авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 7 |

«НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ ГЕОТЕХНИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ имени Н.С. Полякова ГЕ ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА GE TECHNICAL MECHANICS ...»

-- [ Страница 4 ] --

Результаты теоретических и лабораторных исследований гидродинамического воздействия на пористые среды, а также значительный объем статистических дан ных о его применении в условиях газонасыщенного и выбросоопасного углепород ного массива показывают, что предлагаемый способ является эффективным, тех нологичным, достаточно универсальным для использования его с целью дегазации и изменения напряженно-деформированного состояния и, что самое главное, безо пасным.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Булат А.Ф. О фундаментальных проблемах разработки угольных месторождений Украины / А.Ф. Булат // Уголь Украины. - 1997. - № 1.-C. 14-17.

2. Булат А.Ф. Гидродинамическое воздействие на газонасыщенные угольные пласты / А.Ф. Булат, К.К. Софийский, Д.М. Житленок [и др.] // Днепропетровск: «Полиграфист». – 2003. – 220 с.

3. Софийский К.К. Перспективы применения гидродинамического воздействия на угольные пласты / К.К.Софийский., Э.И. Мучник, Е.А. Воробьев // Уголь Украины. - 1997. - № 8. - С. 36-37.

Выпуск № УДК 622.232.72:658.3. канд. техн. наук В.Г. Шевченко, докт. техн. наук Ю.И. Кияшко(ИГТМ НАН Украины) ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ ПРИНЯТИЯ ПРАВИЛЬНОГО РЕШЕНИЯ ГОРНОРАБОЧИМИ ОЧИСТНОГО ЗАБОЯ З використанням методів теорії управління досліджені механізми ухвалення правильного рішення гірниками очисного вибою. Визначено показники швидкодії та стійкості процесу прийняття рішень машиністом комбайна, машиністом струга, гірниками очисного вибою;

оцінені спостерігаємість, керованість і мінімальність динамічних ланок гірників у процесі прийому інформації, формування та реалізації рішень.

RESEARCH THE MECHANISMS OF ACCEPTANCE THE EXACT SOLUTION BY THE STOPE COLLIERS With usage of control theory methods the mechanisms of acceptance the exact solution by the stope colliers are researched. The parameters of response and stability of decision-making process by the cutter-loader operator, planer operator, stope colliers are determined;

are estimated an ob servability, controllability and minimality of dynamic links of the colliers during a process of in formation reception, formation and implementation of solutions.

Резервы повышения нагрузки на очистной забой напрямую зависят от каче ства системы управления процессом добычи угля. Основной составляющей та кой системы является человек. Процесс добычи угля в комбайновой и струго вой лавах можно представить как совокупность элементарных актов поступле ния различного рода информации к горнорабочим (ГРОЗ), ее переработки, формирования и реализации решений. Принятие единственно правильного в конкретной ситуации решения зависит от насыщенности человека знаниями, квалификации, умения и опыта. Рациональные пропорции между этими состав ляющими и определяет уровень готовности к принятию правильного решения.

Несмотря на то, что изучению этого процесса уделяется большое внимание в различных областях науки [1-3], применительно к горному делу, исследования механизмов принятия правильного решения практически не проводились.

Именно горная среда, требует от горнорабочих постоянной напряженности и принятия большого числа правильных решений, от которых зависит как произ водительность и эффективность процессов добычи, так и их безопасность. Наи более пригодны для исследования механизмов принятия правильного решения горнорабочими методы психофизики и теории управления, которые хорошо за рекомендовали себя в различных областях знаний [4-6]. Тема приложения зна ний в области психофизики и теории управления к горным процессам и техно логии добычи угля является актуальной. В настоящей статье представлены ре зультаты исследований механизма принятия единственно правильного реше ния, который является залогом безопасности горнорабочих [7].

В процессе выемки угля в комбайновой и струговой лавах основными функ циями машиниста комбайна являются управление выемочной машиной, сопро вождающееся перемещением по лаве, обработка информации, поступающей от горнорабочих, горного мастера, начальника смены, диспетчера, формирование "Геотехническая механика" решений и выдача команд помощнику машиниста, ГРОЗ, занятым на пере движку секций, зачистке угля, креплении и оформлении ниш;

машинист струга при управлении стругом выполняет подобные функции за исключением пере мещения по лаве;

остальные ГРОЗ управляют элементами комплекса, переме щаются по забою, исполняют команды машиниста, горного мастера, принима ют решения, руководствуясь нормативами. При исследовании механизмов при нятия правильного решения горнорабочими очистного забоя и выяснения их особенностей принято допущение, что один и тот же горнорабочий выступает в качестве машиниста комбайна, машиниста струга, горнорабочего, занятого на передвижке секций крепи, конвейера, зачистке угля, выдвижке верхняков, кре плении и оформлении ниш, т.е. находится в различных ситуациях, определяе мых технологией.

С точки зрения методологии теории управления процесс принятия решения во времени может быть представлен при помощи передаточных функций, ха рактеризующих соотношение между выходной и входной величинами динами ческих звеньев [4,5]. Динамическое звено как элемент системы описывает дей ствия памяти и опыта человека на практике при принятии решения;

передаточ ная функция – математическая интерпретация реализации основ поведения – реакций на раздражители, оператор, позволяющий количественно описать ме ханизм принятия решений. Для динамического звена, описывающего процесс принятия решения машинистом комбайна, такая функция задается произведе нием передаточных функций следующих последовательно соединенных звень ев: усилительного звена с запаздыванием, осуществляющего прием информа ции, дифференцирующего, осуществляющего формирование и принятие реше ний при достаточной тренировке и большом опыте, и апериодического 2-го по рядка, отвечающего за исполнение принятого решения [6,8], и определяется выражением k3k W мк = k1 e T1 p k 2 p, (1) (T2 p + 1)(T3 p + 1) где k = k1 k 2 k 3 k 4 - передаточный коэффициент (коэффициент усиления) человека;

T1 - время реакции человека, с;

T2, T3 - постоянные времени, характеризующие инерцию в образовании исполнительного действия, соответственно, психофи зический и биомеханический параметры, с. Согласно [6,8,9] параметры могут быть приняты T1 = 0,2 с;

T2 0,125 с;

T3 - имеет нижний предел примерно 0,1 с;

k =1,128-1,39. Данные параметры зависят от индивидуальных особенностей горнорабочих: опыта, навыков, квалификации, возраста, физических кондиций, мотивированности, темперамента личности, эмоционального состояния и пр. и могут быть определены путем психофизического и физиологического тестиро вания горнорабочих [2,3].

Поскольку деятельность машиниста струга не предполагает постоянных фи зических нагрузок, а направлена на формирование решений и носит в основном Выпуск № интеллектуальный характер, в передаточной функции (1) исключается одно инерционное звено, характеризующее инерцию в образовании механического действия (биомеханическая составляющая) при исполнении решений k W мс = k1 e T1 p k 2 p.

T2 p + Передаточная функция, описывающая процесс принятия решений горно рабочими очистного забоя, занятыми на передвижке секций крепи, конвейера, зачистке угля, выдвижке верхняков, креплении и оформлении ниш, содержит вместо дифференцирующего усилительное звено, поскольку в среднем ГРОЗ обладают меньшим опытом, чем машинист выемочной машины, не выполняют функции бригадира-лидера и при формировании решения им достаточно учи тывать величину, но не скорость изменения ошибки k3k Wгроз = k1 e T1 p k 2.

(T2 p + 1)(T3 p + 1) Оценка характеристик качества управления динамических звеньев для тех нологий комбайновой и струговой добычи при постоянных коэффициентах пе редаточных функций k, T1, T2, T3 (при одинаковых индивидуальных особенно стях горнорабочих, что позволяет указать на технологические отличия в специ фике процессов приема-переработки информации, формирования и реализации решений горнорабочими в комбайновой и струговой лавах) производилась с использованием пакета моделирования MathLab с расширениями Control Sys tem Toolbox и Simulink [10,11].

Реакция передаточных функций звеньев машиниста комбайна, струга, гор норабочих на единичный скачок (переходная функция) - реакция на мгновенное изменение обстановки в забое: начало работы комбайна, изменение интенсив ности процесса выемки, возникновение аварийной ситуации, начало поступле ния потока информации (команд, распоряжений) и пр. и на импульсное воздей ствие (функция веса) – реакция на «шумы», помехи: кратковременное измене ние плотности потока информации, кратковременный единичный сигнал и пр.

представлены на рис. 1.

Характеристики переходных процессов в звеньях при единичном скачке следующие. Время достижения первого максимума для звена машиниста ком байна составляет tmax =0,311 с (максимальная амплитуда Aмакс =4,26), для маши ниста струга 0,2 с ( Aмакс =10,4) и горнорабочего tmax =1,35 с ( Aмакс =1,3). Время ре гулирования (время переходного процесса) для звена машиниста комбайна со ставляет t р =0,972 с, для машиниста струга t р =0,689 с, горнорабочего t р =0,86 с.

Время нарастания переходного процесса для звеньев машиниста комбайна и машиниста струга составляет tн =0 с, для горнорабочего tн =0,379 с. Установив шееся значение амплитуды для звеньев машиниста комбайна и машиниста "Геотехническая механика" струга составляет А уст =0, для горнорабочего А уст =1,3.

а) б) Wмк Wмс Wгроз Wмк Wгроз Wмс Рис. 1 – Переходные (а) и импульсные (б) функции динамических звеньев Анализ временных характеристик переходных процессов в рассматривае мых динамических звеньях показывает, перерегулирование ( = ( Амакс Ауст ) / А уст 100% ) для звена горнорабочего равно 0 %, т.е. переходной процесс протекает монотонно без перерегулирования, для звеньев машиниста комбайна и машиниста струга перерегулирование существенно. Присутствие в передаточной функции звеньев машиниста комбайна и горнорабочего аперио дического звена 2-го порядка указывает на наличие колебательной составляю щей;

колебательные свойства будут иметь место при выполнении условия 2 Т 2 Т 3 (Т 2 + Т 3 ) ). Наименьшим быстродействием обладает звено машиниста комбайна ( t р =0,972 с), немного большим быстродействием обладает звено гор норабочих ( t р =0,86 с), наибольшее быстродействие у звена машиниста струга ( t р =0,689 с).

Анализ переходных импульсных характеристик звеньев показывает сле дующее: время достижения первого максимума для звена машиниста комбайна составляет tmax =0,2 с (максимальная амплитуда Aмакс =103), для машиниста стру га tmax =0,2 с ( Aмакс =-83,1) для горнорабочего tmax =0,311 с ( Aмакс =4,26);

время ре гулирования для звена машиниста комбайна составляет t р =0,805 с, для маши ниста струга t р =0,689 с и горнорабочего t р =0,972 с. При импульсном воздейст вии наибольшее перерегулирование (максимальная амплитуда) у звена маши ниста комбайна, наименьшее у звена горнорабочих;

наибольшим быстродейст вием обладает звено машиниста струга, наименьшим - звено горнорабочих.

Поскольку все рассматриваемые звенья имеют чистое запаздывание для ис следования их устойчивости (способности звена возвращаться в исходное со стояние при подаче на его вход возмущения) необходимо применять критерий Найквиста [4]. Графики логарифмических амплитудных и фазовых частотных характеристик (ЛЧХ) динамических звеньев представлены на рис. 2. Ампли Выпуск № тудные фазовые частотные характеристики (АФЧХ) динамических звеньев представлены на рис. 3.

Wмс Wмк Wгроз Рис. 2 – ЛЧХ динамических звеньев Анализ ЛЧХ и АФЧХ динамических звеньев показывает, что максимальный отклик для звена машиниста комбайна ( Амакс =15,2 Дб) наблюдается при частоте =8,11 рад/с, для машиниста струга ( Амакс =20,3 Дб) при частоте =4Е+ рад/с и горнорабочего ( Амакс =2,28 Дб) при частоте =1,6Е-008 рад/с. Анализ за паса устойчивости показывает, что стабильность по амплитуде наблюдается для звена машиниста комбайна (запас устойчивости по амплитуде А =-0, Дб) на частоте =103 рад/с, для машиниста струга ( А =-19,5 Дб) на частоте =17,5 рад/с, для горнорабочего ( А =3,12 Дб) на частоте =8,25 рад/с. Ста бильность по фазе для звена машиниста комбайна наблюдается на частоте =103 рад/с (запас по фазе =-2,68 град, с запаздыванием –0,000454 с), для звена машиниста струга =0,773 рад/с ( =-104 град, с запаздыванием 5,77 с) и для звена горнорабочего =4,85 рад/с ( =67,3 град, с запаздыванием 0,242 с).

Таким образом, наибольшим запасом устойчивости обладает звено горнорабо чего, наименьшим - звено машиниста струга. В разомкнутом состоянии все зве нья являются устойчивыми.

Годограф АФЧХ звеньев машиниста комбайна и машиниста струга с учетом запаздывания охватывает точку с координатами (-1;

j0), следовательно, данные звенья в замкнутом состоянии являются не устойчивым. Годограф АФЧХ звена горнорабочего не охватывают точку с координатами (-1;

j0), данное звено в замкнутом состоянии будет устойчивым. Следовательно, при замыкании звень "Геотехническая механика" ев обратной связью, что соответствует самоконтролю со стороны горнорабочих для снижения ошибки при формировании, принятии и реализации решений, для звеньев машиниста комбайна и машиниста струга будет существенно снижено быстродействие, переходной процесс будет расходящимся и звенья будут неус тойчивыми.

а) б) в) г) Рис. 3 – АФЧХ динамических звеньев: а) машиниста комбайна;

б) машиниста струга;

в) гор норабочего;

г) расположение корней на комплексной плоскости Корни числителя передаточной функции звеньев машиниста комбайна и машиниста струга (нули) равны 0, знаменателя (полюса) звеньев машиниста комбайна и горнорабочего –10 и –8, звена машиниста струга –8. Корни распо ложены в левой полуплоскости комплексной плоскости, следовательно, звенья являются минимально-фазовыми (рис. 3г).

Модели передаточных функций звеньев в пространстве состояний выгля дят следующим образом (табл. 1). Анализа данных табл. 1 показывает, что для звеньев машиниста комбайна и горнорабочего ранг матриц управляемости и наблюдаемости четный, следовательно, данные звенья являются полностью управляемыми и наблюдаемыми. Таким образом, являясь объектом управления со стороны бригадира-диспетчера либо начальника смены данные звенья могут быть переведены из любого начального состояния в любое конечное состояние за конечное время Т и любое их состояние можно восстановить по значениям входной и выходной величин, измеренным на интервале времени Т.

Выпуск № Таблица 1 – Данные для анализа управляемости и наблюдаемости динамических звеньев Динамическое Модель в пространстве Матрица Матрица Ранг звено состояний управляемости наблюдаемости матриц 18 10 8 8 13 Машинист a=, b = 0, R= D= комбайна 234 8 0 0 c = [13 0], d = [0] a = [ 8], b = [8], R = [8] D = [ 10,4] Машинист c = [ 10,4], d = [10,4] струга 18 2,5 2 2 0 1, Горнорабочий a=, b = 0, R = 0 64 D= 32 0 52 c = [0 1,625], d = [0] Для звена машиниста струга ранг матриц управляемости и наблюдаемости нечетный, следовательно, звено машиниста струга является неуправляемым и ненаблюдаемым. Звенья машиниста комбайна и горнорабочего также являются минимальными. Передаточная функция минимальной реализации звена маши ниста струга равна 10,4 p W ( p ) = e 0, 2 p.

p+ В данном случае звено машиниста струга будет управляемым и наблюдае мым. Т.е. для машиниста струга важным является увеличение коэффициента передачи и уменьшение постоянной времени - психофизического параметра, характеризующего инерцию в образовании исполнительного действия за счет передачи части функций по формированию и реализации решений системе поддержки принятия решений либо бригадиру-диспетчеру очистного забоя.

Выводы.

1. В процессе выемки угля основными функциями машиниста комбайна яв ляются управление выемочной машиной, сопровождающееся перемещением по лаве, обработка поступающей информации, формирование, реализация реше ний и выдача команд помощнику и горнорабочим;

машинист струга выполняет подобные функции за исключением перемещения по лаве;

горнорабочие управ ляют элементами комплекса, перемещаются по забою, исполняют команды, принимают решения, руководствуясь нормативами. Передаточная функция, ха рактеризующая процесс принятия решения машинистом комбайна, задается произведением передаточных функций усилительного звена с запаздыванием, осуществляющего прием информации, дифференцирующего, осуществляюще го формирование и принятие решений при достаточной тренировке и большом опыте и апериодического 2-го порядка, отвечающего за исполнение принятого решения;

передаточная функция процесса принятия решения ГРОЗ, занятыми на передвижке секций крепи, конвейера, зачистке угля, выдвижке верхняков, креплении и оформлении ниш, определяется произведением передаточных "Геотехническая механика" функций звена с запаздыванием, усилительного и апериодического 2-го поряд ка;

машиниста струга – усилительного звена с запаздыванием, реального диф ференцирующего и апериодического 1-го порядка.

2. Анализ основных характеристик переходных процессов динамических звеньев показывает:

- при реакции на мгновенное изменение обстановки в забое (начало работы комбайна, возникновение аварийной ситуации, начало поступления потока ин формации и пр.) наименьшим быстродействием обладает динамическое звено, характеризующее принятие решений машинистом комбайна (время переходно го процесса t р =0,97 с), большим быстродействием обладает звено, характери зующее принятие решений горнорабочими ( t р =0,86 с), наибольшее быстродей ствие у звена машиниста струга ( t р =0,69 с);

переходной процесс для звена гор норабочего протекает монотонно без перерегулирования, для звеньев машини ста комбайна и машиниста струга перерегулирование существенно, звено ма шиниста комбайна также склонно к колебаниям;

- при реакции на «шумы», помехи, кратковременное изменение плотности потока информации, кратковременные единичный сигнал и пр. наибольшее пе ререгулирование (максимальная амплитуда) у звена машиниста комбайна, наи меньшее у звена горнорабочих;

наибольшим быстродействием обладает звено машиниста струга, наименьшим - звено горнорабочих.

3. Анализ запаса устойчивости показывает, что стабильность по амплитуде и фазе для звена машиниста комбайна наблюдается на высоких частотах ( = рад/с), для звеньев машиниста струга и горнорабочего на низких частотах ( =17,5, =8,3, =4,9, =0,8 рад/с);

наибольшим запасом устойчивости обла дает звено горнорабочего, наименьшим звено машиниста струга. Данные звенья устойчивы в разомкнутом состоянии. Звено горнорабочего устойчиво также в замкнутом состоянии, звенья машиниста комбайна и машиниста струга в замк нутом состоянии не устойчивы: при охватывании звеньев обратной связью, что соответствует самоконтролю со стороны горнорабочих для снижения ошибки в формировании и принятии решения, для звеньев машиниста комбайна и струга переходной процесс будет расходящимся, звенья будут неустойчивыми.

4. Для звеньев машиниста комбайна и горнорабочего ранг матриц управляе мости и наблюдаемости четный, следовательно, данные звенья, выступая в ка честве объекта управления, регулируемого со стороны бригадира-диспетчера, являются полностью управляемым, наблюдаемым и обладают минимально стью. Для звена машиниста струга ранг матриц управляемости и наблюдаемо сти нечетный, данное звено является неуправляемым и ненаблюдаемым. При обеспечении минимальной реализации (наблюдаемости и управляемости) звена машиниста струга важным является увеличение коэффициента передачи и уменьшение постоянной времени - психофизического параметра, характери зующего инерцию в образовании исполнительного действия за счет передачи части функций по формированию и реализации решений системе поддержки принятия решений либо бригадиру-диспетчеру очистного забоя.

Выпуск № 5. Проведенный с использованием методов теории управления анализ пока зателей качества динамических звеньев показал, что с точки зрения технологии каждое из рассмотренных звеньев имеет преимущества и недостатки. Резервы улучшения качества процесса принятия решений горнорабочими и системы управления процессом добычи угля в целом заключаются в следующем:

- машинисту комбайна важно обеспечить правильность принятия решения с первой попытки, поскольку опасение совершить ошибку и самоконтроль для проверки правильности решения приведет к увеличению общего времени при нятия и реализации решения, снижению производительности труда и безопас ности, что может быть обеспечено за счет возложения части функций на авто матическую систему поддержки (дублирования) принятия решений, либо на бригадира-диспетчера;

также необходимо уменьшить время реакции на мгно венное изменение обстановки в забое за счет обучения машиниста реагирова нию на моментально возникающие нештатные ситуации, правильной интерпре тации таких ситуаций;

- с целью обеспечения лучшей управляемости и наблюдаемости со стороны объекта регулирования - бригадира-диспетчера часть функций машиниста стру га по переработке информации и принятию решений должны быть возложена на автоматизированную систему поддержки принятия решений;

для повышения точности (правильности) решения время на переработку информации и приня тие решения необходимо увеличить, а время на реализацию решения необхо димо сократить, например, за счет использования более удобных эргономичных пультов управления, применения радиосвязи с рабочими бригады, бригадиром диспетчером и пр.;

как и для машиниста комбайна также является важным обеспечение правильности принятия решения с первой попытки;

- для горнорабочего важным является вопрос повышения быстроты реаги рования на мгновенное кратковременное изменение обстановки, возникновение помех, случайных сигналов, наиболее важно также обеспечить правильность интерпретации таких помех-сигналов, что может быть достигнуто за счет обу чения и тренировки поведения горнорабочего при возникновении мгновенных кратковременных помех;

- в реальных условиях конкретного забоя показатели качества управления динамических звеньев необходимо определять с учетом изменения коэффици ентов уравнений передаточной функции – коэффициента усиления, времени ре акции, психофизических и биомеханических параметров, характеризующих инерцию в образовании исполнительного действия, которые зависят от индиви дуальных особенностей каждого горнорабочего: опыта, навыков, квалифика ции, возраста, физических кондиций, мотивированности, темперамента лично сти, эмоционального состояния и пр. для оценки которых необходимо прово дить периодические тестирования психофизических и физиологических пара метров горнорабочих.

"Геотехническая механика" СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Ломов Б.Ф. Человек и техника / Ломов Б.Ф. – М.: Сов. радио, 1966. - 464 с.

2. Приснякова Л.М. Нестационарная психология / Приснякова Л.М. – К.: Днипро, 2002. – 255 с.

3. Приснякова Л.М. Системный синтез психофизических процессов: монография / Приснякова Л.М. – Днепропетровск-Киев, 2008. – 357 с.

4. Бесекерский В.А. Теория систем автоматического управления / В.А. Бесекерский, Е.П. Попов. - СПб.:

Профессия, 2004. – 752 с.

5. Теория автоматического управления: Учеб. для машиностроит. спец. вузов / [Брюханов В.Н., Косов М.Г., Протопопов С.П. и др.];

под ред. Ю.М. Соломенцева. - М.: Высш. школа, 2000. – 268 с.

6. Душков Б. А. Основы инженерной психологии / Душков Б. А., Ломов Б. Ф., Рубахин В. Ю.;

под ред. Б.Ф.

Ломова. – М.: Высш. школа, 1986. 448 с.

7. Шевченко В.Г. К моделированию качества управления процессом добычи угля в лавах / В.Г. Шевченко // Геотехническая механика. – 2008. - Вып. 77. – С. 227-241.

8. Справочник проектировщика АСУ ТП / [Смилянский Г.Л., Амлинский Л.З., Баранов В.Я. и др.];

под ред.

Г.Л. Смилянского. - М.: Машиностроение, 1983. – 527 с.

9. Ротач В.Я. К расчету оптимальных параметров ПИД регуляторов по экспертным критериям / В.Я. Ротач // Промышленные АСУ и контроллеры. – 2005. - № 11. - С. 5-9.

10. Мироновский Л. А Введение в MATLAB: учеб. пособие / Л. А. Мироновский, К. Ю. Петрова. – СПб.:

ГУАП, 2006. – 164 с.

11. Андриевский Б.Р. Избранные главы теории автоматического управления с примерами на языке MATLAB / Б.Р. Андриевский, А.Л. Фрадкова. - СПб.: Наука, 2000. – 475 с.

Выпуск № УДК 622.234.573.001.57:622.023. д-р техн. наук, проф. В.Г. Перепелица, канд. техн. наук, ст. науч. сотр. Л.Д. Шматовский, канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр. А.Н. Коломиец, инженер А.И. Пугач (ИГТМ им. Н.С.Полякова НАН Украины) МЕТОДИКА ОПТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ В ЗАБОЯХ РАЗЛИЧНЫХ ФОРМ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ВЫРАБОТОК Приведена методика моделирования распределения напряжений в забоях различных форм с использованием объемных или плоских моделей из оптически активных мате риалов.

METHOD OF OPTICAL SIMULATION FOR STRESSES DISTRIBUTION IN THE COALFACES OF DIFFERENT TYPES WITH THE AIM TO IMPROVE ROADWAY STABILITY The article presents method of optical simulation for stresses distributed in the coalfaces of dif ferent types by using or plane models made of optically active materials.

Экспериментальные исследования напряженного состояния горных по род в окрестности забоев, проводимые в натурных условиях, позволяют по лучить наиболее достоверные данные. Однако трудоемкость, продолжитель ность и практическая неосуществимость варьирования напряженным со стоянием в достаточно широких пределах существенно снижают эффектив ность использования этого метода.

В этой связи для получения качественной картины и некоторых коли чественных характеристик распределения напряжений в забоях различных форм целесообразно применить метод оптического моделирования с исполь зованием объемных или плоских моделей из оптически активных материалов.

Этот метод широко используется для изучения напряжений вокруг горных вы работок при решении различных горнотехнических задач [1,2,3 и др.]. Ос новные методические положения оптического моделирования изложены в работах [1,2,3 и др.].

Горные породы при этом способе моделирования принимаются как сплошные изотропные упругие тела. Основными критериями подобия явля ются геометрическое подобие систем, подобие условий на границах и подобие начальных состояний систем.

Геометрическое подобие предполагается выполнить созданием одинаковой формы выработок в моделях и натуре, а также обеспечением масштаба по добия Lн = = 200, (1) Lм где Lн, L м - соответствующие размеры выработки натуры и модели.

Условиями на границах модели являются напряжения, соответствующие начальным напряжениям в центре будущей выработки.

"Геотехническая механика" Выбор начальных условий производится на основе исследований [3], оп ределяющих поле напряжений вокруг выработки как неравнокомпонентное.

В этой связи соотношение между напряжениями, действующими в гори зонтальной G Г и вертикальной Gв плоскостях, приняты:

Г = = 0,4, (2) в где - коэффициент бокового отпора.

За основу принята вертикальная составляющая Gв, имеющая наибольшую величину и определяемая в соответствии с глубиной разработки, согласно [2], как в= H, (3) где - усредненный объемный вес пород над рассматриваемой точкой, H/м3;

H - глубина расположения рассматриваемой точки, м.

Подобие начальных состояний систем при исследовании упругих изо тропных тел удовлетворяется автоматически, поскольку деформации и на пряжения при этом не зависят от первоначальных состояний, а определя ются суммой сил, действующих на данную систему, вне зависимости от времени ее приложения.

Для моделирования выбраны следующие модели забоев выработок: ци линдрическая выработка с плоским забоем;

сводчатая выработка с частично оконтуривающей по своду и бокам щелью;

цилиндрическая выработка с опережающей кольцевой щелью;

цилиндрическая выработка с полусфериче ским забоем. Диаметр проводимой в натуре выработки принят равным 3,2 м, длина опережающей - щели -3м, ширина - 0,4 м, глубина разработки - 1000 м.

Объемные модели представляют собой цилиндры, диаметр и высота, кото рых равны друг другу и составляют 120 мм. Схемы моделей приведены на рис.1. Нагрузка на модель определена из условий создания в ней напряжений, не превосходящих предел пропорциональности материала модели.

Вертикальные напряжения в натуре на глубине 1000 м при среднем объем ном весе налегающих пород 25I05 Н/м3, согласно (3), равны:

в.н.H =2510, Па.

Горизонтальные напряжения при коэффициенте бокового отпора = 0,4 бу дут Г. Н. = в.н. =1010, Па.

Принимая масштаб силового подобия = 50, соответствующие давления для модели определятся:

в. н.

в. м. = = 0,5106, Па, Выпуск № Рис.1 – Схемы моделей: а) цилиндрической горизонтальной выработки с плоским забоем;

б) сводчатой выработки с частично оконтуривающей по своду и бокам щелью;

в) цилиндрической выработки с опережающей кольцевой щелью;

г) цилиндрической выработки с полусферическим забоем "Геотехническая механика" Г.Н.

Г. м. = = 0,2106, Па.

Исходными материалами для изготовления моделей взяты эпоксидная смола ЭД-6, на 100 весовых частей которой добавляется 30 весовых частей ма леинового ангидрида и 15 весовых частей пластификатора - дибутилфталата.

Из указанных компонентов приготавливаются модели, в которых высверли ваются отверстия, имитирующие выработку с соответствующей формой забоя, а специальным приспособлением образовываются опережающие щели. Темпе ратурные режимы полимеризации, отжига и "замораживания" моделей выдер живаются, согласно известным методикам [4,5]. Предел пропорциональности материала при температуре "замораживания" достигает 1,2106 Па.

Нагружение моделей производится в специальном нагрузочном устройст ве, принципиальная схема которого приведена на рис.2. Модель I помеща ется в камеру 3, в которую затем подается сжатый воздух из баллона 8 через редукционные вентили 6 и 7. С помощью мембраны 10 камера разделена на две несообщающиеся полости, что позволяет создавать неравнокомпонентное нагружение моделей. Вертикальное давление передается на модель через мембрану 10, а горизонтальное - создается сжатым воздухом в полости под мембраной. Давление воздуха в полостях контролируется образцовым ма нометром 5. Отверстие в модели I, имитирующее выработку, сообщается с внешней средой с помощью трубки 4. Это исключает появление по кон туру отверстия противодавления в результате расширения воздуха при нагреве. Kaмepa с моделью опускаются в масляную утепленную ванну, температура нагрева контролируется контактными термостатами 9. После прогрева до температуры "замораживания" к модели прикладывается посто янная нагрузка сжатым воздухом, а затем при достижении комнатной тем пературы модель разгружается. В полученных таким способом моделях после снятия нагрузки внутренние напряжения полностью сохраняются [5].

Для, того чтобы при исследовании по пути светового луча напряженное состояние практически не менялось, то есть было плоским, объемные моде ли, расчленяются на шлифы толщиною 2 мм. Распиловка модели производит ся в проточной воде алмазными дисками. Полученная при распиловке глад кая поверхность не требует дальнейшей механической обработки.

Выбор сечений соответствующих шлифов (рис.3) производится с таким учетом, чтобы получить картину распределения напряжений для наиболее характерных участков выработки. Для каждой модели необходимо сделать вертикальное сечение, проходящее через плоскость X 0Z, и 5...9 горизон тальных сечений, параллельных плоскости X 0Y. Расположение сечений и линий расшифровки показано на рис.4, 5.

Выпуск № Рис.2 – Схема нагрузочного устройства Рис.3 – Схема расположения шлифов модели "Геотехническая механика" Рис.4 – Схема расположения сечений и линий распиловки в моделях:

а) с плоским забоем;

б) с частично оконтуривающей щелью;

в) с кольцевой опережающей щелью Выпуск № Рис.5 Схема расположения сечений и линий расшифровки в модели с полусферическим забоем При распиловке моделей на шлифы необходимо максимально использовать их симметрию относительно горизонтальной плоскости, проходящей через ось выработки. Это позволяет получить необходимые горизонтальные и вер тикальные срезы распиловкой только одной модели, используя для получе ния шлифов определенного типа одну из ее симметричных частей. При на рушении этой симметрии, что будет иметь место в модели с выработкой сводчатой формы, необходимо изготовить две идентичные модели с после дующей распиловкой каждой из них на вертикальные либо горизонтальные шлифы.

Напряжения в полученных таким образом срезах из объемных моделей анализируются на поляризованной установке (рис.6), состоящей из источни ка света I, поляризатора 2 с пластиной в четверть волны и анализатора с пластиной в четверть волны. Получаемая интерференционная картина снимается фотоаппаратом 4.

"Геотехническая механика" Рис.6 – Схема поляризационной установки Фотографирование распределения величин максимальных касательных на пряжений (изохром) производится в монохромическом свете, поляризованном по кругу с помощью пластинок в четверть волны. Картина изоклин-линий глав ных напряжений определенного направления снимется в плоскополяризован ном свете при различных углах поворота плоскости поляризации, соответст вующих параметрам изоклин. Для получения поля изоклин с параметрами в интервале от 0 до 1,57 рад скрещенные анализатор и поляризатор устанав ливаются на нулевом столбе с последующим синхронным поворотом их на 0,17...0,26 рад. При каждом фиксированном положении анализатора и поля ризатора производится фотографирование изоклин на фотопленку. Получен ные фотоснимки интерференционных картин изоклин и изохром в масштабе 1:1 подвергаются дальнейшему анализу.

Поляризационно-оптический метод исследования позволяет непосредст венно определить в плоских пластинах направление главных нормальных на пряжений. Разность этих напряжений определяется из выражения 1 2 = (4), cd где 1, 2 -соответственно максимальные и минимальные главные на пряжения;

- разность хода в порядках полос;

с - оптическая постоян ная материала;

d - толщина исследуемой пластины.

Для определения разностей ( 1 2 ) используется метод полос, как наи более эффективный при исследовании моделей, изготовленных из материа лов с высокой оптической чувствительностью. В этом случае представляет ся возможным получить картину распределения напряжений с достаточно большим порядком полос, чтобы определить разность значений ( 1 2 ) Выпуск № простым подсчетом числа полос [5].

Из анализа фотоснимков интерференционных картин также будут получе ны картины направлений главных касательных напряжений (изостаты). Рас шифровку необходимо вести по линиям, расположенным на вертикальной плоскости симметрии моделей, параллельным оси выработки и отстоящим от нее на расстояниях, различных для каждой модели.

Для разделения главных напряжений следует применить наиболее рас пространенный метод графического интегрирования дифференциальных уравнений равновесия.

Полученные на основе приведенной методики данные о качественном и количественном характере распределения напряжений, обусловленных, как горным давлением, так и конфигурацией забоя, позволят обоснованно подойти к выбору способа проведения и крепления выработки, а также обеспечения ее устойчивости в период эксплуатации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Борисенко В.Г. Исследование напряжений вокруг выработок в условиях объемной задачи / В.Г. Бори сенко, Г.В. Вардересян // Известия ВУЗов, 1965. - № 12. – С. 23-27.

2. Трумбачев В.Ф. Применение оптического метода для исследования напряженного состояния пород / В.Ф. Трумбачев, Л.С. Молодцова. – М.: АН СССР, 1963. – 95 с.

3. Трумбачев В.Ф. Изучение распределения напряжений вокруг горизонтальных выработок оптическим методом / В.Ф. Трумбачев // Исследование горного давления. - М., 1960. – С. 23-27.

4. Сурков А.И. Исследование напряженного состояния пород вокруг горных выработок на объемных моде лях методом фотоупругости / А.И. Сурков. - Л.: ВНИМИ, 1961. – Вып. 4. – 94 с.

5. Сурков А.И. Исследование напряжений на объемных моделях оптическим методом: научная и техниче ская информация / А.И. Сурков, В.Ф. Трумбачев. – М.: ЦИТИ угля, 1958. – Вып. 3. – 25 с.

"Геотехническая механика" УДК 622. В.Н.Сергиенко, А.А. Курочка ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИБРОАКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ «МЕТАЛЛ – БЕТОН»

Викладено методику оцінки стану захисного покриття робочих камер гідравлічних тур бін з використанням віброакустичного методу. Наведено приклади виявлення дефектів по криття.

USING OF THE VIBRATING-ACOUSTIC METHOD FOR STATE VALUA TION OF SYSTEM "METAL – CONCRETE" The methodology of an estimation of a condition of a sheeting of working chambers of hydrau lic turbines with use vibrating-acoustic method is recounted. The examples of coating defects iden tification are given.

Гидроэнергетика является одной из важнейших отраслей народного хозяй ства Украины. Несмотря на постепенное увеличение производства электроэнер гии атомными станциями, значение гидроэлектростанций для утверждения энергетической независимости государства как сейчас, так и в обозримом бу дущем очень велико. Следует, однако, учитывать, что срок эксплуатации ос новных сооружений на многих гидроэлектростанциях исчисляется десятками лет. Наиболее уязвимыми элементами являются бетонные и железобетонные конструкции, служащие для подачи воды на рабочие агрегаты. На них постоян но воздействует вибрация от работающей турбины, балансировка которой ни когда не является идеальной. Контактирующие с движущимся водным потоком поверхности подвергаются кавитации. Особенно интенсивно указанные про цессы проявляются в камерах рабочих колес гидроагрегатов (рис. 1).

3 1 – железобетонная конструкция, 2 – защитное стальное покрытие, 3 – ось гидроагрегата Рис.1 – Схематическая конструкция камеры рабочего колеса гидроагрегата Выпуск № Характерная величина диаметра камеры составляет порядка 7 м. С учетом значительных динамических нагрузок на поверхность камеры, в районе распо ложения лопастей турбины она обшивается стальным листом толщиной поряд ка 20 мм. Высота обшитого участка составляет около 4 м. Технология установ ки защитного металлического слоя предусматривает сварку отдельных листов с тщательной проваркой и шлифовкой стыковочных швов. Тем не менее, идеаль ной герметичности швов получить не удается. Постоянное гидродинамическое воздействие приводит к расширению возникающего отверстия в металле и раз рушению бетона в его окрестности. Постепенно под металлической обшивкой образуются полости, глубина которых достигает 0,3 м, а площадь может со ставлять несколько квадратных метров. Циклические динамические воздейст вия на металлическую обшивку, не имеющую уже жесткого контакта с бето ном, приводят к появлению в ней усталостных трещин.

При образовании в обшивке двух трещин, имеющих общую точку, создают ся условия для изгиба ее фрагмента во внутреннюю часть камеры. При этом он может быть зацеплен лопастями турбины и оторван. Незащищенная металлом поверхность железобетона разрушается очень быстро.

Развития описанной ситуации можно избежать своевременным обнаружени ем полостей в бетоне под металлическим покрытием с их последующей цемен тацией.

Одним из эффективных методов неразрушающего контроля для выявления полостей под металлической оболочкой является виброакустический, обосно вание которого дано в работе [1]. Принцип виброакустической диагностики за ключается в предварительном возбуждении свободных колебаний путем нане сения одиночного удара и одновременной регистрации их параметров. Факти чески определяется степень связи контролируемого участка с более глубинным слоем путем оценки его механической подвижности [2].

Для теоретической оценки колебательных процессов в системе «металл - бе тон» служит модель, представленная на рис. 2.

d R h F p Рис. 2 – Модель цилиндрической оболочки с внешним гидростатическим давлением "Геотехническая механика" Защитное покрытие камеры рабочего колеса моделируется цилиндрической оболочкой конечной высоты h. Внутренний радиус R оболочки намного боль ше толщины d ее стенок. Материал оболочки считается однородным с плотно стью, имеющим динамические модули: растяжения-сжатия Е и модуль сдвига G. Внешнее давление p на оболочку предполагается гидростатическим и оди наковым по всей ее площади. Окружающая трубу среда предполагается оказы вающей вязкое сопротивление колебательному процессу. При этом участки с более высокой плотностью * среды, соответствующие плотному контакту бе тона с оболочкой, естественно характеризуются более высокими значениями параметра вязкости. Разжиженная среда в заоболочечных пустотах менее вязкая и в меньшей степени демпфирует свободные колебания цилиндрической по верхности.

В общем случае колебательный процесс незадемпфированной кольцеобраз ной оболочки описывается системой уравнений:

1 2 = 0;

k Ed (1) k + D 2 2 d = 0, t где: – компонента линейного перемещения по нормали к оси галереи;

- компонента перемещения по дуге цилиндра;

D = Ed3/12(1-2) – цилиндрическая жесткость кольца;

d – толщина защитного слоя.

Систему (1) можно привести к одному уравнению путем введения функции Ф, определяемой соотношениями = Ed 2Ф. (2) k = Ф;

Упомянутое уравнение имеет вид (1 2 ) k ( kФ) d 2 = 0.

2Ф = 2 (3) t d Для приведения уравнения к виду, адекватному рассматриваемой модели, необходимо принять во внимание следующие внешние силы:

гидростатическое давление p1 = *gH;

упругое сопротивление со стороны среды вокруг трубы p2 = -kу *с*/t;

вязкое сопротивление окружающей трубу среды p3 = -kв*/t.

Символ «*» относится к параметрам окружающей трубу среды. kу и kв – ко эффициенты пропорциональности.

Выпуск № Таким образом, преобразованное уравнение имеет вид 2 2 (1 2 ) 2 ( 2Ф) d 2 d 2 * gH + (k у *с* + kв * ) 2Ф = = 0. (4) t t t k k d Решение уравнения (4) распадается на несколько, описывающих различные типы колебаний. В общем виде каждый из типов колебаний описывается урав нением вида A mn ( t ) = A 0 e t sin(mn t + mn ). (5) mn mn Точное определение выражений для амплитуд спектральных составляющих связано со значительными трудностями. В работах [3, 4] показано, что коэф фициент затухания возрастает с увеличением вязкости * окружающей среды и ее плотности *. Следовательно, в зонах с заполненными водой полостями, где значения указанных параметров более низкие, чем для нормальной дрени рующей толщи, выполняется условие Aа (t ) dt Aн (t ) dt, (6) 0 где: Аа(t) – функция изменения динамической деформации после нанесения удара в контролируемой точке трубы на аномальном участке;

Ан(t) – та же характеристика для нормального участка.

Определяемый параметр А(t) имеет размерность деформации. Он является более чувствительной характеристикой к аномалиям, чем частота, так как в нем комплексно учитываются два показателя: начальная деформация прогиба в точке нанесения удара и длительность колебательного процесса. Важным дос тоинством данного параметра является однозначность характера его изменения – увеличение в аномальных зонах.

В соответствии с результатами теоретических исследований для обнаруже ния дефектов в системе «металл – бетон» целесообразно использовать средства виброакустического контроля с первичными преобразователями регистрирую щими вибросмещение и определяющими в процессе аналоговой обработки принятого приемником сигнала усредненную за время продолжительности ко лебаний амплитудную характеристику сигнала. Наиболее подходящим для ре шения имеющейся задачи, исходя из перечисленных выше требований, являет ся спектроанализатор параллельного действия с кратковременной аналоговой памятью ИСК-1 [5].

Предварительно перед выполнением диагностики камеры на ее поверхность наносят размерную сетка в виде вертикальных и горизонтальных линий с ша гом в 1 м. Верхнюю границу разметки совмещают с вертикальным участком металлического покрытия. Пользуясь размеченной сетью, оболочку делят на отдельные участки площадью порядка 1 м2. Места неоднородностей (утолще ние оболочки, наличие приваренных элементов, отверстия с диаметром, значи тельно превышающем толщину оболочки и т. п.) исключают из рассмотрения.

"Геотехническая механика" Точку приема колебаний располагают на расстоянии от контролируемого участка, в несколько раз превышающем его размеры (рис. 3).

Точка приема Участок контроля Рис. 3 – Расположение точек возбуждения и приема колебаний на контролируемой поверхности металлической обшивки При выполнении виброакустических исследований отсутствуют абсолют ные универсальные значения критерия состояния покрытия. Их определяют из следующих соображений:

более высокие значения амплитуды колебаний на частоте максимума спек тральной плотности сигнала соответствуют большей интенсивности отслоений;

«нормальные», то есть имеющие незначительную степень отслоений об шивки от бетона участки, составляют, как правило, не менее половины общей площади контролируемой поверхности.

Для возбуждения колебаний необходимо применять устройство с массой бойка порядка 0,1 - 0,2 кг. При неизменном положении приемника в пределах выделенного участка следует нанести последовательную серию стабильных ударов с шагом около 0,2 м. Не документируя результатов, но отмечая зону увеличенного значения амплитуды колебаний, примерно определяют ее поло жение. Уменьшив шаг простукивания до 5-7 см, уточняют границу зоны от слоения обшивки от бетона и ориентировочно обозначают ее мелом, указав при этом, например, с помощью стрелок, в какую сторону от границы находится выявленная полость.

Процедуру по предыдущему пункту выполняют для смежных выделенных участков защитного металлического покрытия обязательно с использованием тех же средств контроля и по той же методике.

После завершения выполнения измерений на отдельных участках поверхно сти камеры стыкуют границы выделенных зон и оконтуривают полученную полость под обшивкой. Для более четкого выделения аномальной зоны реко мендуется выполнить ее грубую заштриховку мелом или краской. Данный этап работы иллюстрируется рис. Выпуск № Рис.4 – Выделение зон отслоения защитной оболочки от железобетона по результатам виброакустической диагностики По фактическому расположению выделенных в процессе диагностики уча стков выполняют их документирование с привязкой к местным ориентирам.

Полученный документ является обоснованием объема работ по ликвидации по лостей, а место их выполнения уже определено сохранившейся после диагно стики разметкой зон.

С использованием указанной методики были диагностированы камеры ра бочих колес гидротурбин на ДнепроГЭС-2, а также на Кременчугской ГЭС.

Своевременное выполнение ремонтных работ по результатам диагностики обеспечило последующую безаварийную работу гидроагрегатов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Пат. 2133283 Франции, МКВ5 Е21С 39/00. Methode et dispositiv de classification partir de sondages par percossion applicable notamment la reconnaissance des dalles et blocs dangenz dans les mines;

G. de Montille (Фр.);

Agence National de valorisation de la rechnerche (Фр.) № 7113320;

Заявлено 15.04.71;

Опубл. 24.11.72.

2. ИСО 7626-5-99. Вибрация и удар. Экспериментальное определение механической подвижности. Изме рения, использующие ударное возбуждение возбудителем, не присоединенным к конструкции.

3. Гонткевич В.С. Собственные колебания пластинок и оболочек. Справочник. / В.С. Гонткевич – К.: Нау кова думка, 1964. – 287 с.

4. Григолюк Э.И. Устойчивость и колебания трехслойных оболочек / Э.И. Григолюк, П.П. Чулков – М.:

Машиностроение, 1973. – 172 с.

5. Яланский А.А. Теоретические и аппаратурные разработки виброволнового контроля строительных кон струкций и материалов. /А.А. Яланский, Т.А. Паламарчук, В.Н. Сергиенко В.Н., В.Б.Усаченко. // Тезисы док ладов IV-ой международной научной конференции «Материалы для строительных конструкций». – Днепропет ровск, 1996 – С. 73.

"Геотехническая механика" УДК 622.74.002. Мл. научн. сотр. В.Ф. Ягнюков (ИГТМ НАН Украины) АНАЛИЗ КИНЕМАТИКИ ДВИЖЕНИЯ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ВАЛКОВОГО КЛАССИФИКАТОРА ВИБРАЦИОННОГО ТИПА Виконано аналіз кінематики руху робочих органів валкового вібраційного класифікатора і визначені енергетичні та силові показники при інерційному обертанні валків.

THE ANALYSIS OF KINEMATICS MOVING OF WORKING ELEMENT OF THE VIBRATING ROLL CLASSIFIER The analysis of kinematics moving of working element of the vibrating roll classifier is exe cuted and the power and actuating parameters are determined at inertial rotation of rolls.

При создании вращательных движений рабочих органов валковых класси фикаторов, как правило, используют зубчатые, цепные и другие сложные сило вые кинематические передачи, что приводит к увеличенной материалоемкости, сложности изготовления и эксплуатации кинематических передач, а в итоге к большой исходной и эксплуатационной стоимости данного класса горных ма шин.

Поэтому целью работы является рассмотрение возможности создания вра щательных движений валков классификатора на основе нематериалоемкой ки нематики вложенных колец, выявление зависимости круговых и ротационных движений вложенных колец от их размеров, оценка устойчивости движения вложенных колец, оценка энергии развиваемой на ведомом кольце при созда нии сложных движений рабочих органов валковых классификаторов.

Для этого, пусть кольцо с радиусом R совершает в горизонтальной плоско сти вибрационное круговое движение с амплитудой A и угловой скоростью Wкр.

Такое движение кольца в декартовой системе координат в параметрическом виде представляет следующую зависимость:


() X = R sin (U ) + Asin Wкрt ;

Y = R cos (U ) + Acos (Wкр t ) (1) при 0 U 2 Pi.

При этом движении все точки кольца описывают окружности радиусом R вокруг центров, лежащих на неподвижной центроиде С с радиусом R, и пооче редно контактируют с внутренней неподвижной центроидой Св радиуса R–A и наружной неподвижной центроидой Сн радиуса R+A.

Точки контакта кольца с центроидами Св и Сн лежат на одной прямой с цен тром кольца и с центром неподвижной системы координат совершая круговые движения с угловой скоростью Wкр (рис. 1).

Выпуск № 2*А С R Сн Св r Рис. 1 – Кинематика движения вложенных колец Создание в точке контакта кольца с центроидой Св трения, обеспечивающе го движение кольца по центроиде Св без скольжения, приводит к дополнитель ному вращению кольца вокруг своей оси с угловой скоростью.

Wвр = Wкр 1 ( R A ) R = Wкр ( A R ). (2) Поэтому такое движение кольца в параметрическом виде представляет сле дующую зависимость:

( ) X = R sin U + ( A R ) Wкр t + A sin Wкр t ;

(3) Y = R cos U + ( A R ) Wкр t + Acos (Wкр t ), т.е. точки кольца, сдвинутые на угол (A/R), синхронно движутся по одной эпи циклоиде или любые точки кольца, сдвинутые на определенный угол, синхрон но движутся по эпициклоидам, сдвинутым на углы, равные углам сдвига между этими точками.

Создание же в точке контакта кольца с центроидой Сн трения обеспечиваю щего движение кольца внутри центроиды Сн без проскальзывания, приводит к вращению кольца вокруг своей оси с отрицательной угловой скоростью:

Wвр = Wкр 1 ( R + A ) R = Wкр ( A R ). (4) Такое движение кольца представляет следующую зависимость:

( ) X = R sin U ( A R ) Wкр t + A sin Wкр t ;

(5) Y = R cos U ( A R ) Wкр t + Acos (Wкр t ), "Геотехническая механика" т.е. точки кольца, сдвинутые на угол (A/R), будут синхронно двигаться по од ной гипоциклоиде или любые точки кольца будут синхронно двигаться по ги поциклоидам, сдвинутым на углы, равные углам сдвига между этими точками.

Такие типы движений (4), (5) можно получить с помощью вложенных ко лец, одно из которых является ведущим и совершает круговое движение, а вто рое является ведомым и обкатывается внутри или снаружи первого.

Условия устойчивости данного движения рассмотрены в [1]. Устойчивый режим такого сложного движения можно создать, например, за счет достаточ ной центробежной силы, возникающей при обкатывании кольца радиуса r с массой m по внутренней или внешней поверхности кольца радиуса R и доста точного коэффициента контактного трения поверхностей колец, обеспечиваю щего режим обкатывания без проскальзывания.

При этих условиях движение кольца радиуса r представляет следующую за висимость:

( ) X = r sin U (1 R r ) Wкр t + ( A r R ) sin Wкр t ;

(6) ( ) Y = r cos U (1 R r ) Wкр t + ( A r R ) cos Wкр t.

Следует заметить, что угловое ускорение вращательного движения ведомого кольца не зависит от его массы и от амплитуды кругового движения ведущего кольца, а зависит только от отношения радиусов колец. Для ведомого кольца отношение Wвр Wкр представлено на рис. 2.

Рис. 2 – Зависимость угловых ускорений кругового и ротационного движений вложенных колец от их радиусов Выпуск № Кинематика движения вложенных колец подобна кинематике движения ра бочих элементов планетарных дифференциальных передач, но в отличие от них предполагает наличие не сил зубчатого взаимодействия, а сил массового взаи модействия колец, и, по существу, отражает динамику ротационного режима маятника с подвижной точкой подвеса [3] или, точнее, маятника с гетеропара метрическим возбуждением [2]. А значит, зависимость (6) в явном виде пред ставляет закон движения названных маятников в областях устойчивых ротаци онных режимов их движения.

Очевидно, что устойчивость этого сложного движения пропорциональна си лам массового взаимодействия и коэффициенту трения контактирующих по верхностей колец.

Производительность работы машины с вложенными кольцами можно оце нить по кинетической энергии развиваемой на ведомом кольце, используемым в качестве рабочего органа вибрационной машины, например для валковых грохотов, внутривалковых мельниц, концентраторов и др.

Известно [4], что любое произвольное движение твердого тела можно пред ставить в виде суммы поступательного движения центра масс тела и враща тельного движения в системе отсчета, связанной с этим центром масс. Для аб солютно твердого тела по теореме Кёнига полную кинетическую энергию K можно записать в виде суммы кинетической энергии поступательного и враща тельного движения mVc2 I c W Eк = + ;

(7) 2 где: m – масса тела;

Vc – скорость центра масс тела;

Ic – момент инерции тела;

W – угловая скорость тела.

Поэтому при движении ведомого кольца по зависимости (6) его кинетиче ская энергия равна mVc2 I c Wвр 2 2 2 Wкр 2 Wвр = m( A r R ) Eк = + + mr = 2 2 2 (8) ( A r R )2 + ( r R )2 Wкр.

= m Теорема Кёнига справедлива для любого плоского движения, при котором центр масс перемещается в некоторой фиксированной плоскости, а вектор уг ловой скорости постоянно перпендикулярен к этой плоскости.

Во вращательном движении роль силы выполняет момент силы, роль пути – угол. Здесь работа выполняется за счёт кинетической энергии.

"Геотехническая механика" Выводы:

Угловые ускорения кругового и ротационного движения ведомого кольца связаны соотношением: Wвр Wкр + r R = 1.

Устойчивость движения вложенных колец пропорциональна силам их мас сового взаимодействия и коэффициенту трения контактирующих поверхностей колец.

Кинетическая энергия, развиваемая на ведомом кольце, пропорциональна квадрату амплитуды кругового движения ведущего кольца и квадрату полови ны расстояния между ведущим и ведомым кольцами.

Практическая значимость рассматриваемого способа получения кругового (колебательного) и одновременно вращательного (ротационного) движения с помощью вложенных колец состоит в простоте его реализации и способствует снижению материалоемкости горных машин.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Надутый В.П. Синтез параметров валковых вибрационных классификаторов / В.П. Надутый, В.А. Оста пенко, В.Ф. Ягнюков. – К.: Наук. думка, 2006.

2. Caughey T.K. American Journal of Physics, Volume 28, Issue 2, p. 104-109 (1960). Hula-Hoop: An Example of Heteroparametric Excitation.

3. Капица П.Л. Динамическая устойчивость маятника при колеблющейся точке подвеса. Журнал экспер. и теор. физики. Том 21 / П.Л. Капица. – Вып. 5. – 1951.

4. Маркеев А.П. Теоретическая механика: учебное пособие для механико-математических специальностей университетов / А.П. Маркеев. – М.: Наука, 1990.

Выпуск № УДК 622. В.А. Амелин, Б.В. Васильев, Л.В.Покутнева СЕЛЕКТИВНАЯ ОТРАБОТКА КАМЕРНОГО ЗАПАСА ГИПСА КОМБИНИРОВАННЫМ СПОСОБОМ В УСЛОВИЯХ АРТЕМОВСКОЙ ГИПСОВОЙ ШАХТЫ Запропоновані рішення щодо селектівної віїмки камерного запасу, які забезпечують підвіщення якості сировини, що добувається SELECTIVE WORKING OF CHAMBER SUPPLY OF GYPSUM OF KOM-BINIROVANNYM BY METHOD IN THE CONDITION OF ARTEMOVSK GIPSEOUS MINE The solutions in relation to selektivne pillar stopping of chamber supply, which secure of rais ing quality of raw material, which is obtained,were dfered Валовая отбойка гипса и доломитовых пропластков в камерах Артемовской гипсовой шахты, буровзрывным способом на северо – восточном участке шахтного поля и машинным - на восточном участке, приводит к разубожива нию полезного ископаемого и снижению качества получаемого гипсового щеб ня. В то же время известно, что для изготовления некоторых изделий (сухая гипсовая штукатурка, гипсокартонные листы) требуется высокое качество ис ходного продукта - гипса.

Одним из способов повышения качества минерального сырья является се лективная выемка.

Обоснование возможности применения селективной выемки камерного за паса при отработке V пласта гипса применительно к условиям Артемовской ги псовой шахты, основано на результатах долговременных (1975 – 2005 г.г.) ис следований, проведенных Институтом геотехнической механики НАН Украины на гипсовых, калийных шахтах и шахтах пильных известняков.

Геологическое строение V пласта гипса Продуктивный V пласт гипса (рис.1), является самым выдержанным по мощности, распространен повсеместно, залегание его близко к горизонтально му. Общий угол падения пласта 3 - 4° на северо-запад. В южной части, вблизи выходов гипса на дневную поверхность, подвергнут карстовому размыву. Пол ная мощность пласта гипса колеблется от 14,7 до 25,15 м, составляя в среднем 19,56 м. V пласт гипса характеризуется сложным строением, обусловленным наличием в гипсе прослоев аргиллита, алевролита и пропластков доломита мощностью 0,7 - 1,5 м.

Непосредственно в кровле V-го пласта гипса залегает слой серых и темно серых аргиллитов, изредка содержащих линзы песчаника. Этот слой средней мощностью 5,0 м имеет маркирующее значение и прослеживается практиче ски на всей площади месторождения. Верхняя и нижняя пачки пласта содержат включения ангидрита. Пласт нарушен вертикальными трещинами, ориентиро ванными под различными углами в сторону падения.

"Геотехническая механика" Средневзвешенное содержание гипса (СаSO42H2O) по пятому пласту со ставляет 97 % [1].

Условные Литологическая Мощность Наименование структурных обозначения разность слоя, м элементов Суглинок Глины Покрывающие породы 40 - Алевролит Песчаник Брекчия Известняк Аргиллит Непосредственная кровля 0,7 – 14, Гипс 2,45 – 4,5 3,5-метровая пачка гипса Доломит Верхний доломит 0,6 – 1, Гипс Потолочина камер 0,8 – 1, Гипс, гипсоангидрит, Верхняя пачка 6,0 – 7, ангидрит гипса V пласт гипса Расположение камеры Доломит Средний доломит 0,6 – 1, Гипс, гипсоангидрит, Нижняя пачка 7,0 – 9, ангидрит гипса Доломит Нижний доломит 0,6 – 0, Гипс Подошва камер 0,8 – 1, Аргиллит Почва пятого пласта 0,5 – 5, Известняк Междупластье V - VI 4,0 – 7, Глины Алевролит Рис. 1 – Геологический разрез продуктивной толщи Артемовского месторождения гипса Способы отбойки полезного ископаемого Наиболее целесообразным вариантом разработки гипсовых месторождений является камерно-столбовая система, обеспечивающая концентрацию горных Выпуск № работ и рациональное управление воздухопотоками в шахте [1].


В основу создания технологических схем положен известный из опыта экс плуатации калийных, соляных и гипсовых шахт принцип послойной нисходя щей отработки камерных запасов [2].

При разработке пластов гипсоносных пород возможны буровзрывной, ма шинный и комбинированный способы отбойки. Геомеханическое обоснование области применения указанных способов вытекает из оценки условий разра ботки и свойств гипсоносных пород, горнотехнологическое – из результатов изучения работоспособности средств выемки [3 - 5].

В таблице 1 приведены рекомендации по выбору способов и средств выем ки полезного ископаемого.

Таблица 1 – Выбор способов и средств выемки полезного ископаемого Породы Типы пластов Способ выемки Прочность на Сопротивляемость сжатие, МПа резанию, А, кН/см I. Гипсовые однородные, простого сложения до 25 машинный 2,7 – 3, 2. Сложного строения, представленные слоями гипса и известняково – машинный 11 - 25 3,5 – 4, доломитовыми породами комбинированный 26 - 40 4,0 – 6, Весьма сложного машинный 3. 16 - 40 3,0 – 6, строения, гипсоангидри- комбинированный 41 - 60 5,6 – 7, товые буровзрывной 60 7,6 –10, Буровзрывной способ В настоящее время на горнодобывающих предприятиях при подземной до быче гипса и ангидрита преобладающее распространение имеет взрывная от бойка, использующая высокобризантные взрывчатые вещества и сплошные конструкции колонок шпуровых и скважинных зарядов.

Наиболее эффективным способом качественного оконтуривания целиков и повышения безопасности горных работ является ведение взрывных работ мето дом контурного взрывания.

Машинный способ В основу технологии машинной отработки мощных пластов гипса положено применение панельно-блоковой системы разработки, при которой поддержание выработанных пространств осуществляется ленточными или столбчатыми це ликами.

Выбор комбайнового способа отбойки основывается на базе опыта приме нения комбайнов ПК-8М, «Урал-20КС», «Урал-10КС», АМ 50 и других в усло виях гипсовых шахт Украины и России. Комбайновая выемка рекомендуется на пластах, сложенных породами, предел прочности на сжатие которых не превы "Геотехническая механика" шает 25,0 МПа, сопротивляемость резанию – 6,4 кН/см. Применение комбайнов на породах, с более высокими указанными показателями возможно, но само стоятельное их использование может оказаться экономически невыгодным, по этому в таких условиях предпочтителен комбинированный (комбайновый + бу ровзрывной) способ отбойки.

Комбинированный способ Основу комбинированной схемы составляет сочетание комбайнового и бу ровзрывного способов отбойки. Сущность технологии комбинированного спо соба отбойки состоит в том, что часть камерного запаса отрабатывают с помо щью комбайнов, а затем вынимают оставшийся камерный запас с помощью бу ровзрывных работ. По сравнению с буровзрывным и машинным, комбиниро ванный способ выемки гипса обеспечивает следующие преимущества:

1) снижает затраты на подготовительные операции;

2) улучшает вентиляцию очистных забоев при ведении горных работ по нижнему уступу;

3) минимизирует динамическое воздействие взрывных работ на потолочи ны камер, чем повышается их устойчивость;

4) предполагает использование минимального количества дорогостоящей добычной техники (проходческих комбайнов) в технологическом процессе по добыче полезного ископаемого;

5) предоставляет возможность применения селективной выемки полезного ископаемого при сложном строении продуктивного пласта, что обеспечивает повышение качества получаемого товарного гипсового щебня.

Типовая технологическая схема выемки гипса комбинированным спосо бом с возможностью селективной отработки камерного запаса приведена на рис. 2.

Селективная выемка камерного запаса позволяет повысить на 2 – 3 % каче ство добываемого минерального сырья.

Предельно допустимые размеры целиков и камер при селективной отработ ке камерного запаса Ширину ленточного целика a определяется из формулы [5] (a + l) H n = a Kф Кс p A, где а – ширина ленточного целика;

l – ширина камеры;

h – высота камеры;

– плотность пород;

H – глубина разработки;

n – коэффициент запаса прочности;

Kф – коэффициент формы целика;

Кс – коэффициент структурного ослабления;

p – предел прочности на растяжение;

A – коэффициент, характеризующий свойства материала.

Выпуск № 1 2 3 4 5 6 Б Б -Б А А 2,4 2,4 2, "Геотехническая механика" 4,1 1,8 4, Б А -А 10,0 10,0 10, 1. Панельный штрек;

2. Самоходный вагон 5ВС-15;

3. Проходческо-очистной комбайн «Урал-10»;

4. Очистные камеры;

5. Междукамерный целик;

6. Верхний уступ (машинная отбойка);

7. Нижний уступ (буровзрывная отбойка).

Рис. 2 – Технологическая схема выемки гипса комбинированным способом при селективной отработке камерного запаса в условиях Артемовской гипсовой шахты Результаты вычислений предельно допустимых размеров целиков и камер при глубине разработки Н = 100,0 м приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Предельно допустимые размеры целиков и камер при l= a h 10,0 20, 9,0 16, 8,0 13, 7,0 10, 6,0 6, СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Усаченко Б.М. Геомеханика подземной добычи гипса. – Киев: Наук. Думка, 1985. – С. 316.

2. Разработка и освоение прогрессивной технологии подземной добычи гипса. Заключительный отчет о НИР (ИГТМ АН УССР), - Днепропетровск, 1980.

3. Перепелица В.Г. Обоснование параметров системы разработки мощных пластов Артемовского месторо ждения гипса в зонах геологических нарушений: 05.15.02;

05.15.11/ИГТМ НАНУ. – Днепропетровск, 1986. – с.

4. Усаченко Б.М. Геомеханические основы технологии подземной разработки месторождений гипса и ох раны выработанных пространств: 05.15.11;

05.15.02/ИГТМ НАНУ. – Днепропетровск, 1986. – 31 с.

5. Расчет параметров камерно – столбовой системы разработки с учетом геологических нарушений для ус ловий Артемовской гипсовой шахты / Б.М.Усаченко, Г.Т.Кирничанский, М.Д.Хаит и др.;

АН УССР. ИГТМ. – Днепропетровск, 1983. – 13 с.

6. Амелин В.А. Технологические решения по предотвращению поступления в подземные выработки Арте мовской гипсовой шахты обрушающейся геомассы из провальных воронок на поверхности горного отвода.

//Геотехническая механика: Сб. науч. Тр. ИГТМ НАН Украины. – Днепропетровск: Полиграфист. – 2000, - Вып.

№ 23. – С. 184 – 189.

Выпуск № УДК 622.693. Круть О.А., кандидат техн. наук, АОЗТ „НПО „Хаймек”.

ЕКОЛОГІЧНІ ПЕРЕВАГИ ВОДОВУГІЛЬНОГО ПАЛИВА Изложены особенности технологии водоугольного топлива, обеспечивающие эколо гический эффект от его сжигания вследствие снижения содержания твёрдых частиц и ток сичных газообразных веществ в атмосферных выбросах, а также использования в качестве исходного продукта угольных отходов обогащения из шламонакопителей.

ECOLOGICAL ADVANTAGES OF COAL–WATER FUWEL Specific aspects of the coal-water fuel technology are discussed, which ensure an ecological ef fect of coal-water fuel combustion owing to a reduced particulate and toxic gaseous substances con tent of air emissions as well as the use of coal preparation waste from slurry ponds as the original product.

Енергетичний аспект розвитку світової економіки вимагає інтенсивного ви користання енергоресурсів, серед яких на теперішній час та у перспективі провідна роль належить вугіллю. Ця обставина висуває проблему забезпечення екологічної безпеки в умовах все більш жорстоких вимог до охорони нав колишнього середовища.

В України найбільш екологічно несприятливим є Східний регіон і, зокрема, Донецька область, яка забезпечує 30 % промислового виробництва України і де сумарне техногенне навантаження на одиницю площі в 4 рази перевищує середнє по Україні, а на кожного мешканця припадає більше 100 т накопичених промислових відходів, у тому числі токсичних.

Основними джерелами забруднення атмосферного повітря є підприємства вугільної, енергогенеруючої та металургійної промисловості, якими наприкінці минулого століття по Донецькій області кожен рік в атмосферу викидалося біля 86 % всіх. викидів шкідливих речовин.

Природні ландшафти Донбасу у більшості випадків видозмінені через гос подарчу діяльність. Екологічний профіль його визначається наперед за все індустріальними ландшафтами з максимальною деградацією природних ком плексів, великі площі зайняті териконами, кар'єрами, плоскими породовід валами, золовідвалами, шламонакопичувачами, тощо.

Основними джерелами вироблення та складування відходів залишаю-ться вугільна та вуглепереробна промисловість. Об’єм вугільних відходів у Донецькій області дорівнює 50 % від загальноукраїнського об’єму. Підпри ємства вугільної промисловості попри зниження загального об’єму вироб ництва, а також роботи, що проводяться по реструктуризації та закриттю шахт, створюють високе техногенне навантаження на території області, оскільки, ряд джерел забруднення навколишнього середовища залишаються екологічно не безпечними, незалежно від того працює або ні підприємство по основному ви робництву.

Інтенсивно забруднюють атмосферу твердими частинками та токсин-ними газоподібними речовинами підприємства теплоенергетики. Накопичення в атмосфері оксидів сірки та азоту призводить до утворення кислотних дощів, які "Геотехническая механика" погіршують стан лісів, підвищують кислотність грунтів та водоймищ. Серед газів, які сприяють інтенсивному утворенню тепличного ефекту 50 % складає СО2 та 10 % –NOх.

Таким чином, з еколого-економічної точки зору господарчий профіль про мисловорозвинених регіонів України і, зокрема, Донбас, характеризується домінуванням екологічно небезпечних виробництв та високою територіальною концентрацією.

Екологічна ситуація, тобто стан окремих компонентів природного сере довища (повітряний басейн, вода, грунт, ландшафти), що змінюються під діян ням виробництва, не лише стає гальмом цього виробництва, але в значній мірі обумовлює підвищення навантажень на людський організм, безпосередньо впливаючи на здоров'я, самопочуття та психологічний стан людей.

Таким чином, найважливішим завданням та навіть економічною стра-тегією сьогоднішнього дня стає розробка та впровадження науково обгрунто-ваних ре сурсо-заощаджуючих технічних рішень та нових технологій, особливо в галузі теплоенергетики, в напрямку зниження кількості шкідливих викидів у навколишнє середовище, хоча б до гранично припустимих концентрацій, ста білізації та поліпшення екологічної ситуації в промислово-розвинених регіонах країни.

Одним з таких технічних рішень є впровадження у велику та малу тепло енергетику технології водовугільного палива, що характеризується висо-кою ефективністю та екологічною чистотою спалювання.

За своїми фізико-механічними характеристиками ВВП подібно до рідкого в'язкого палива – мазута і може бути використаним у топках кам'яновугільних та газомазутних котлоагрегатів всіх типів та паропродуктивностей. Модифі кація пиловугільних котлоагрегатів для переводу на спалювання водовугі льного палива здійснюється з мінімальними витратами і, як правило, зберігає можливість роботи на традиційному паливі. В системі паливоподачі ВВП вико ристовують трубопроводи мазутного господарства ТЕС. Майже не зазна-ють конструктивних змін пальники та форсунки.

Спалювання водовугільного палива має свої досить помітні особливості [1], найважливішою з яких є паралельне протікання процесів горіння частинок тве рдої фази з поверхні краплин палива та випарювання вологи палива, що вміщу ється в цих краплинах. Саме ця обставина обумовлює високу ефектив-ність ви горання органічної маси палива, яку вміщено у краплинах, і як наслідок – мож ливість екологічно чистого спалювання.

У високотемпературному середовищі камери спалювання (до 1200 С і ви ще) краплини водовугільного палива підсихають, поверхня частинок твердої фази, які розміщені поблизу зовнішньої поверхні краплин, оголюється. Надалі зона випарення вологи проникає в глибину краплини, а ті частинки, які під сохли, спікаються, утворюючи досить міцний пористий шар, з якого форму ється пористий агломерат розміром до 30 мкм, де зконцентровані всі зольні ча стинки ВВП. Ця обставина значно підвищує ефективність роботи сухих золоу ловлювачів і обумовлює викид твердих частинок з димовими газами не вище за Выпуск № 60-80 % від рівня гранично допустимих викидів.

Одночасно з випаренням зовнішньоповерхневої вологи краплини палива, при прогріванні до температури кипіння, в центрі її утворюється пароподібний мікрооб'єм, який збільшується по мірі прогрівання, і стає джерелом утворення сферічної порожнини зольного агломерата на завершальній стадії процеса го ріння. Цей мікрооб'єм обумовлює міграцію твердих частинок та вологи до пе риферії краплини палива, що полегшує дифузію окислювача до частинок вугіл ля та інтенсифікує процес горіння в цілому.

Великий градієнт температур у шарі, який утворився з висохших част-инок і має високий термічний опір, обумовлений його структурою, сприяє то-му, що спалахнення частинок вугілля, активованого водяною парою, відбу-вається ще до завершення випарення вологи з краплини. Як свідчать експери-ментальні дані, до моменту спалахнення водовугільного палива на основі кам'яного вугіл ля з його об'єма встигає випаритись лише 30 % вологи.

Спалахнення та основні стадії горіння водовугільного палива протікають в умовах випарення вологи, яка міститься у об'ємі краплини, та масопереноса во дяної пари через шар агломерованих частинок органічної та мінеральної части ни палива, утвореного на поверхні краплини. Вже при температурах 400-600 С контакт поверхні вугільної частинки з водяною парою призводить в результаті деструктивних процесів до активації цієї поверхні і як наслідок – різкого під вищення швидкості хімічних реакцій вугільної речовини з окис-лювачами.

Для розпиленого у потоці повітря водовугільного палива такими окис лювачами є кисень повітря та водяна пара, яка в сумарному процесі горіння ви конує роль проміжного окислювача. Водяна пара при високій концентрації є каталізатором для реакції горіння монооксиду вуглеця, що протікає безпо середньо біля поверхні краплини, і, таким чином, майже повністю виключає наявність цієї високотоксичної газоподібної речовини у газоподібних вог нищевих залишках.

При горінні краплини ВВП прогрівання вугільних частинок відбувається з меншою інтенсивністю ніж у випадку сухого вугілля внаслідок процесів випа рення вологи та масопереносу водяної пари. Спалахнення краплин водову гільного палива починається не з продуктів деструкції (летких), а безпосе редньо з гетерогенних реакцій активованих вугільних частинок на поверхні аг ломерованої краплини. Багатофакторний процес деструкції та горіння вугіль них компонентів краплини ВВП, утруднений процесом випарення вологи, обу мовлює високу повноту вигорання органіки палива, що складає 99,0-99,7 % для вугілля марки Г.

Оксиди сірки SO2 та SO3, утворення яких є результатом окислення сіро вміщуючих компонентів палива, досить ефективно зв'язують оксиди лужно земельних та лужних металів (CaO, MgO, Na2O, Ka2O) а також їх сполучення, які, як правило, присутні у мінеральній складовій вугілля. Ефективність зв'язу вання підвищує введення в паливо цих оксидів у вигляді водних розчинів. Крім того сполучення лужно-земельних та лужних металів присутні також у воді, яку використовують для виготовлення водовугільного палива.

"Геотехническая механика" Оксиди азота NO та у невеликій кількості NO2 (у технічній літературі об'єд нані символом NOх) утворюються при спалюванні палива за рахунок окислення азота повітря при високих температурах в зоні горіння (термічні оксиди азота) та за рахунок хімічних реакцій азотовміщуючих сполучень вугілля з киснем по вітря та кисневміщуючих сполучень палива (паливні оксиди азота).

При спалюванні краплин водовугільного палива навколо них утворюється напіввідновлююче середовище зони вторинних реакцій. Попадаючи в цю зону, монооксиди азота, що утворилися в результаті горіння вугілля, отримують сприятливі умови для свого відновлення.

Практикою підтверджена можливість відновлення при температурах 800 900 С монооксида азота монооксидом вуглеця 2NO + 2CO = N2 + 2CO2. До по дібного відновлення призводять також гетерогенні реакції з коксовим залиш ком NO + (коксовий залишок) N2.

Зниження в зоні горіння температури на 100-200 С у порівнянні з ка мерним спалюванням вугілля обумовлює чотирьох-шестикратне зниження ут ворення термічних оксидів азота. Промислові дослідження спалювання ВВП у потужних котлоагрегатах показали, що лише за рахунок перелічених факторів утворення оксидів азота складатиме лише 30-50 % у порівнянні із спалюванням вугільного пилу.

Майже півторакратне зниження утворення оксидів азота обумовлене ду-же невеликим у процесі горіння водовугільного палива надміром повітря (3-7%).

Відомі також технологічні заходи до зниження утворення оксидів азота при спалюванні рідкого та газоподібного палива шляхом рециркуляції проду-ктів спалювання, двох- та трьохступінчастого спалювання та ін.

Таким чином, особливості горіння водовугільного палива, а також засто сування певних технологічних заходів суттєво знижують зміст твердих части нок і газоподібних шкідливих речовин в атмосферних викидах теплових елек тростанцій та інших промислових та побутових теплофікаційних установок у порівнянні із спалюванням вугільного пилу і особливо із шаровим спалю ванням вугілля. Паралельний перебіг процесу горіння ВВП та утворення вели кої кількості водяної пари значно зменшує інтенсивність виділення летких про дуктів термічної деструкції вугілля, практично виключає утворення сажі та ін ших аналогічних продуктів крекінгу летких, а також монооксиду вуглеця та ле гких вуглеводнів, які є джерелами канцерогенних сполук. Все це дає підставу вважати ВВП екологічно чистим паливом. Крім того на відміну від традиційних палив воно не токсичне та пожежо- і вибухобезепечне при транспортуванні та зберіганні.

У найбільшій мірі переваги водовугільного палива проявляють себе при ви користанні його як основного, штатного палива для спалювання у топках поту жних енергетичних котлоагрегатів, що підтверджено даними експлуатації пер шого у світовій практиці повномасштабного дослідно-промислового тепло енергетичного комплексу „Бєлово-Новосибірськ” (Росія) та створеного з ура хуванням досвіду його освоєння демонстраційного комплексу „Порто Торрес” (Італія) [2].

Выпуск № Вихідним продуктом такого палива має бути високоякісне малозольне ву гілля з високим енергетичним потенціалом, а технологія виготовлення вияв ляється досить складною, що й обумовлює його високу собівартість. Крім того, переведення газомазутних котлів на спалювання водовугільного палива вимагає їх суттєвої модифікації і, в першу чергу, обладнання системи видалення вогни щевих залишків – золи та шлаку, що пов'язане з відповідними витратами. За цих обставин конкурентноздатним високоякісне ВВП може бути лише при ви користанні його як альтернативи природному газу та мазуту, що й обумовило його найбільше застосування у країнах, які, не маючи власних ресурсів нафти й природного газу, прагнуть позбавитись економічної залежності від постача льників. На теперішній час до таких країн в першу чергу належать Китай та Японія і має всі підстави належати Україна.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.