Судовые энергетические гидрогрейферные установки для добычи рудных материалов на континентальном шельфе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, кандидат технических наук Никитаев, Игорь Владимирович

• Никитаев, Игорь Владимирович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Никитаев, Игорь Владимирович

1. Анализ техники для подводной добычи полезных ископаемых.

2. Анализ теоретических и экспериментальных работ по зачерпыванию грейфером «сухого» и водонасыщенного материала и резанию водонасыщенного материала с учетом гидростатического давления.

3. Теория силового расчета грейферов, зачерпывающих грунт под водой на больших глубинах.

3.1. Физическая модель сыпучего материала.

3.2. Определение сил сопротивления резанию грунта ружу-щими поясами челюстей грейфера под водой на глубине 50 м. и ниже.

3.3. Определение усилия «присоса», действующего под водой при подъеме грейфера с грунта.

3.4. Определение сил трения по днищу челюсти грейфера.ЛО

3.5. Определение сил трения по боковым стенкам челюсти грейфера.

3.6. Определение сил сопротивления, обусловленных приращением материала в грейфере.

3.7. Влияние приграничных слоев жидкости на силы трения, возникающие в процессе зачерпывания грейфером грунта под водой.

3.8. Определение усилия в замыкающем канате грейфера и мощности, необходимой для зачерпывания.

3.9. Конструктивные предложения по уменьшению сил сопротивления, возникающих при зачерпывании грейфером грунта под водой и в момент его отрыва с грунта.

ЗЛО. Грейфер для работы под водой на глубине до 300 м.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1. Определение репрезентативного объема. Задачи экспериментальных исследований.

4.2. Экспериментальное оборудование.

4.3. Методика и результаты экспериментальных исследований.

4.4. Степень влияния гидростатического давления на усилие резания грунтов, имеющих разные физико-механические показатели.

4.5. Методика определения начального давления и модуля уплотняемости. Ошибка измерения.

4.6. Методика определения коэффициента бокового давления и внешнего трения.

5. Технико-экономический анализ грейферной плавучей установки с гидроразгрузкой под водой.

5.1. Плавучая 2-х грейферная установка проекта ГЦКБ (проектный вариант).

5.2. Расчет мощностных затрат.

5.3. Расчет мощности гидротранспортной установки.

5.4. Анализ исходных данных.

5.5. Расчет норм технологического процесса.

5.6. Расчеты стоимости сырья, материалов и трудоемкости изготовления установки.

5.7. Капиталовложения по порту и флоту.

5.8. Эксплутационные расходы по порту и флоту.

5.9. Выбор оптимального варианта схем механизации.

5.10. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Судовые энергетические гидрогрейферные установки для добычи рудных материалов на континентальном шельфе»

Запасы полезных ископаемых, добываемых в мире, имеют свой предел. По информации зарубежных источников к 2500 г. будут израсходованы запасы всех металлов, находящихся на суше [1], [2] поэтому актуальной является проблема определения месторождения новых залежей, а также разработка уже существующих, но менее перспективных.

Одни из самых богатейших залежей жизненных ресурсов в мире, ещё до недавнего времени мало используемых человеком, скрыты в недрах Мирового океана и прежде всего в его шельфовых зонах. Изучению шельфов посвящено много работ. Основные из которых, как и в изучении геологии шельфов, так и в характеристике добывающей техники, изложены авторами: Яас^гк! М. [3], Лобановым В. А. [4], Айбулатовым Н. А. [5], 1кес1а К. [6], Мызенковой Л. Ф. [7], Мурдмаа И. О. [8], Гольдиным Э. Р. [9], Ржевским В.В. [10], Баладинским В.Л.[11] и др.

За рубежом добывается сейчас из прибрежно-шельфовых отложений до 50% ильменита, 80% монацита, 98% рутила, 100% циркона.

Крупнейшие в мире полиминеральные прибрежно-морские россыпи находятся в пределах Индостана, восточного побережья Африки, на островах Мадагаскар и Шри-Ланка, в пределах северо-восточного и юго-западного участков побережья Австралии, на Атлантическом побережье Бразилии и США.

В России освоение прибрежных россыпей сдерживается слабой геологической изученностью месторождений. Не проведена по сей день в опытно -промышленных условиях технология переработки первичного сырья. В результате ни одного месторождения твёрдых полезных ископаемых шельфа не переведено в категорию промышленных, расширяется только добыча стройматериалов, где объём добываемого песка достигает 45 млн. т./год [12].

Из всех перечисленных полезных ископаемых главное богатство шельфовой зоны составляют железо - марганцевые конкреции, встречающиеся в пределах шельфовых морей - Карского, Балтийского, Баренцева и др. на большом диапазоне глубин, от 100 до 7000 м. Основные их запасы сосредоточены в Тихом океане, где они оцениваются в 1.7 трл. т, или 45 тыс. т. на 1 кв. милю. Запасы конкреций, лежащих на поверхности дна только Тихого океана, составляют 1.66 * 10 12 т. [46]. Высокосортные конкреции содержат от 27 до 30% марганца, 1.1 -1.4% никеля, 1 - 1.3% меди и 0.2 - 0.4% кобальта. При этом основная масса минералов расположена на донной поверхности шельфов, на глубине 1.2 м.

Подводная добыча твёрдых полезных ископаемых может быть экономически более эффективна, чем добыча соответствующего минерального сырья на суше. Разработка на шельфе не требует вскрышных работ, нет необходимости в строительстве отвалов и хвостохранилищь, не нужны подъездные пути, сами месторождения могут быть более мощными, обеспечивающими высокую производительность и быструю окупаемость затрат. Но существуют и значительные трудности, связанные прежде всего с большой глубиной залегания полезных ископаемых, с щелочным составом морской воды, оказывающим разрушительное воздействие на добывающую технику, с погодными условиями (повышенное волнение), а также недостаточной изученностью ресурсов океана и низким уровнем техники.

Цель работы: создание теории деформированных водонасыщенных грунтов под водой при зачерпывании грейферными механизмами с учётом гидростатического давления, и разработка методов расчёта энергозатрат приводных силовых установок.

Научная новизна работы заключается в методе определения нагрузок, действующих на грейфер при зачерпывании им груза под водой на глубине до 50 м. При этом поля давлений определяются при помощи безразмерных характеристик: модуля уплотняемости и коэффициента бокового давления. В работе разработан ряд принципиальных теоретических положений:

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

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

- определено и теоретически обосновано изменение безразмерных характеристик при зачерпывании грейфером грунта под водой;

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

- определены конструктивные решения уменьшения сил сопротивления зачерпывания и подъему грейфера под водой;

- определено влияние гидростатического давления на процесс зачерпывания грейфером грунта под водой.

Практическая ценность и реализация результатов. Разработанный метод расчета применим к грейферам механизмам, которые работают под водой на глубинах от 3 до 300 м.

В работе разработана теория силового расчета грейферных механизмов, в создании которой автор принимал непосредственное участие. Проект специального грейфера для зачерпывания грунта (песок, ПГС) под водой, одобрен в ОАО «Заводе Нижегородский Теплоход».

Разработанный метод расчета использован в курсе лекций: «Машины непрерывного транспорта».

Разработан принцип работы грейфера, зачерпывающего материал на глубине до 300 м., основанный на использовании гидростатического давления в процессе открытия и закрытия челюстей грейфера. Усовершенствована установка ЭСП-01.

Апробация работы. Научные результаты опубликованы в 3 печатных работах. Объем и структура работы. Диссертация содержит введение, 5 глав, заключение и выводы, приложение, З^рисунков,/^ таблиц, изложена на Й6 страницах, список литературы содержит 75 наименований.

Заключение диссертации по теме «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)», Никитаев, Игорь Владимирович

Выводы по 5 главам.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований, изложенные в работе, позволяют сформулировать следующие основные выводы и рекомендации.

1. При зачерпывании водонасыщенных сыпучих материалов грейфером давление, действующее на стенки грейфера состоит из трёх компонентов: давления пластической деформации твёрдой фазы материала, давления фильтрации жидкой фазы и гидростатического давления и силы резания шинами челюстей грейфера.

2. Применение разработанной методики расчета для второй фазы деформирования водонасыщенного материала в грейфере позволяет определить силы сопротивления, как следствие движения челюстей грейфера в поле переменного давления с учетом фильтрации жидкости по безразмерным физико-механическим характеристикам сыпучего материала: модуля уплотнения, коэффициента бокового давления и коэффициента фильтрации.

3. При отрыве грейфера с грунта, возникает вакуумметрическое давление, уравновешивающее давление фильтрации жидкости, что обусловливает образование усилия «присоса». Усилие «присоса» зависит от скорости подъема грейфера с грунта, коэффициента фильтрации и пористости зачерпываемого грунта. Максимальное значение усилия «присоса» составляет 30% для илистых материалов. Получено теоретическое выражение для определения давления фильтрации и экспериментально определен коэффициент фильтрации.

4. При зачерпывании грейфером грунта под водой между внутренней частью челюсти грейфера и материалом образуется пограничный слой жидкости. Влияние пограничного слоя на усилие «присоса» составляет 10. 15%, увеличиваясь с ростом коэффициента вязкости жидкости.

5. В процессе зачерпывания на грейфер действует гидростатическое давление. В математической модели его действие учитывается коэффициентом Кдг, значение которого определено экспериментально для различных материалов.

6. Разработан алгоритм силового расчета зачерпывания грунта грейфером, как сопротивление от движения челюстей в среде с переменной плотностью, учитывающий влияние: гидростатического давления на функцию уплотнения, усилия «присоса», возникающего при подъеме грейфера с грунта.

7. Сила резания режущими поясами челюстей грейфера уменьшается за счет плавного регулирования скорости зачерпывания. С «присосом» можно бороться, устранив или уменьшив величину вакуума под грейфером в момент отрыва. Подтверждено уменьшение усилия «присоса» на 8% за счет использования перфорированного днища челюсти грейфера.

8. Анализ рабочего проекта, его экономичность по отношению к обычным установкам, у которых грунт извлекается на поверхность. По всем технико-экономическим параметрам очевидно преимущество грейферной плавучей установки с гидроразгрузкой под водой над другими аналогичными с разгрузкой на суше. При этом уменьшается строительная высота установки, мощность лебедки, металлоемкость, ее масса, что особенно важно при аварийных ситуациях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Никитаев, Игорь Владимирович, 2000 год

1. White R. M. National ocean program moving in new directions. -«Bull. Amer. Met. Soc.», Jan. 1979, p. 37.

2. United nations legislative series. In: Laws and Regulations on the Regime of the High Sea, vol. 1, N. Y., 1981 p. 38-43.

3. Radetzki M. Metal mineral resourse exhaustion and the thread to material progress. The case of copper. "World Defelop.", 1975, vol. 3, N 2-3, p. 123-236

4. В. А. Лобанов Справочник по технике освоения шельфа. Л.: Судостроение, 1983. - (Техника освоения океана). - 288 е., ил.

5. Айбулатов Н.А., Артюхин А.П. Геоэкология шельфа и берегов мирового океана, Л., Судостроение, 1993 г.

6. Ikeda К., Moriya Н. Devolopment and Praktikal Use of Submersible dredges. In.: Okeanology International. Brighton, BPS Exhibitions Ltd., 1978, p. 22-27

7. Мызенкова Л.Ф. Опыт экспериментальной добычи железо-марганцевых конкреций за рубежом. Л.: Судостроение, 1989 г.

8. Мурдмаа И.О. Железо-марганцевые конкреции.

9. Гольдин Э.Р. Подводно-технические работы. М., Транспорт, 1993 г.

10. Технология добычи полезных ископаемых со дна озер, морей, рек и океанов./ Под общей ред. В.В .Ржевского, Г.А.Нурока.М., Недра, 1979 г.

11. И.Баладинский В.Л., Лобанов В.А., Галанов Б.А. Машины и механизмы для подводных работ. Л., Судостроение, 1979.

12. Слевич С. Б. Шельф: освоение, использование. Гидрометеоиздат, 1977.240 с.

13. Cressard A. The effekt of offshore and gravel mining on hte marine environment. — "Teraet agna", N 8-9, 1985

14. Sauzay G. Apparaisal of radioactive tracer technigeus in dredging opérations. — "Teraet agna", N 10, 1985

15. Fischer W. Energieng nellen fur die Meerestechnik, "MT", N1, 1972, s. 10-19

16. Schneider J., Thiel H. Environmental Problème of depp-sea mining // In the Manganese Nodule Belt jf the Pacific Océan. Ed.P. Halbach, Ferdinand Enke. 1988. P. 1-16.

17. П.Александров М.П. Подъемно-транспортные машины. M.: Транспорт, 1979. - 560 с.

18. Дукельский А.И. Портовые грузоподъемные машины. М.: Транспорт, 1970. - 440 с.

19. Ерофеев Н.И. Технические средства комплексной механизации перегрузочных работ на морском транспорте. М.: Транспорт, 1967 г.-352 с.

20. Румянцев Б.П. Глебко Д.К. Локомотивостроение // Республиканский межведомственный научно-технический сборник. 1970. - Вып. 2. С. 120 - 127.

21. Малеев Л.И. Современные конструкции и тенденции развития грейферов // Подъемно-транспортное оборудование / Ценрт. Научн.-иссл. ин-т инф. и техн.-эконом. иссл. по тяж. и трансп. машиностроению. 1981. - 52 с.

22. Филяков А.Б. Исследование процесса зачерпывания двухканатным грейфером насыпных грузов: Дис.канд. техн. наук. Астрахань, 1971. - 150 с.

23. Ясиновский А.М. Вопросы силового и прочностного расчета двухчелюстных канатных грейферов: Автореф. дисс.канд. технич. наук. Одесса, 1970. -23 с.

24. Стрекалов Б.Н. Грейферы // Козлов Ю.Г. Обермейстер A.M., Протасов Л.П., Андреев А.Ф. Грузозахватные устройства / Справочник. -М.: Транспорт, 1980., 150-193 с.

25. Глебко Д.К. Исследования влияния форм челюстей грейфера на его зачерпывающую способность: Автореф. дисс. .канд.техн.наук. Ворошиловоград, 1974. - 22 с.

26. Шевченко H.A. Исследование зачерпывающей способности грейферных механизмов: Дисс.канд.техн.наук. Харьков, 1976.- 150 с.

27. Соловьев А.Г. Алгоритм расчета грейфера на ЭВМ // Научные труды / Ленинградский политехнический институт. 1978. -№362. - с.93-103.

28. Таубер Б.А. Грейферные механизмы. М.: Машиностроение, 1985.-272 е., ил.

29. Слюсарев A.C. Разработка основ расчета и конструирования рабочих органов подхмно-транспортных машин, подвергающих сыпучий материал объемному сжатию: Дисс.докт.техн.наук. -М, 1991.-391 с.

30. ГОСТ 24599-81. Грейферы канатные для навалочных грузов. Общие технические условия. М.: Изд.стандартов, 1981. - 23 с.

31. Исследовать и разработать средства автоматизации работы грейферных лебедок плавучих кранов // Отчет ОНИР / Горьк. инт инжен. водн. тр-та (ГИИВТ); Руководитель Нестеров JI.H. № гр 01.83.0068285. - Горький, 1985. - 85 стр.

32. Ветров Ю.А. Резание грунтов землеройными машинами. М., Машиностроение, 1971.

33. Огородников С.П. Некоторые вопросы теории подводной разработки грунтов. В кн.: Гидромеханизация при разработке тяжелых грунтов. М., Изд-во ЦНИИТЭСТРОМа, 1968, с.3-51.

34. Баловнев В.И. Федеров Д.И. Разработка грунтов землеройными машинами под водой. Строительные и дорожные машины, 1979 №5, с. 5 - 12.

35. Недорезов И.А., Тургумбаев Д.Д. Моделирование процессов разрушения грунтов в подводных условиях. Строительные и дорожные машины, 1994 №3, с. 20 - 29.

36. Моисеенко В.Г. Сукач М.К. Энергоемкость разрушения донных отложений механическими и гидравлическими способами. -Строительные и дорожные машины, 1991 №5, с. 21 30.

37. Николаев А.Д. Исследование подводной разработки грунта резанием. Труды ЦНИИМЭСХ, т. 1 1965. - с. 295-309.

38. Тургумбаев Д.Д. Исследование процесса резания грунтов под гидростатическим давлением рабочими органами землеройных машин. Дисс. .канд.техн.наук. - М.: МАДИ, 1979.

39. Тындыбеков М.Т. Исследование процесса копания грунтов бульдозерными отвалами под водой. Дисс.канд.техн.наук М.: МАДИ, 1981.

40. Карошкин A.A. Определение параметров кабелеукладочной машины при работе под гидростатическим давлением. -Автореф.дисс. .канд.техн.наук М.: МАДИ, 1983.

41. Шаталов A.A. Исследование процесса подводного резания связанных грунтов шельфовой зоны. Дисс.канд.техн.наук -Одесса, ОИСИ, 1980.

42. Сукач М.К. Экспресс-метод определения свойств подводных грунтов для расчета рабочих сопротивлений землеройных машин. Дисс. .канд.техн. наук. - Киев, КИСИ, 1992.

43. Недорезов И.А., Курузь JI.A. Моделирующие алгоритмы и программное обеспечение расчета усилий подводного резания грунтов. Строительные и дорожные машины, 1990 №6, с. 23 -27.

44. Курузь JI.A. Исследование процесса подводного резания связанных грунтов шельфовой зоны. Дисс.канд.техн.наук -М.,ЦНИИС, 1993.

45. Зеленин А.Н., Баловнев В. И., Керов И.П. Машины для земляных работ. М.: Машиностроение, 1975. 422 с.

46. Лобанов В.А., Хлынцов П.В. Особенности резания грунтов под гидростатическим давлением. Исследование процесса подводного резания связанных грунтов шельфовой зоны. Строительные и дорожные машины, 1985 №5, с. 27 - 28.

47. Недорезов И.А., Курузь Л.А. Моделирующие алгоритмы и программное обеспечение расчета усилий подводного резания грунтов. 1990 №6 с.24-28.

48. Семенов В.Ф. Механико-технологические основы истечения зерновых сельскохозяйственных материалов из емкостей: Дис. .докт.техн.наук. Барнаул, 1979. - 400 л.

49. Жданович Г.М. Теория прессоввания металлических порошков. -М. Металлургия, 1969. 264 с.

50. Никитаев И.В. Определение сил сопротивления резанию грунта режущими поясами челюстей грейфера под водой на глубине до 50 м. Тр/ВГАВТ 1999.

51. Гарсеванов А.А. Механические свойства грунтов, М. 1971.

52. Ермолаев М.М. Комплексное исследование шельфов и береговой зоны. Л., Геогр. об-во СССР, 1970. С. 25.

53. Spagni D., Mineralvorkommen der Welfmeere // Umsbau, 1988, 85, N10. P. 594-598.

54. Analysis of exploration and mining technology for manganese nodules? 1989, Graham and Trotman Ltd. P. 144.

55. Кочина П.Я. Гидродинамика и теория фильтрации . M., 1991.

56. Дерягин Б.Г. Поверхностные силы и граничные слои жидкостей, -М. 1983.

57. Освоение глубин океана: Сб.материалов: Сокр.пер. с англ. — М. -Воениздат, 1971. 324 с.

58. Моисеенко В.Г., Шаталов А.А. Влияние гидростатического давления на характеристики процесса резания натурной глины морского дна// Трансп. стр-во. 1983. - №6. - с. 18-19.

59. Моисеенко В.Г., Шаталов А.А. Лобанов В.А. Обоснование методики физического моделирования подводного резания грунтов//Изв.вузов. Стр-во и архитектура. 1981. - №12. - с.17-21.

60. Мацепуро В.М. Исследование сопротивления почв и грунтов методами теории подобия // Вопросы сельскохозяйственной механики. Урожай, 1970. -Т.19.-60 с.

61. Кондакова А.А. Применение дискретной модели для процесса фильтрирования ньютоновской и неньютоновской жидкостей в пористой среде: Дис.канд. техн. наук. Волгоград, 1980. - 200 с.

62. Ковтун А.П. Платонов П.Н. Датчики для измерения давления в сыпучих средах // Передовой научно-технический и производственный опыт. М.: 1960. - с.3-8.

63. Уманский A.M. Изостатическое прессование. М.¡Металлургия, 1971.- 150 с.

64. Карташев С.Н. Физико-механические свойства и процессы формирования снежно-фирнового покрова восточной Антарктиды. -М.: АН СССР, 1962. 183 с.

65. A.c. 428237 СССР. М. Кл. 01 7/08, 01 9/14. Датчик давления/Слюсарев A.C. (СССР). №1790861/18-10; заявлено 31.05.72; опубл. 15.05.74, бюл. №18, 1974.

66. Слюсарев A.C. Исследование процесса деформации снега в замкнутом объеме и расчет шнековых снегоуплотняющих устройств: Дис.канд.техн.наук. Горький, 1973. - 192 с.

67. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. М. 1979.

68. А.П.Казаков, М.Е.Саломатников, Гидравлический транспорт. Учебное пособие. Горький: ГИИВТ, 1981, -40 стр.

69. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3-х т. т. 2. М.: Машиностроение, 1980, 559 с.

70. Кузьмин A.B. Марон Ф.Л. Справочник по расчетам механизмов подъмно-транспортных машин. Мн. Выш. Шк., 1983. - 350 с.

71. Прайс-лист продукции ОАО «Завода Нижегородский Теплоход».