Аннотация
Рассмотрены направления совершенствования энергонасыщенных высоконапорных насосных установок для систем гидропривода механизированных крепей. Предложены методы повышения их технического уровня на стадии проектирования.
Четко выраженная тенденция усложнения горно-геологических условий применения очистных угледобывающих комплексов обусло- вила значительное повышение требований к рабочим параметрам и эксплуатационным характеристикам механизированной крепи и ее гидроэнергетической установки (ГЭУ). Это, в первую очередь, отно- сится к показателям безопасности и надежности гидрофицирован- ной механизированной крепи и ее ГЭУ. Энерговооруженность совре- менных отечественных и зарубежных ГЭУ возросла до 300 кВт и выше, а рабочие значения давления до 40-50 МПа, подачи рабочей жидкости до 300-400 л/мин. Это обстоятельство объясняет и повыше- ние виброакустических параметров ГЭУ, так для ГЭУ СНД 300/40 техническими условиями установлен уровень звука 110дБА, что пре- вышает санитарную нормаму шума 80дБА. Важным требованием к ГЭУ для механизированных крепей яв- ляется ее готовность в каждый момент времени обеспечивать выпол- нение любой операции технологического цикла работы комплекса. Режимы работы ГЭУ в лавах с высокой нагрузкой довольно напря- женные: в течение суток высоконапорные насосные агрегаты (ВНА) включены 22-24 часа, от 50% до 70% этого времени они работают в режиме номинальной нагрузки, то есть обеспечивают в гидросистеме крепи номинальные значения давления и расхода рабочей жидкости. Как позывает опыт эксплуатации современных ГЭУ с ВНА тра- диционной структуры, их функционирование сопровождается гене- 34 рированием высоких уровней вибрации и шума, превышающих до- пустимые санитарные нормы (80 дБА). При этом значительно снижа- ется безопасность эксплуатации ВНА и его надежность, оказывается отрицательное воздействие на человека-оператора, снижаются его функциональные возможности и создаются предпосылки для оши- бочных действий, аварийности и травматизма[1, 2]. Поэтому достижение безопасных виброакустических характери- стик ВНА является актуальной, сложной и наукоемкой задачей. Ее решение позволит не только повысить безопасность и надежность эксплуатации ВНА, но и всего оборудования очистного механизиро- ванного комплекса, а также – обеспечит здоровые условия труда об- служивающего персонала. Характерными направлениями повышения технического уровня современных ГЭУ и ВНА являются совершенствования их структу- ры, параметров и конструкций на основе высокотехнологичных ин- женерных решений и новых подходов. Так, например: - изменена структура ВНА: от одного двигателя приводятся три насоса: силовой пятиплунжерный, шестеренный для принудительной смазки агрегата и подпиточный центробежный [3, 4, 5]; - применение в составе ВНА 5-ти плунжерных насосов с рядным расположением цилиндров с клапанным распределением рабочей жидкости и электромеханического привода с одноступенчатой зубча- той передачей на коленчатый вал и кривошипно-шатунные механиз- мы (КШМ) [6, 7]; - многовариантность исполнений 5-ти плунжерных силовых на- сосов фирмы RMI (Великобритания) и трех-пятиплунжерных насосов фирмы «Hauhinko» (Германия), путем варьирования значениями пе- редаточного числа зубчатой передачи, диаметра и соотношением «давление-подача», при неизменных конструктивных параметрах «количество и ход поршней», что позволяет получать различные зна- чения подач и давления нагнетания на одном агрегате [6, 7, 8]; - отказ от дискретного способа регулирования подачи рабочей жидкости (РЖ) в гидросистему механизированных крепей в пользу плавного управления подачей и давлением от насоса, что обеспечива- ет энергосберегающие режимы работы при плавном регулирование подачи в диапазоне от 30% до 100% [7]; - применение интеллектуальных систем управления, позволяю- щих автоматически адаптировать режим работы ВНА к оперативным условиям функционирования оборудования очистного комплекса [8]; 35 - применение отдельных модулей для приготовления и фильтра- ции РЖ, контроля ее качества и температуры [9]; - оснащение ВНА встроенной системой фильтрации РЖ замкну- тых гидросистем [9]; - разработка и применение фильтрационных установок в напор- ной магистрали с автоматической промывкой, обеспечивающих тон- кость фильтрации до 20 мкм и повышение надежности управляющей гидроаппаратуры не менее, чем в 2 раза [10]. Приведенные выше подходы применяются в современных ВНА на базе насосов: типа RMI (Великобритания), типа ЕНР фирмы «Hauhinko » (Германия), типа СНД ГП «Донгипроуглемаш» (Украина), типа R130,R180,R250 фирмы «HIDROWATT» (Швейцария). Насосные установки фирмы «HIDROWATT» (Швейцария) ком- плектуются высокоскоростными радиально-поршневыми насосами типа R130,R180,R250 с эксцентриковым прямым приводом от элек- тродвигателей с частотой вращения nc=1500 об/мин. Герметично- уплотненные цилиндро-поршневые блоки с гидродинамической, ре- генерирующейся, тонкослоевой смазкой обеспечивают высокую ско- рость движения поршней, отсутствие утечек и высокий КПД.
ГЭУ типа СНД300/40-05 и СНД400/32-05 снабжены системой высоконапорной фильтрации повышенной грязеемкости и надежно- сти и аппаратурой управления, контроля и диагностики АУСН. Ап- паратура АУСН обеспечивает управление режимами работы, защиту от перегрева электродвигателей и масла в картерах агрегатов, блоки- ровку станции при снижении давлении подпитки ниже 0,3 МПа, при снижении уровня эмульсии в баке и при обрыве линии дистанцион- ного управления[3]. Как следует из руководства по эксплуатации [11], виброакусти- ческие характеристики ВНА «HIDROWAT» и других зарубежных фирм, а также насосных стаций СНД не полностью отвечают совре- менным требованиям. По данным ИТЦ «Горные машины», в первой половине 2011 г. зарегистрировано более 20 случаев выхода из строя современных НС после наработки в течение 3-6 месяцев. Основной причиной этого являются высокие уровни вибрации и шума, генери- руемые ВНА НС [1, 2]. Так, при работе ВНА типа СНД150/40 в номинальном режиме (подача Q = 150 л/мин, давление Р= 40 МПа), амплитудный и частот- ный спектры вибраций дополняются резонансными крутильными ко- лебаниями, вследствие гидродинамического (силового) воздействия на привод силового воздействия Мссн (t) от полезной технологической нагрузки и кинематических возмущений от инерционной нагрузки в КШМ. Результаты исследований [4] динамических свойств и вибраци- онных процессов 5-ти плунжерных ВНА СНД150/40 качественно совпадают с аналогичными характеристиками 3-х плунжерных ВНА, комплектуемых асинхронными двигателями мощностью 55 кВт с частотой вращения nc =1500 об/мин. Следовательно, в приводе совре- менных ВНА типа СНД150/40 могут формираваться опасные резо- нансные крутильные колебания, которые являются причинами высо- ких уровней вибрации и шума, снижающих эксплуатационную на- дежность агрегата и его приводного двигателя, и оказывающих отри- 37 цательное воздействие на обслуживающий персонал, повышающих опасность травматизма. Кинематические и динамические характеристики КШМ в при- воде ВНА также оказывают существенное влияние на уровень не- уравновешенных вибрационных нагрузок и их частотный спектр. С повышением скоростей и ускорений движения вращающихся и воз- вратно-поступательно перемещающихся масс кривошипно-шатунных механизмов (КШМ) возрастают уровни крутильных и линейных виб- раций. Поэтому в приводе силовых насосов целесообразно применять относительно тихоходные КШМ (в насосах «Hammelman», например, средние скорости поршней составляют (0,63 – 1,39) м/с [12]. Увели- чение параметра l = r/l (отношение длины кривошипа r к длине шату- на l) обусловливает необходимость учета большего числа вибрацион- ных гармоник при расчетах динамических нагрузок ВНА.
Проведенные испытания НС типа СНД300/40 на испытательной площадке машиностроительного завода, подтвердили высокие уров- ни шума, табл. 1. Таблица 1. Результаты определения шумовой характеристики СНД300/40
Из табл. 1 следует, что современная НС типа СНД300/40 работа- ет при высоких уровнях шума, следовательно, и уровни вибрации их ВНА так же повышенные.
Выводы и направление дальнейших исследований. 1. Опыт эксплуатации показал, что показатели надежности и безопасности современных ГЭУ не соответствуют требованиям нор- мативно-технической документации. Это обстоятельство определяет актуальность научно-технических задач, направленных на системные исследования динамических свойств современных ВНА и установле- ние закономерностей формирования ими виброакустических процес- 38 сов, с целью обоснования эффективных способов и средств снижени- ея вибрации и шума до безопасных уровней и обеспечения тем самым надежности эксплуатации ГЭУ в целом. 2. Для создания безопасных и надежных ВНА для систем гидро- привода механизированных крепей очистных комплексов необходи- мо на стадии проектирования проводить исследования насосных аг- регатов и их рабочих процессов с целью оптимизации динамических свойств агрегата, параметров привода и способа управления. 3. Снижение вибрации и шума должно быть достигнуто за счет повышения качества проектирования и технологии изготовления ВНА и ГЭУ в целом, путем исключения резонансных явлений и обес- печения запасов прочности деталей ГЭУ и всей гидросистемы очист- ного механизированного комплекса на основе принципов оптималь- ного проектирования. 4. Для повышениея технического уровня современных насосных установок целесообразно также использовать зарубежный опыт раз- работки ГЭУ на основе применения высокотехнологичного оборудо- вания и интеллектуальных систем управления и диагностики.
Литература:
1. Гуляев В.Г. Виброакустические процессы и надежность гидроэнергетических установок очистных комплексов: [Монография] / В.Г. Гуляев, К.В. Гуляев, С.А. Китаева; под общ. ред. В.Г. Гуляева. – Донецк: Технопарк «УНИТЕХ», 2012. – 224 с. 2. Китаева С.А. Обоснование способов и средств достижения безопасных уровней виброаку- стических характеристик гидроэнергетических установок очистных механизированных комплексов [Текст]: автореф. дис. …канд. техн. наук: 25.01.2013 / Китаева Светлана Ана- тольевна, МакНИИ. – Макеевка, 2013. – 20 с. 3. Косарев В.В. Насосные станции ГП «Донгипроуглемаш» нового поколения как источник гидравлической энергии в составе гидропривода механизированных крепей / В.В. Коса- рев, Н.И. Стадник, Ю.И. Варшавский и др. // Сб. научн. трудов ГП «Донгипроуглемаш». – 2008. – С. 484-492. 4. Гуляев В.Г. Тенденции и проблемы создания современных насосных станций для угледо- бывающих комплексов / В.Г. Гуляев, И.А. Квитковский, Н.В. Гутаревич, С.А. Китаева // Наукові праці ДонНТУ. Серія: «Гірничо-електромеханічна» - 2013. – Вип. 1(25). – С. 57- 71. 5. Гуляев В.Г. Способы повышения надежности насосных агрегатов для систем гидроприво- да механизированных крепей / В.Г. Гуляев, И.А. Квитковский, С.А. Китаева // Вісті. Зб. Наук. праць Донецького гірничого інститута, 2013 (в печати). 6. J.A. SHAW RMI Pressure Systems Ltd Mining Products Division. QuinmaxS500 – (Горно- шахтная насосная система) // RMI Pressure Systems www.rmipsl.com – 4s 7. Замланд У., Дайк А., Кузнецов С.А. Преимущества использования рядных поршневых на- сосов с применением электродвигателей с частотным преобразователем // Глюкауф, май 2011, №1(2). – С.78 8. Системы высокого давления компания RMI – гарантия эффективности и безаварийной ра- боты лавного комплекса. ООО «ТОР «Инжиниринг» // «Уголь», декабрь 2010 – С. 34-35. 39 9. Косарев В.В., Стадник Н.И., Варшавский Ю.И. и др. Современные фильтры ГП «Донги- проуглемаш» для защиты гидравлических систем горных машин от загрязнений // Сб. на- учн. трудов ГП «Донгипроуглемаш» - Донецк: Асстро, 2008 – С. 508-537. 10. М. Райтер, Ю. Векслер Влияние качества гидравлической жидкости на работу автомати- зированной системы управления // «Уголь», № 1, 2008. 11. Руководство по эксплуатации и технике безопасности радиально-поршневого насоса R180S HIDROWATT AG, Швейцария, 2011. – 50 с. 12. Высоконапорное снабжение лавы для горношахтной промышленности //ДАТ Бергбау- техник. – 2011.- 11с.