ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ АГРЕГАТА ДЛЯ ДОБЫЧИ ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОНКРЕЦИЙ

На правах рукописи
СМИРНОВ Дмитрий Владимирович
ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ
ПАРАМЕТРОВ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ
АГРЕГАТА ДЛЯ ДОБЫЧИ
ЖЕЛЕЗОМАРГАНЦЕВЫХ КОНКРЕЦИЙ
Специальность 05.05.06 - Горные машины
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждение
высшего
профессионального
образования
СанктПетербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете).
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Д.А. Юнгмейстер
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Ю.Д. Тарасов
кандидат технических наук, старший научный сотрудник ОАО «Механобр-Техника»
А.Н. Коровников
Ведущее предприятие: ООО «Петротранс»
Защита диссертации состоится «25» мая 2009 г. в 14 час.
30 мин. на заседании диссертационного Совета Д 212.224.07 при СанктПетербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова
(техническом университете) по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я
линия, д. 2, ауд. 7212.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СанктПетербургского государственного горного института.
Автореферат разослан «24» апреля 2009 г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ
диссертационного совета,
д.т.н., профессор
В.В. ГАБОВ
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы работы. Существующие темпы развития промышленности влекут за собой увеличение потребления минерально-сырьевых ресурсов. Потребителями марганцевых руд являются предприятия металлургической промышленности и машиностроительные предприятия. При этом быстро возрастают потребности РФ в марганцевой руде. Так в 2000 г. потребность в марганцевой
руде с содержанием марганца 40 – 60% составляла 2,2 млн. т. Ситуация усугубляется тем, что в настоящий момент в России нет промышленно освоенных месторождений марганца на суше.
По оценкам отечественных и зарубежных специалистов, альтернативным источником минерального сырья для цветной и черной
металлургии являются подводные месторождения железомарганцевых конкреций (ЖМК).
Железомарганцевые конкреции являются уникальным полезным ископаемым. В их минеральном составе присутствуют в тех
или иных количествах практически все элементы периодической
системы таблицы Менделеева.
Проведенные геологоразведочные работы в Балтийском море
подтвердили наличие промышленных запасов железомарганцевых
конкреций. Месторождения обладают следующими отличительными
особенностями: малая глубина разработки (до 70-80 м); высокая
плотность залегания (до 40 кг/м2); спокойный рельеф залегания; небольшая удаленность от промышленного города Санкт-Петербурга
(до 100 миль).
Предложенные на настоящий момент технические средства
добычи конкреций Финского залива мало эффективны. Короткие
интенсивные волны на Балтике вызывают большую качку судна
обеспечения, что в свою очередь ведет к высокой опасности при использовании тросовых систем добычи. Целесообразно использовать
транспортные средства, которые легко реагируют на изменение качки, имеют высокое разрывное усилие транспортирующего органа
при увеличении производительности системы, легко сочленяются с
придонным добычным устройством, не нарушая его работу во время
качки.
Обоснование облика агрегата добычи конкреций на основе
создания новых технических средств и способов ведения добычи
3
является актуальной темой, что позволит повысить эффективность
добычи, возможность обеспечить первичное обогащение добытых
железомарганцевых конкреций и снизить уровень экологического
загрязнения в зоне работы.
Цель работы: обоснование технических характеристик исполнительных органов агрегата придонной добычи, основанного на
принципе захвата и удержания конкреций при помощи полостей
разрежения, и выбор рациональных его параметров по результатам
моделирования процесса движения агрегата на основе разработки
механико-математической модели.
Научная новизна диссертационной работы заключается в
разработке механико-математической модели процесса движения
придонного добычного агрегата барабанного типа с переменной
массой и использовании устройства с полостями разрежения в конструкции обечайки барабана добычного агрегата для захвата и
удержания железомарганцевых конкреций; подтверждение результатами лабораторных исследований эффективности использования
камер с полостями разрежения; установлена зависимость доли
устойчиво захваченных единиц конкреций устройством захвата от
времени их контакта; обоснование предельных величин скоростей
движения добычного агрегата в зависимости от параметров тягового
средства.
Основные задачи исследования:
1. Разработать основные требования к параметрам добычного
агрегата на основе анализа недостатков современных технических
средств для разработки месторождений морского дна.
2. Разработать механико-математическую модель процесса добычи железомарганцевых конкреций исполнительным органом с
захватом на основе использования полостей разрежения. Разработать методику расчета основных параметров и конструкций добычного агрегата.
3. Определить влияние коэффициента перетекания на работу
устройства захвата с полостями разрежения для добычного агрегата
на основе экспериментальных исследований на стенде.
4. Обосновать компоновочную схему и параметры добычного
комплекса.
Методы исследований. При решении поставленных задач
4
использовался комплексный метод исследований, включающий:
анализ и обобщение литературных источников и патентных материалов, а также выполненных ранее научных исследований; математическое моделирование процессов движения придонного агрегата с
использованием пакета программ MatLab; экспериментальные исследования на стенде процессов захвата и удержания конкреций с
использованием теории планирования; компьютерное моделирование и обработка, анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Защищаемые научные положения:
1. Гарантированный захват и удержание железомарганцевых
конкреций устройством с полостями разрежения обеспечивается при
средней линейной скорости обечайки барабана от 1 м/с до 1,5 м/с и
без резкого изменения скорости движения добычного агрегата барабанного типа, при котором время разгона в пределах от 0 до 1 м/с
должно составлять не менее 30 секунд, а изменения амплитуды скорости - не более 50 % от рабочего значения.
2. Экспериментально установлено, что устойчивое удержание
захваченных конкреций при движении придонного добычного агрегата барабанного типа с камерами разрежения происходит при максимальном использовании суммарной поверхности рабочего сектора
захватывающего устройства и при значении коэффициента перетекания от 0 до 0,55, и при этом суммарная площадь свободного пространства между приемным отверстием камеры и конкрецией не
должна превышать 25% площади всасывающего отверстия камеры.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, разработанных в диссертации, подтверждается использованием
апробированных математических методов, удовлетворительной сходимостью (погрешность в пределах 5%) результатов аналитических
и экспериментальных исследований на стенде с применением современных средств измерений и методов исследований.
Практическая ценность работы:
- разработана конструкция транспортирующего агрегата на
основе захвата с использованием полостей разрежения защищенная
патентом;
- разработана конструкция экспериментального стенда,
обеспечивающего исследование процесса захвата и удержания кон5
креций с использованием полостей разрежения в широком диапазоне изменения режимных параметров;
- разработанные методики с высокой точностью позволяют
определить основные параметры придонного добычного и транспортирующего агрегатов;
- применение захватов с полостями разрежения в конструкции исполнительных органов агрегатов добычи и транспортирования конкреций позволит в значительной степени уменьшить загрязнение окружающей среды, увеличить глубину разработки залежей
конкреций и обеспечат возможность проведения предварительного
обогащения конкреций на добычном агрегате.
Реализация результатов работы. Методика расчета промежуточного привода и придонного добычного агрегата, а также материалы по патенту №2301338 МПК E21C50/00 (2006.01), дата публикации 2007.06.20 «Комплекс для разработки полезных ископаемых
шельфовой зоны Мирового океана» и заявка № 2008121079 – «Способ селективного отбора и предварительного обогащения железомарганцевых конкреций и устройство для его реализации», а также
варианты конструкций промежуточного привода и придонного добычного агрегата с полостями разрежения приняты к внедрению в
ООО «Петротранс». Материалы диссертационной работы используются при чтении дисциплин: «горные машины и оборудование для
подземных горных работ», «механизация горных работ» для студентов и для магистров по направлению 150400 «технологические машины и оборудование».
Личный вклад автора:
- обоснован новый агрегат сбора и транспортирования железомарганцевых конкреций;
- исследована механико-математическая модель процесса
движения придонного добычного агрегата;
- разработаны рациональные режимы работы устройства захвата с полостями разрежения и соответствующие им конструкции
исполнительных органов агрегата добычи железомарганцевых конкреций.
Апробация работы. Результаты исследований и основные
материалы диссертационной работы обсуждались на 5-ой Межрегиональной научно-практической конференции «Освоение минераль6
ных ресурсов Севера: проблемы и решения» (г. Воркута, 2007гг.),
научной конференции молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» (г.Санкт-Петербург, 2005, 2006гг.), межкафедральных семинарах ГЭМФ СПГГИ (ТУ) (2005, 2006, 2007гг.).
Награждение золотой медалью на престижных выставках в г. Севастополе, г. Нюрнберге, г. Женева, г. Сеул, г. Санкт-Петербург на выставке в ЛенЭкспо и бронзовой медалью в г. Париже за разработку
«Устройство для сбора железомарганцевых конкреций на шельфовых месторождениях», так же дипломами в г. Брюссель.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, из них 1 патент, 6 работ опубликованы в журналах рекомендованных ВАК России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 151 странице, содержит 61
рисунок, 16 таблиц, список литературы из 112 наименований и 4
приложения.
Во введении дается общая характеристика работы.
В главе 1 приведен анализ современных средств разработки
залежей твердых полезных ископаемых морского дна и океана и методики их основных расчетов.
В главе 2 даны результаты математического моделирования
процесса работы промежуточного привода и движения придонного
агрегата сбора железомарганцевых конкреций.
В главе 3 содержатся результаты лабораторных стендовых
исследований процесса взаимодействия устройства захвата с различными образцами.
В главе 4 даны варианты перспективных конструкций
устройств и агрегатов ведения добычи железомарганцевых конкреций со дна морей, а также методика определения экономической
эффективности их использования.
В заключении приводятся общие выводы и рекомендации.
Автор выражает искреннюю благодарность профессорам
СПбГГИ (ТУ) Ветюкову М.М., Маховикову Б.С., Тимофееву И.П.,
Юнгмейстеру Д.А., доцентам Бойцову Ю.П., Большунову А.В. за
консультации и помощь в работе над диссертацией.
7
ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.
Гарантированный захват и удержание железомарганцевых конкреций устройством с полостями разрежения
обеспечивается при средней линейной скорости обечайки барабана от 1 м/с до 1,5 м/с и без резкого изменения скорости добычного агрегата барабанного типа, при котором время разгона в
пределах от 0 до 1 м/с должно составлять не менее 30 секунд, а
изменения амплитуды скорости - не более 50 % от рабочего значения.
Различные компоновки комплекса для добычи железомарганцевых конкреций определяются: мощностью залегания слоя конкреций, глубиной моря и рельефом дна. Для различных комбинаций
указанных горно-геологических условий разработаны следующие
варианты компоновки добычного комплекса. Первый вариант: придонный агрегат барабанного типа с накопительным бункером, гибкая связь с надводным судном. По мере сбора конкреций необходим
периодический подъем придонного барабана на поверхность для
разгрузки. Горно-геологические условия характеризуются незначительной глубиной залегания железомарганцевых конкреций. Второй
вариант: придонный агрегат в виде барабана с бункером ограниченной вместимости, гибкая связь с надводным судном, транспортирующее устройство периодического действия (рис. 1).
Рис.1. Комплекс для ведения добычи железомарганцевых конкреций:
1 – судно обеспечения; 2 – грузонесущий кабель; 3 – придонный добычной агрегат; 4 - транспортирующая лента; 5 – ковш; 6 – промежуточный привод; 7 –
трубный став
Для этого варианта горно-геологические условия характеризуются средней глубиной добычи конкреций и средней величиной
8
интенсивности залегания конкрециеносного слоя. Третий вариант:
барабан с бункером средней вместимости или шагающий придонный агрегат, гибкая связь с надводным судном, непрерывно действующее транспортирующее устройство. Горно-геологические
условия характеризуются значительными глубинами разработки железомарганцевых конкреций, а также высокой интенсивностью залегания.
Рассмотрим способ добычи конкреций по первому варианту.
В качестве придонного добычного агрегата используется барабан
особой конструкции (рис. 2), принцип действия которого заключается в том, что скорость движения от надводного плавсредства при
помощи грузонесущего кабеля передается придонному добычному
агрегату. За счет сил трения качения происходит вращение барабана
добычного агрегата.
vî á
m2
FÑ1
Ò
v
Fÿã
Ò

b
à
Ì
Ñ
x
m1
F
Ò
Рис. 2. Схема распределения сил, действующих на придонный добычной агрегат:
Fс1 – сила трения; Fт – сила тяжести; Fтяг – сила натяжения каната; V – скорость
добычного агрегата;Vоб – линейная скорость обечайки барабана; Mт – момент силы
трения качения; m1 – масса лыжи; m2 – масса барабана;  - угол между канатом и
осью перемещения агрегата; a – радиус барабана; b – расстояние до сборника конкреций
Барабан, вращаясь, накатывается на железомарганцевые конкреции, лежащие в илу, конусообразными отверстиями эластичной
обечайки барабана.
Разрежение в зоне сектора неподвижного коллектора будет
обеспечивать захват и удержание конкреций на поверхности обечайки конусообразными отверстиями. При этом достигается пер9
вичное обогащение конкреций, то есть исключается захват и транспортирование пустой вмещающей породы.
Дальнейшее вращение барабана приводит к тому, что конкреции, удерживаемые разрежением на поверхности обечайки, достигают верхнего края сектора коллектора, где заканчивается зона разрежения. Под действием силы тяжести конкреции разгружаются в
бункер добычного агрегата, после заполнения которого, при помощи
транспортирующего агрегата, доставляются на надводное плавсредство.
Производительность добычного агрегата вычисляется по формуле:
Q  2    a  L  N  m  n  f (v), кг / с ,
(1)
где a – радиус барабана, м; L - ширина барабана, м; N – количество
конических отверстий на 1м2 поверхности обечайки барабана, m –
средняя масса конкреций, кг; n- частота вращения барабана, с-1;
f(v) = p – вероятность захвата конкреций обечайкой барабана. Анализ экспериментальных исследований по захвату конкреций показал, что вероятность захвата обратно пропорциональна скорости
движения придонного добычного агрегата по дну и как следствие
График зависимости
вероятности
захвата
угловой скорости вращения
барабана.
Зависимость
f(v) = p предконкреций от скорости движения агрегата
ставлена на рис. 3.
Вероятность захвата Р
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Скорость движения V, м/с
Рис. 3. График зависимости вероятности захвата железомарганцевых конкреций от
скорости движения придонного добычного агрегата
На основе не линейной зависимости на рис. 3 и уравнения (1)
был построен график зависимости производительности придонного
добычного агрегата от скорости его движения Q = f(V) с учетом
снижения вероятности захвата железомарганцевых конкреций
10
График зависимости производительности от скорости
движения добычного агрегата
(рис. 4).
Производительность Q, кг/с
35
30
25
20
15
10
5
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Скорость движения V, м/с
Рис.4. График зависимости производительности добычного агрегата от скорости
его перемещения с учетом падения вероятности захвата ЖМК
Увеличение скорости движения добычного агрегата от 0 до
1,5 м/с связано с плавным увеличением производительности, в этот
период снижение вероятности захвата компенсируется увеличением
площади отработки поля залежей железомарганцевых конкреций.
При дальнейшем увеличении скорости движения добычного агрегата происходит падение производительности из-за снижения вероятности захвата железомарганцевых конкреций.
Анализируя график на рис. 4 можно установить рациональные
параметры движения придонного добычного агрегата. Максимальная производительность обеспечивается при скорости движения добычного агрегата равной 1,5 м/с. Обеспечение постоянной скорости
движения добычного агрегата в условиях подводной добычи связано
с рядом сложностей, поэтому возможны изменения скорости в диапазоне от 1 до 1,7 м/с. Однако, при работе со скоростью более
1,5 м/с, кроме снижения производительности, будет происходить
увеличение лобового сопротивления движению добычного агрегата.
Это неизбежно приведет к увеличению натяжения тягового каната и
повышенным нагрузкам на добычной агрегат, что может привести к
повреждениям или отказам. Следовательно, рациональной скоростью движения добычного агрегата является диапазон от 1 до
1,5 м/с, при этом производительность для рассмотренных условий
будет составлять 28 - 32 кг/с железомарганцевых конкреций.
Движение придонного добычного агрегата описывается урав пр  Q x ,
нением динамики системы с переменной массой: mпр v  vm
11
где mпр  2m1  m2 
JC
- приведенная масса системы (JC – моa2
мент инерции барабана; m2 – масса барабана с грузом является переменной). Приведенная масса равна сумме начальной приведенной
массы mпр.0 (бункер придонного добычного агрегата пуст) и произведению коэффициента увеличения массы агрегата на его перемещение x: mпр = mпр.0 + x.
M
Обобщенная сила Qx равна Qx  Fтяг cos   FC1  Т , где  a
угол между вектором силы тяги каната Fтяг и вектором скорости v .
Следовательно, можно выразить уравнение динамики придонного
агрегата:
mпр
M
dv
 v 2  Fтяг cos   Fс1  T
dt
a
Возможны два варианта поведения системы.
Первый вариант: нормальная сила реакции опоры катящегося
барабана массой m2g (см. рис.2) значительно больше силы реакции
опорных лыж 2  m1 g . В результате проведения ряда арифметических преобразований получаем уравнение второго порядка для перемещения:
mпр x   x   xc  gf   cVt ,
(2)
где mпр – приведенная масса;  - коэффициент увеличения массы
m
агрегата,  
, где m – масса захваченного груза за один обо2 a
2
рот барабана, а – радиус барабана; с – жесткость каната; f / - коэффициент сопротивления движению; V – скорость перемещения каната, связанного с судном обеспечения; t – время.
Для второго варианта, когда нормальная сила реакции опорных лыж значительно больше силы реакции барабана, в уравнении
(2) коэффициент f / заменяется на коэффициент трения скольжения f.
В результате решения уравнения (2), при помощи пакета программ MatLab, были получены графики движения придонного агрегата (рис.5).
12
Скорость перемещения (м/с)
Скорость (м/с)
а)
б)
Скорость (м/с)
в)
Перемещение (м)
Скорость перемещения (м/с)
Время перемещения (с)
г)
Время перемещения (с)
Перемещение (м)
Рис. 5. Результат расчета программы для решения уравнения движения придонного
агрегата:
а) и в) - графики увеличения скорости движения судна; б) и г) - графики зависимости скорости придонного агрегата от времени
При резком увеличении скорости движения надводного судна
обеспечения (рис. 5,а), от 0 до 1 м/с в течение 4 секунд или менее,
наблюдаются минимальное время разгона и возникновение высокоамплитудных колебаний скорости движения придонного добычного
агрегата (рис. 5,б) в это время. Если увеличение скорости движения
надводного судна обеспечения от 0 до 1 м/с происходит за время
более 30 секунд (рис. 5,в), то увеличивается время разгона добычного агрегата и колебания скорости движения в это время несущественны (рис. 5,г).
Эффективный захват и удержание железомарганцевых конкреций устройством с полостями разрежения происходит при условии, когда средняя линейная скорость обечайки барабана находится
в диапазоне от 1 м/с до 1,5 м/с, а время увеличения скорости движения добычного агрегата от 0 до 1 м/с составляет более 30 секунд.
13
2.
Экспериментально установлено, что устойчивое удержание захваченных конкреций при движении придонного добычного агрегата барабанного типа с камерами разрежения происходит при максимальном использовании суммарной поверхности рабочего сектора захватывающего устройства и при значении коэффициента перетекания от 0 до 0,55, и при этом суммарная площадь свободного пространства между приемным отверстием камеры и конкрецией не должна превышать 25% площади всасывающего отверстия камеры.
Для подтверждения работоспособности основных узлов комплекса (промежуточный привод и придонный добычной агрегат) и
как следствие всего добычного комплекса в целом, разработан и собран экспериментальный стенд (рис.6) по исследованию захватывающих устройств с полостями разрежения.
В опытах в качестве исследуемых образцов использовалась
гладкая конвейерная лента, лента с изрезанной поверхностью и керамзит, как имитация железомарганцевых конкреций. В соответствии с методикой испытаний были проведены серии опытов. Установлено два режима протекания процесса захвата и удержания железомарганцевых конкреций и транспортирующей ленты к камере
разрежения - захватывающего устройства.
Первый вариант (рис.7,а и
рис.7,б) - с плотным контактом исследуемого объекта и
захватывающего устройства,
при этом исключаются любые перетекания жидкости в
систему из внешней среды.
Второй вариант (рис. 7,в и
рис. 7,г) - с не плотным контактом исследуемого объекРис. 6. Общий вид лабораторного стенда
та
и
захватывающего
устройства. В этом случае происходят постоянные перетекания воды
в систему из внешней среды. Экспериментальные исследования показали, что захватывающее устройство стабильно удерживает исследуемые образцы при реализации любого из двух возможных режимов протекания процесса.
14
1
2
1
2
3
а)
3
4
в)
4
г)
б)
Рис. 7. Процессы удержания исследуемых образцов:
а) и б) – плотный контакт; в) и г) – неплотный контакт
Измерения переменных величин проводились: манометром
измерялось наружное давление Pнар, датчик которого был установлен на дне емкости с водой; вакуумметром измерялось давление в
камере разряжения Ркам, датчик которого располагался в отверстии
всасывающего трубопровода; динамометром измерялось усилие
прижатия F исследуемого образца к камере разрежения.
Исследуемый образец жестко закреплялся на дне емкости и
при помощи винтовой пары создавалось вертикальное усилие и
фиксировалось значение динамометра на момент отрыва образца от
захвата; расход жидкости Q измерялся при помощи расходомера,
установленного в выходном трубопроводе.
В процессе исследования было установлено, что одним из
важнейших показателей работы захватывающего устройства с полостями разрежения является коэффициент перетекания Kпер. Коэффициент перетекания это отношение расхода в дросселе к производиQ
тельности насоса К ПЕР  Д . Дросселем в данном случае является
QН
суммарная площадь свободного пространства между приемным отверстием камеры и конкрециями. Коэффициент перетекания изменяется в пределах от 0 до 1. Чем ближе коэффициент перетекания к
единице, тем выше вероятность отказа захватывающего устройства.
15
Коэффициент перетекания зависит от производительности насоса,
эластичности устройства захвата и от формы конкреций. На рис. 8
представлен график зависимости коэффициента перетекания от производительности насоса при различных сечениях всасывающего
трубопровода устройства захвата (различных сечениях дросселя).
Рис. 8. График зависимости коэффициента перетекания Кпер от производительности насоса Q при различных сечениях всасывающего трубопровода
Как видно из графика (рис. 8), при значении коэффициента
перетекания в диапазоне от 0 до 0,55 и суммарной площади сечения
микро каналов, в качестве которых могут выступать порезы поверхностей объекта и камеры или щели между этими поверхностями при
попадании между ними стороннего объекта, не превышающей 25%
от площади сечения всасывающего трубопровода, наблюдается незначительное снижение коэффициента перетекания при увеличении
производительности насоса, что свидетельствует о стабильной работе устройства захвата в этом режиме и, как следствие, стабильном
удержании конкреций.
Результаты опыта доказываются еще на одном примере, в
котором в качестве исследуемого образца использовалась конвейерная лента с изрезанной поверхностью (моделирование процесса захвата транспортирующей ленты промежуточным приводом, см.
рис.1). Результат исследования представлен графиком зависимости
коэффициента перетекания от производительности насоса (рис. 9),
при этом коэффициент перетекания, равный 0,25, так же практически не зависит от производительности, что не противоречит графику
на рис. 8.
16
Зависимость коэффициента перетекания
от производительности
насоса отражена на
графике (рис. 10) при
различном
значении
процентного использоРис. 9. График зависимости коэффициента перетевания рабочего прокания от производительности насоса при удержастранства захватывании ленты с изрезанной поверхностью
ющего устройства. Из
графиков видно, что снижение коэффициента перетекания при увеличении производительности насоса и 100% использовании рабочего пространства устройства захвата происходит с большей интенсивностью, чем в других случаях, что обеспечивает более устойчивый захват при одинаковом значении производительности. Кроме
того, критическое значение производительности насоса, при котором происходит отрыв конкреций от устройства захвата, в случае
100% использования рабочего пространства имеет минимальное
значение.
Рис.10. Зависимость коэффициента перетекания от производительности насоса при
различном значении процентного использования рабочего пространства захватывающего устройства
Эффективная работоспособность захватывающего устройства с полостями разрежения обеспечивается при значении коэффициента перетекания Кпер в диапазоне от 0 до 0,55, при суммарной
площади свободного пространства между приемным отверстием ка17
меры и конкрецией не превышающего 25% площади всасывающего
отверстия камеры и при максимальном использовании рабочего
пространства устройства захвата.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации, представляющей собой законченную научную работу, в которой на базе выполненных автором теоретических
и экспериментальных исследований содержится новое решение актуальной научной задачи, заключающейся в выборе и обосновании
рациональных параметров исполнительного органа агрегата добычи
конкреций на основе использования устройств с полостями разрежения для разработки месторождений железомарганцевых конкреций, реализация которой будет способствовать повышению эффективности агрегатов для подводной добычи и возможности проведения предварительного обогащения на добычном агрегате.
1. Разработана математическая модель движения придонного
добычного агрегата барабанного типа с переменной массой.
2. Получено решение дифференциального уравнения для варианта транспортирования добычного агрегата тяговым канатом
судна обеспечения, позволяющее определить предельные параметры
переходных процессов и доказано, что время разгона придонного
добычного агрегата от 0 до 1 м/с должно быть не менее 30 секунд, в
противном случае возникающие колебания скорости движения агрегата могут привести к повышению вероятности его отказов.
3. Экспериментально установлена возможность эффективного захвата и удержания ЖМК сферической формы. Определены вероятностные характеристики эффективности захвата определенного
количества ЖМК и построен график зависимости вероятности захвата от скорости перемещения придонного добычного агрегата.
4. Экспериментально установлено, что наиболее благоприятный режим работы добычного агрегата это удержание захваченных конкреций без перетекания. Если же удержание будет происходить с постоянными перетеканиями, то для нормальной работы
устройства захвата на основе камеры разрежения необходимо условие, при котором сумма площадей отверстий перетеканий не должна
превышать 25% от площади сечения всасывающего трубопровода.
5. Эффективная удержание конкреций захватывающим
устройством с полостями разрежения происходит при значении ко18
эффициента перетекания Кпер в диапазоне от 0 до 0,55 и при максимальном использовании рабочего пространства устройства захвата.
6. Разработан новый способ ведения добычи железомарганцевых конкреций со дна морей при помощи камеры с полостями
разрежения и конструкция добычного комплекса для его реализации. Новый способ добычи обеспечивает повышение экологической
безопасности в зоне работы.
7. Использование конструкции добычного комплекса с обоснованными параметрами приняты к внедрению в ООО «Петротранс».
Ожидаемый
экономический
эффект
составляет
1 млн. руб./год.
8. Разработанные идеи, запатентованная конструкция и
устройство получили награды на выставках в городах СанктПетербург (2007-2008), Москва (2007), Севастополь (2006), Брюссель (2007), Женева (2007), Париж (2008), Сеул (2008), что говорит о
перспективности создания такой глубоководной техники.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Смирнов Д.В. Придонное устройство добычи железомарганцевых конкреций со дна мирового океана и расчет его основных
параметров // Записки горного института, 2006, Т 167(2), - С. 133136.
2. Юнгмейстер Д.А. Привод транспортного органа агрегата
для добычи железомарганцевых конкреций / Д.А. Юнгмейстер,
Д.В.Смирнов // Записки горного института, 2005, Т 167(2), - С. 99101.
3. Юнгмейстер Д.А. Расчет параметров исполнительного органа агрегата для добычи конкреций морского дна / Д.А. Юнгмейстер, А.В. Большунов, Д.В. Смирнов // Горный информационноаналитический бюллетень, 2006, №5, - С. 89-94.
4. Смирнов Д.В. Исследование и выбор параметров исполнительных органов агрегата для добычи железомарганцевых конкреций // Двенадцатая Санкт-Петербургская ассамблея молодых ученых
и специалистов. 2007 г., Санкт-Петербург, с. 183.
5. Смирнов Д.В. Придонное устройство разработки морских
19
залежей железомарганцевых конкреций // Освоение минеральных
ресурсов севера: проблемы и решения. Труды 5-й межрегиональной
научно-практической конференции, 2007, Воркута: «ВГУ», С. 59-61.
6. Комплекс для разработки полезных ископаемых шельфовой зоны мирового океана. Пат. РФ № 2301338 / Д.А. Юнгмейстер,
Б.С. Маховиков, Д.В. Смирнов, А.Я. Бурак // МПК E21C50/00
(2006.01), дата публикации 2007.06.20.
7. Юнгмейстер Д.А. Лабораторные исследования добычного
исполнительного органа агрегата сбора железомарганцевых конкреций / Д.А. Юнгмейстер, А.В. Большунов, Д.В. Смирнов // Записки
горного института, 2008, Т 178, - С. 198-200.
8. Юнгмейстер Д.А. Комплекс для ведения добычи железомарганцевых конкреций со дна моря / Д.А. Юнгмейстер,
Д.В.Смирнов // Горное оборудование и электромеханика, 2008, №1,
- С. 49-50.
9. Юнгмейстер Д.А., Ветюков М.М., Платовских М.Ю.,
Смирнов Д.В. Расчет параметров и экспериментальные исследования исполнительных органов придонного агрегата для сбора железомарганцевых конкреций / Д.А. Юнгмейстер, М.М. Ветюков, М.Ю.
Платовских, Д.В. Смирнов // Горное оборудование и электромеханика, 2008, №11, - С. 53-56.
20