» и водонасыщенного материала и резанию водонасыщенного материала с учетом гидростатического давления. Во второй главе разработаны метод

силового расчета рабочих органов, теория расчета грейфера, особенности конструирования грейферов для зачерпывания

водонасыщенных материалов, исследовано влияние гидростатического давления на процессы зачерпывания и отрыва грейфера с грунта. В

третьей главе проведены экспериментальные исследования. В четвертой

главе проведен экономический анализ эффективности пользования грейферной установки для подводной добычи рудных материалов под

водой на глубине до 300 м. С гидроразгрузкой зачерпываемого материала под водой.

Основные положения, выносимые на защиту - в области теории грейферных механизмов, раскрытие физической

сущности деформации сыпучего водонасыщенного материала в грейфере с учетом гидростатического давления и, как следствие

этого, построение математической модели нагружения челюстей грейфера.

- в области научно-технических разработок - принципиально новый принцип работы грейфера под водой на глубине до 300 м.

-в области научно-методических разработок: метод определения

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Физическаямодельсыпучегоматериала,

Расчеты грейферных механизмов, работающих под водой должны соответствовать деформации вязкопластичных тел, объемнонапряженное состояние которых зависит от скорости деформации с учетом фильтрации жидкости через поры сыпучих материалов при их сжатии. При зачерпывании грейфером материала на грейфер действуют следующие силы сопротивления: сопротивление резанию материала под водой челюстью грейфера; сопротивление вязко-пластического течения материала при поступлении его в челюсть; сопротивление трения материалов по стенкам челюсти (P - сумма давлений при сжатии материала, давления фильтрации и гидростатического давления на

стенки челюсти); приращение давления при сжатии материала в челюстях грейфера; приращения давления при фильтрации жидкости из материала в челюстях грейфера. В начальной фазе зачерпывания отсутствуют последние две составляющие сопротивления зачерпывания. В конечной фазе зачерпывания, когда в грейфере сформировался массив материала и происходит его сжатие, составляющей вязкостного течения

можно пренебречь, т.к. материал подвергается уплотнению.

Блок-схема технико-экономического

анализа грейферной плавучей установки с гидроразгрузкой грейфера под водой.

определение обобщенных (цилиндрических) координат, привязанных к геометрии грейфера;

определение в обобщенных координатах функции плотности; переход от функции плотности к функции давлений,

определение сил сопротивления действующих на грейфер в процессе зачерпывания и во время подъема грейфера с фунта;

определение мощности необходимой для зачерпывания грейфером грунта под водой;

7

анализ эффективности применения грейферной плавучей установки с

гидроразгрузкой грейфера подводой.

Методика расчета грейфера, представленная в табл. 1, обладает

следующими качествами:

• позволяет рассчитать рабочие органы в различном конструктивном исполнении еще на стадии проектирования за счет определения объемно-напряженного состояния сыпучего материала в органе но известным безразмерным характеристикам материала:

• позволяет проанализировать изменение нагрузок на элементы рабочего органа при изменении технологических условий или

геометрии грейфера;

• поскольку расчет ведется по распределенным нагрузкам, метод свободен от ошибок, обусловленных определением точек приложения векторов равнодействующих сил и их направлением.

• учитывается влияние: гидростатического давления на функцию уплотнения, усилия «присоса», возникающего при подъеме грейфера с грунта, ряда эмпирических коэффициентов, формы челюстей

грейфера.

Метод позволяет проанализировать, «вес» своих составляющих общего сопротивления перемещения сыпучего материала в

грейфере и наметить пути его изменения.

Теория силового расчета грейферных механизмов.

Для того, ,чтобы определить все силы сопротивления зачерпывания, необходимо определить зависимость между давлением на деформатор и переменной плотностъю материала для идеализированного процесса уплотнения. Подобные зависимости

определялись теоретически или экспериментально Для различных 8