Рассмотрены направления совершенствования современных высоконапорных насосных агрегатов для систем гидропривода механизированных крепей. Предложены методы повышения их технического уровня на стадии проектирования

Ключевые слова: Механизированная крепь, система гидропривода, высоконапорные насосные агрегаты, виброакустические характеристики, безопасность, надежность.

В связи с постоянным усложнением горно-геологических условий применения очистных угледобывающих комплексов, резко возросли требования к рабочим параметрам и эксплуатационным характеристикам безопасности и надежности механизированной крепи и ее гидроэнергетической установки (ГЭУ). Энерговооруженность современных ГЭУ возросла до 300 кВт, а рабочие значения давления до 40–50 МПа, подачи рабочей жидкости до 300–400 л/мин и выше.

Особенностью ГЭУ для механизированных крепей является ее готовность в каждый момент времени обеспечивать выполнение любой операции технологического цикла работы комплекса. Режимы работы ГЭУ в лавах с высокой нагрузкой довольно напряженные: в течение суток высоконапорные насосные агрегаты (ВНА) включены 20–22 часа, от 50 % до 70 % этого времени они работают в режиме номинальной нагрузки, то есть обеспечивают номинальные значения давления и расхода рабочей жидкости.

Как позывает опыт эксплуатации ГЭУ с ВНА, их функционирование сопровождается генерированием высоких уровней вибрации и шума, превышающих допустимые значения (80 дБА). При этом значительно снижается безопасность эксплуатации ВНА и его надежность, оказывается отрицательное воздействие на человека-оператора, снижая его функциональные возможности и создавая предпосылки для ошибочных действий, аварийности и травматизма [1, 2].

Поэтому достижение безопасных виброакустических характеристик ВНА является актуальной, сложной и наукоемкой задачей. Ее решение позволит не только повысить безопасность и надежность эксплуатации ВНА, но и всего оборудования очистного механизированного комплекса, а также — обеспечит здоровые условия труда обслуживающего персонала.

Характерными направлениями повышения технического уровня современных ВНА являются совершенствования их конструкций на основе высокотехнологичных инженерных решений путем внесения новых подходов:

-          изменена структура ВНА: от одного двигателя приводятся три насоса: силовой пятиплунжерный, шестеренный для принудительной смазки агрегата и подпиточный центробежный [3, 4, 5];

-          применение в составе ВНА 5-ти плунжерных насосов с рядным расположением цилиндров с клапанным распределением рабочей жидкости и электромеханического привода с одноступенчатой зубчатой передачей на коленчатый вал и кривошипно-шатунные механизмы (КШМ) [6, 7];

-          многовариантность исполнений 5-ти плунжерных силовых насосов фирмы RMI (Великобритания) и трех-пятиплунжерных насосов фирмы «Hauhinko» (Германия), путем варьирования значениями передаточного числа зубчатой передачи, диаметра и соотношением «давление-подача», при неизменных конструктивных параметрах «количество и ход поршней», что позволяет получать различные значения подач и давления нагнетания на одном агрегате [6, 7, 8];

-          переход от дискретного способа регулирования подачи рабочей жидкости (РЖ) в гидросистему механизированных крепей на плавное управление подачей и давлением от насоса, что обеспечивает плавное регулирование подачи в диапазоне от 30 % до 100 % [7];

-          применение интеллектуальных систем управления, позволяющих автоматически адаптировать режим работы ВНА к оперативным условиям функционирования оборудования очистного комплекса [8];

-          применение отдельных модулей для приготовления и фильтрации РЖ, контроля ее качества и температуры [9];

-          оснащение ВНА встроенной системой фильтрации РЖ замкнутых гидросистем [9];

-          разработка и применение фильтрационных установок в напорной магистрали с автоматической промывкой, обеспечивающих тонкость фильтрации до 50 мкм и повышение надежности управляющей гидроаппаратуры не менее, чем в 2 раза [10].

Приведенные выше подходы применяются в современных ВНА таких как: насосы типа RMI (Великобритания), насосы типа ЕНР фирмы «Hauhinko» (Германия), насосы типа СНД ГП «Донгипроуглемаш» (Украина), насосы типа R130,R180,R250 фирмы «HIDROWATT» (Швейцария).

Насосные установки фирмы «HIDROWATT» (Швейцария) комплектуются высокоскоростными радиально-поршневыми насосами типа R130,R180,R250 с эксцентриковым прямым приводом от электродвигателей с частотой вращения n_c=1500 об/мин. Герметично-уплотненные цилиндро-поршневые блоки с гидродинамической, регенерирующейся, тонкослоевой смазкой обеспечивают высокую скорость движения поршней, отсутствие утечек и высокий КПД [1, 8].

Рис. 1. Насосный агрегат типа R130

В состав ВНА швейцарской фирмы «HIDROWAT» входят 4 модуля, связанные гидравлически и электрически [11]:

1)        модуль, укомплектованный насосным агрегатом с блоком управления и гидроаккумуляторами, рис.1;

2)        модуль с подпиточным насосом, фильтрами и вспомогательными агрегатами обеспечивает оптимальное управление в системе подпитки высоконапорных насосов и очистку эмульсии;

3)        модуль с емкостью для эмульсии HFA c многоуровневой успокоительной камерой и устройствами для контроля и регулирования температуры;

4)        модуль с емкостью для концентрата HFA со встроенной смесительной установкой для приготовления свежей эмульсии; здесь же размещен контроллер SPS управления насосной установкой. Модульный программируемый контроллер с цветным трансфлективным дисплеем, клавиатурой и сенсорной панелью обеспечивает по выбору автоматические или ручные режимы управления.

ВНА типа СНД300/40–05 и СНД400/32–05 снабжены системой высоконапорной фильтрации повышенной грязеемкости и надежности и аппаратурой управления, контроля и диагностики АУСН. АУСН обеспечивает управление режимами, защиту от перегрева электродвигателей и масла в картерах агрегатов, блокировку станции при снижении давлении подпитки ниже 0,3 МПа, при снижении уровня эмульсии в баке и при обрыве линии дистанционного управления [3].

Как следует из руководства по эксплуатации [11], виброакустические характеристики ВНА «HIDROWAT» и других зарубежных фирм, а также насосных стаций СНД не отвечают современным требованиям. По данным ИТЦ «Горные машины», в первой половине 2011 г. зарегистрировано более 20 случаев выхода из строя современных НС после наработки в течение 3–6 месяцев. Основной причиной этого являются высокие уровни вибрации и шума, генерируемые ВНА НС [1, 2].

Так, при работе ВНА типа СНД150/40 в номинальном режиме (подача

Q = 150 л/мин, давление Р= 40 МПа), амплитудный и частотный спектры вибраций дополняются резонансными крутильными колебаниями, вследствие гидродинамического (силового) воздействия на привод силового воздействия  от полезной технологической нагрузки и кинематических возмущений от инерционных нагрузок в КШМ [4]:

, Нм.

Следует заметить, что амплитуда первой гармоники силового воздействия от полезной нагрузки зависит от инерционности нагнетательных клапанов и количества плунжеров.

Результаты исследований [4] динамических свойств и вибрационных процессов пяти плунжерных ВНА СНД150/40 качественно совпадают с аналогичными характеристиками 3-х плунжерных ВНА, комплектуемых асинхронными двигателями мощностью 55 кВт с частотой вращения =1500 об/мин. Следовательно, в приводе современных ВНА типа СНД150/40 формируются опасные резонансные крутильные колебания, которые являются причинами высоких уровней вибрации и шума, снижающих безопасность эксплуатации агрегата и его приводного двигателя, и оказывающих отрицательное воздействие на обслуживающий персонал, повышающих опасность травматизма.

Кинематические и динамические характеристики КШМ в приводе ВНА также оказывают существенное влияние на уровень неуравновешенных вибрационных нагрузок и их частотный спектр. С повышением ускорений движения вращающихся и возвратно-поступательно перемещающихся масс кривошипно-шатунных механизмов (КШМ) возрастают уровни крутильных и линейных вибраций, а увеличение параметра (отношение длины кривошипа r к длине шатуна l) обусловливает необходимость учета большего числа вибрационных гармоник при расчетах динамических нагрузок ВНА.

Проведенные испытания НС типа СНД300/40 на испытательной площадке машиностроительного завода, подтвердили высокие уровни шума, табл. 1.

Таблица 1

Результаты определения шумовой характеристики СНД300/40

Из табл. 1 следует, что современная НС типа СНД300/40 работает при высоких уровнях шума, следовательно, и уровни вибрации их ВНА так же повышенные.

Выводы и направление дальнейших исследований.

1.         Рассмотрены направления совершенствования современных ВНА и установлено, что генерируемые ими уровни вибрации и шума превышают допустимые значения; это свидетельствуют о том, что закономерности рабочих процессов ВНА и оптимизации их конструктивных параметров еще не в полной мере изучены.

2.         Опыт эксплуатации показал, что показатели надежности и безопасности современных ВНА не соответствуют требованиям нормативно-технической документации. Это обстоятельство определяет актуальность научно-технических задач, направленных на системные исследования динамических свойств современных ВНА и установление закономерностей формирования ими виброакустических процессов, с целью обоснования эффективных способов и средств снижениея вибрации и шума до безопасных уровней и обеспечения тем самым надежности эксплуатации ГЭУ в целом.

3.         Для создания безопасных и надежных ВНА для систем гидропривода механизированных крепей очистных комплексов необходимо на стадии проектирования проводить исследования динамических свойств насосных агрегатов и их рабочих процессов с целью оптимизации структуры агрегата, параметров привода и способа управления.

4.         Снижение опасности от вибрации и шума должно быть достигнуто за счет повышения качества проектирования и технологии изготовления ВНА и ГЭУ в целом, путем исключения резонансных явлений и обеспечения запасов прочности деталей ГЭУ и всей гидросистемы очистного механизированного комплекса на основе применения высокотехнологичного оборудования и интеллектуальных систем управления и диагностики.

Литература:

1.    Гуляев В. Г. Виброакустические процессы и надежность гидроэнергетических установок очистных комплексов: [Монография] / В. Г. Гуляев, К. В. Гуляев, С. А. Китаева; под общ.ред. В. Г. Гуляева. — Донецк: Технопарк «УНИТЕХ», 2012. — 224 с.

2.    Китаева С. А. Обоснование способов и средств достижения безопасных уровней виброакустических характеристик гидроэнергетических установок очистных механизированных комплексов [Текст]: автореф. дис. …канд. техн. наук: 25.01.2013 / Китаева Светлана Анатольевна, МакНИИ. — Макеевка, 2013. — 20 с.

3.    Косарев В. В. Насосные станции ГП «Донгипроуглемаш» нового поколения как источник гидравлической энергии в составе гидропривода механизированных крепей / В. В. Косарев, Н. И. Стадник, Ю. И. Варшавский и др. // Сб. научн. трудов ГП «Донгипроуглемаш». — 2008. — С. 484–492.

4.    Гуляев В. Г. Тенденции и проблемы создания современных насосных станций для угледобывающих комплексов / В. Г. Гуляев, И. А. Квитковский, Н. В. Гутаревич, С. А. Китаева // Наукові праці ДонНТУ. Серія: «Гірничо-електромеханічна» — 2013. — Вип. 1(25). — С. 57–71.

5.    Гуляев В. Г. Способы повышения надежности насосных агрегатов для систем гидропривода механизированных крепей / В. Г. Гуляев, И. А. Квитковский, С. А. Китаева //Вісті. Зб. Наук. праць Донецького гірничого інститута, 2013 (в печати).

6.    J. A. SHAW RMI Pressure Systems Ltd Mining Products Division. QuinmaxS500 — (Горно-шахтная насосная система) // RMI Pressure Systems www.rmipsl.com — 4s

7.    Замланд У., Дайк А., Кузнецов С. А. Преимущества использования рядных поршневых насосов с применением электродвигателей с частотным преобразователем // Глюкауф, май 2011, № 1(2). — С.78

8.    Системы высокого давления компания RMI — гарантия эффективности и безаварийной работы лавного комплекса. ООО «ТОР «Инжиниринг» // «Уголь», декабрь 2010 — С. 34–35.

9.    Косарев В. В., Стадник Н. И., Варшавский Ю. И. и др. Современные фильтры ГП «Донгипроуглемаш» для защиты гидравлических систем горных машин от загрязнений // Сб. научн. трудов ГП «Донгипроуглемаш» — Донецк: Асстро, 2008 — С. 508–537.

10.              М Райтер, Ю. Векслер Влияние качества гидравлической жидкости на работу автоматизированной системы управления // «Уголь», № 1, 2008.

11.              Руководство по эксплуатации и технике безопасности радиально-поршневого насоса R180S HIDROWATT AG, Швейцария, 2011. — 50 с.