Автор: Гуляев В.Г, Китаева, С.А
Источник: Наукові праці Донецького національного технічного університету. Випуск 22(195),серія гірничо-електромеханічна, 2011 р.
Гуляев В.Г, Китаева, С.А Способы повышения технического уровня насосных станций для механизированных крепей очистных комплексовя На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований вибрации при функционировании насосных станций установлено причины их повышенной виброактивности, обоснованно способы и средства достижения безопасных уровней их виброакустических характеристик.
В современных условиях проблема энергоснабжения Украины может решаться на основе эффективной разработки собственных запасов угля путем резкого снижения себестоимости его добычи. Поэтому важной научно-технической проблемой горного машиностроения является создание для угольной отрасли очистных механизированных комплексов высокого технического уровня, обеспечивающих эффективную отработку угольных пластов на основе значительного повышения эксплуатационной надежности и безопасности оборудования, а также снижения эксплуатационных затрат.
В работе [1] впервые выполнены анализ и систематизация источников вибрации в составе современных высоконапорных насосных агрегатов (ВНА), а также рассмотрены возможные пути снижения их виброактивности. В исследованиях [2, 3] установлены крутильные колебания резонансного характера в приводах ВНА насосных станций СНТ 32 и СНТ40, показана необходимость учета динамических свойств электропривода ВНА, при определении амплитуд крутильных колебаний, неравномерности угловой скорости приводных двигателей и характеристик динамичности при силовом и кинематическом возбуждении в системе.
В работе [4] рассмотрены, вопросы влияния динамических свойств ВНА и вибрационных процессов на безопасность, надежность и ресурс насосных агрегатов СНТ и СНД. В работе [5] установлены закономерностей формирования вибрационных спектров ВНА при совместном действии инерционных и полезных (технологических) нагрузок с учетом динамических свойств нагнетательных клапанов.
Задачами данной работы являются обоснования способов и средств радикального снижения уровней вибрации и шума, генерируемых ВНА, с целью повышения технического уровня насосных станций очистных комплексов и обеспечения безопасных условий труда.
По данным Минуглепрома Украины по состоянию на 30.06.2011 г. на шахтах, отрабатывающих полого-наклонные пласты, находилось в эксплуатации 157 очистных комплексов, которыми за 6 месяцев добыто свыше 40 млн. т. угля.
Базой современных очистных комплексов являются, как известно, щитовые механизированные крепи, агрегатированные с конвейером и системы их гидропривода с насосными станциями (НС).
Объективная необходимость повышения эксплуатационных качеств механизированных крепей (МК) обусловила мировые тенденции создания энергонасыщенных НС с высокими значениями рабочих параметров давления (до 40 МПа) и расхода рабочей жидкости (до 200 л/мин), обеспечиваемых одним насосным агрегатом с электродвигателем мощностью от 60 до 230 кВт. Эти тенденции нашли отражение в современных НС типа СНТ и СНД конструкции ГП «Донгипроуглемаш», типа СНЛ и СНЕ совместного производства ОАО «Людиновский агрегатный завод» (РФ) и фирмы «Хаухинко» (Германия), а также других зарубежных фирм [6].
В большинстве отечественных и зарубежных типов НС нашли применение ВНА, структура которых основана на использовании нерегулируемых асинхронных двигателей с nc= 1500 об/мин, понижающей зубчатой передачи с передаточным числом U = 2?2,5 на главный приводной вал насоса и кривошипно-шатунных механизмов, сообщающих возвратно-поступательное движение ползунам толкателям и плунжерам. Силовые трех- (пяти-) плунжерные насосы выполнены с клапанным распределением рабочей жидкости, регулирование подачи осуществляется дискретным способом по давлению в напорной магистрали.
Проектные значения показателей надежности НС типа СНД согласно техническим условиям: средняя наработка на отказ 80…100 ч, средний ресурс до капитального ремонта 10…15 тыс. ч, уровень звукового давления 110 дБА. Режимы работы НС очень напряженные: до 20?24 ч/сутки с числом включений до 1687 раз [7]. Опытом эксплуатации НС типа СНД 100/32,СНД 150/40 (с одним ВНА) и исполнений СНД 200/32, СНД 300/40 (с двумя ВНА) установлено, что фактические показатели среднего ресурса значительно ниже проектных. Имеют место опасные отказы: разрушения корпусов гидроблоков насоса и силовых деталей в приводе с кривошипно-шатунными механизмами, разрушение заделок на трубопроводах с выбросом струи рабочей жидкости (РЖ) под высоким давлением, травмирования струями высокого давления операторов НС и рабочих очистных забоев. Высоки эксплуатационные затраты. Так, по данным ПАО ШУ «Покровское» для девяти добычных участков за 8 месяцев (январь-август 2010 г.) на замену силовых агрегатов и подпиточных баков НС СНЛ(10 ед.) и СНТ (11 ед.) затрачено свыше 800 тыс. грн.
Одной из основных причин отмеченных недостатков являются высокие уровни вибрации и шума, генерируемые ВНА указанных НС. Доля мощности приводов указанных НС, преобразуемая в вибрацию и шум (звуковая мощность) составляет от 5 до 8 кВт, а акустический КПД от 5,3?10-2 до 9,1?10-2. Эти значения КПД на 7 порядков отстают от требований к малошумным машинам, для которых мощность излучаемая в виде воздушного шума и вибраций не должна превышать 10-10…10-9 части номинальной мощности привода [8]. Высокий уровень их виброакустических характеристик (ВАХ) существенно снижает надежность и безопасность функционирования ВНА, НС и системы гидропривода МК в целом.
Таким образом, исследование динамики рабочих процессов НС, с целью установления основных источников и закономерностей формирования вибрации и шума, является актуальной научной задачей. Ее решение позволяет обосновать эффективные способы и средства радикального улучшения виброакустических характеристик НС и на этой основе повысить их технический уровень и, прежде всего, надежность и безопасность эксплуатации МК очистных комплексов.
В соответствии с поставленными в работе задачами были выполнены:
- анализ и систематизация источников вибрации в составе ВНА с учетом различия их физической природы [1];
- разработки и обоснования динамических и математических моделей ВНА для исследования вибрационных процессов [9, 10].
- теоретические [2,3,10] и экспериментальные [12] исследования, формируемых спектров вибраций с учетом динамических свойств ВНА, особенностей их структуры и параметров приводных двигателей, а также способа регулирования подачи;
- разработки и обоснования способов и средств радикального повышения технического уровня современных насосных станций [11, 13,14,15].
На основе выполненных исследований получены следующие результаты.
1) Выявлены закономерности формирования ВАХ ВНА и установлено, что основными и постоянно действующими факторами, возбуждающими вибрации и шум при работе насосных агрегатов с традиционной структурой и параметрами являются:
- инерционные силы и моменты, формируемые в приводе с кривошипно-шатунными механизмами (КШМ), вследствие органически присущих этим механизмам свойствам внутренней и внешней виброактивности;
- полезные (технологические) нагрузки и обусловленные ими гидродинамические процессы (высокие пульсации давления) в силовом плунжерном насосе и динамические нагрузки при механических колебаниях в клапанных распределителях рабочей жидкости;
- динамические нагрузки в приводе с зубчатой передачей (перекладка зазоров в зацеплении), вызываемые переходными процессами при дискретном способе регулирования подачи насоса по давлению в напорном трубопроводе;
- динамические нагрузки в электроприводе, обусловленные взаимодействием электромагнитных полей статора и ротора, центробежные силы от остаточной динамической неуравновешенности вращающихся масс ротора и муфты.
2) Установлено, что динамические свойства рассматриваемых насосных агрегатов не оптимальны, так как под действием силовых и кинематических возмущений в приводе силового насоса формируются резонансные явления и высокой интенсивности вибрации и шум, что снижает надежность и безопасность функционирования НС.
3) Впервые установлено, что, при использовании для ВНА НС типа СНТ и СНД электродвигателей мощностью 60?120 кВт с синхронной частотой вращения nc = 1500 об/мин, в приводе агрегата формируются под действием силовых и кинематических возмущений крутильные колебания резонансного характера; крутильные колебания ротора двигателя, зубчатых колес и эксцентрикового вала усиливают вибрации звеньев КШМ и продольные вибрации ползунов толкателей плунжеров.
4) Установленные экспериментально в эксплуатационных условиях значения виброскорости на агрегатах НС типа СНТ 32 (до 27 мм/с), подтверждают полученные расчетом значения акустического КПД и звуковой мощности (5…8 кВт). Они характеризуют техническое состояние исследуемых ВНА как неудовлетворительное, что свидетельствуют о необходимости совершенствования систем диагностики НС в целях повышения их технического уровня ( надежности и безопасности эксплуатации).
5) Впервые установлены теоретически и подтверждены экспериментальными исследованиями параметры амплитудно-частотных спектров полигармонических вибраций ВНА НС типа СНТ и СНД; максимальные значения виброскорости двигателя и гидроблоков на соса зарегистрированы на резонансной частоте 10 Гц (от 14 до 27 мм/с), высокие значения виброскорости установлены также на частотах 20; 31,5; 40; 50 и 60 Гц, спектр виброскорости и виброперемещений – дискретный, спектр виброускорений – смешанный [12].
Современные энергонасыщенные НС с ВНА традиционной структуры являются потенциально опасными объектами, так как генерируемые ими высокие уровни вибрации и шума снижают эксплуатационную надежность и безопасность системы гидропривода механизированной крепи очистного комплекса.
Радикальным способом повышения технического уровня НС, на основе устранения причин их повышенной виброактивности, является оптимизация структуры ВНА и параметров его привода.
Это может быть достигнуто путем реализации следующих технических решений:
а) применением для привода силового насоса с заданными значениями рабочего давления и подачи асинхронных электродвигателей необходимой мощности с nc= 600 или 750 об/мин с повышенным моментом инерции ротора; при этом устраняется возможность формирования резонансных явлений в приводе агрегата и исключается из его состава зубчатая передача – активный источник вибрации и шума;
б) применением в клапанном распределителе малоинерционных нагнетательных клапанов, что позволит снизить высокие забросы давления в гидроблоках при открытии напорных клапанов и шум при их закрывании;
в) заменой дискретного способа регулирования подачи насоса на плавный, например, с частотно-регулируемым асинхронным двигателем, что позволит устранить вибрацию и шум, формируемые при переходных процессах в системе, обусловленных частым чередованием режимов «нагрузка-разгрузка» силового насоса.
Реализация предложенных рекомендаций позволит снизить корректированный уровень звукового давления не менее, чем на 20 дБА, тем самым повысятся эксплуатационные надежность и безопасность НС и всей системы гидропривода механизированных крепей очистных комплексов.
1. Анохина С.А., Гуляев В.Г. Анализ и систематизация источников вибрации высоконапорных насосных агрегатов и некоторые пути снижения их виброактивности. // «Механика жидкости и газа»/ Материалы VI Международной научно-технической конференции. – Донецк: ДонНТУ, 2007. – С. 5-11.
2. Гуляев В.Г., Гуляев К.В., Анохина С.А. Крутильные колебания в электромеханическом приводе насосного агрегата и некоторые способы их устранения // Вісті Донецького гірничого інституту: Всеукраїнський науково-технічний журнал гірничого профілю. Донецьк, ДВНЗ „ДонНТУ”, 2008. – № 1. – С. 34-43.
3. Гуляев В.Г., Анохина С.А. Влияние характеристик электродвигателей на крутильные колебания и виброактивность привода насосных агрегатов для механизированных крепей //Наукові праці ДонНТУ. Випуск 16(142). Серія: ”Гірничо-електромеханічна”. Донецьк – 2008. – С.84-96.
4. Гуляев В.Г., Китаева С. А. Динамические свойства насосных агрегатов и их влияние на надежность гидропривода механизированных крепей // Вісті Донецького гірничого інституту: Всеукраїнський науково-технічний журнал гірничого профілю. Донецьк, ДВНЗ „ДонНТУ”, 2010. – № 1 – С. 210-218.
5. Гуляев В.Г., Китаева С.А. Причины повышенной виброактивности насосных станций для механизированных крепей и некоторые пути их устранения // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Випуск 18(172), серія гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2010. – С. 53-68.
6. Гуляев В.Г., Бойко Н.Г. Требования к гидроэнергетическим установкам для механизированных крепей нового технического уровня //Известия Донецкого горного института: Всеукраинский научно-технический журнал горного профиля.- Донецк, ДонГТУ, 2000, №2- С.47-51.Серія: Гірничо-електромеханічна. 2011. Випуск 22(195) 72
7. Аппаратура управления режимами работы насосных станций типа СНД для механизированных крепей / В.В.Косарев, Н.И.Стадник, Ю.И.Варшавский и др. Сб.научных трудов ГП «Донгипроуглемаш», Донецк, Астро, 2008. – С.493-507.
8. Артоболевкский И.И., Бобровницкий Ю.И., Генкин М.Д. Введение в акустическую динамику машин // М.: Наука, 1976 – 296 с.
9. Гуляев В.Г., Гуляев К.В., Анохина С.А. Динамические модели для исследования виброактивности насосных агрегатов в системах гидропривода механизированных крепей // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Випуск 14(127), серія гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2007. – С.81-92.
10. Гуляев В.Г., Анохина С.А. Математические модели для исследования вибраций насосных агрегатов с кривошипно-ползунными механизмами в приводе// Вісті Донецького гірничого інституту: Всеукраїнський науково-технічний журнал гірничого профілю. Донецьк, ДВНЗ „ДонНТУ”, 2008. – № 2 – С. 56-63.
11. Китаева С.А., Гуляев В.Г. Теория виброактивности насосных агрегатов с кривошипно-шатунными механизмами в приводе силового насоса // Збірник наукових праць. Вісник Криворізького технічного інституту. Випуск 23. – Кривий Ріг, 2009. – С. 105-109.
12. Гуляев В.Г., Яценко В.А., Анохина С.А. Экспериментальный метод определения вибрационных параметров высоконапорных насосных агрегатов для механизированных крепей // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Випуск 16(142), серія гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2008. – С. 97-105.