Пономарьов Борис Володимирович. Розвиток теорії вібропневмотранспортування закладальних матеріалів

brief description

Пономарьов Борис Володимирович. Розвиток теорії вібропневмотранспортування закладальних матеріалів : дис... д-ра техн. наук: 05.15.11 / НАН України; Інститут геотехнічної механіки ім. М.С.Полякова. - Д., 2006.

Пономарьов Б.В. Розвиток теорії вібропневмотранспортування закладальних матеріалів. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового степеня доктора технічних наук по спеціальності: 05.15.11 «Фізичні процеси гірничого виробництва». Інститут геотехнічної механіки ім. М.С. Полякова НАН України, Дніпропетровськ, 2005.
Дисертація присвячена розвитку теорії динамічних процесів вібропневмотранспортування сипких матеріалів трубопроводами і розробці на її основі сучасних інженерних алгоритмів та методик розрахунку вібропневмотранспортних машин і систем для закладки виробленого простору шахт і в інших технологіях гірничодобувної промисловості.
Отримано співвідношення для критичної швидкості зважування часток сипкого матеріалу, а також співвідношення для дальності пневмотранспортування, що разом з умовою максимуму дальності або рівнянням характеристики компресора утворюють систему рівнянь, що дозволяють розв’язати пневмотранспортну задачу.
З урахуванням розроблених методик створено типорозмірний ряд машин ежекторного типу (ВПМН). Комплекси устаткування з такими машинами пройшли широкомасштабні випробування при підготовці до впровадження у виробництво технології робіт по зведенню бутових смуг для охорони виїмкових штреків на шахтах Центрального і Західного Донбасу.

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, в якій здійснене теоретичне узагальнення і рішення крупної науково-технічної проблеми, що пов'язана з пневматичною закладкою виробленого простору шахт, має важливе промислове значення і полягає в розвитку теорії пневматичного транспортування сипких закладальних матеріалів в трубопровідних системах і створенні сучасних інженерних алгоритмів і методик розрахунку пневмотранспортних систем для раціонального їх проектування.
Вперше, на основі використання системного комплексного підходу до аналізу інтегрованої технологічної системи пневматичного транспортування закладального матеріалу «компресор - трубопровід, що подає повітря - вібропневмозакладальна машина - транспортний трубопровід - вироблений простір шахти» отримані нові наукові та практичні результати, основні з яких полягають у наступному:
1. Розроблено математичну модель руху часток сипкого матеріалу в потоці стислого повітря по робочому органу машини і математичну модель машин з ексцентриковим і інерційним приводом, на основі яких розроблено теорію вібропневмотранспортних машин (ВПМ) з виявленням їх технологічних і динамічних характеристик, визначенням критеріїв стаціонарності і ефективності їх роботи. Зокрема встановлено, що в умовах періодичного режиму середня швидкість руху частки закладального матеріалу з її регулярним підкиданням в межах вібраційного робочого органу вібропневмотранспортної машини під спільним впливом вібрації і потоку стислого повітря знаходиться в гіперболічній залежності від еквівалентного діаметру частки, в показовій залежності від швидкості повітряного потоку і в умовно пропорційній залежності від амплітуди коливань робочого органу. На базі розробленої теорії створені алгоритми і програми розрахунку таких машин.
2. Розроблено математичну модель кочення еквівалентних часток сипкого матеріалу в потоці стислого повітря вздовж нижньої стінки трубопроводу, яка дозволила визначити зони проковзування і непроковзування, одержати залежності для визначення швидкості відриву і сил опору руху часток. На основі розробленої математичної моделі визначено критичні значення швидкостей повітряного потоку і часток сипкого матеріалу, що забезпечують зважування часток і їх рух в горизонтальному трубопроводі без торкання стінок (диплом на наукове відкриття № 197 від 17.01.02). Критерієм зважування під дією підйомної сили Магнуса-Жуковського часток закладального матеріалу, є умова досягнення їх швидкостями критичних значень, квадрати яких прямо пропорційні розміру та щільності часток і зворотно пропорційні тиску повітря.
3. Розроблено математичні моделі режимів руху часток сипкого матеріалу, що обертаються, в потоці стислого повітря вздовж горизонтального трубопроводу, за допомогою яких виявлено критерії їх існування, а також одержано залежності для швидкостей і сил опору руху часток. Зокрема встановлено, що одним з характерних видів руху часток закладального матеріалу у пневмотранспортному трубопроводі є періодичний автоколивальний режим з ударами по стінках, який здійснюється за рахунок енергії повітряного потоку і сил Магнуса-Жуковського і існує при швидкостях повітря більших, ніж швидкість зважування. Кінематичні та динамічні параметри, включаючи сили опору при режимі з непроковзуванням, зростають пропорційно квадрату швидкості повітря, а при режимі з проковзуванням убувають зворотньо пропорційно до неї.
4. Методом молекулярної динаміки в рамках плоскої задачі за допомогою математичного моделювання руху множини часток вздовж горизонтального каналу і на основі аналізу нелінійних диференціальних рівнянь одновимірного двофазного потоку «газ тверді частки» методами теорії динамічних систем одержано закономірності, які адекватно описують роботу пневмотранспортних систем.
5. На основі теорії двофазного потоку «газ тверді частки» і теорії зважування часток в горизонтальних потоках одержано загальні залежності для визначення основних параметрів пневмотранспорту. З допомогою цих залежностей встановлено, що дальність пневмотранспортування прямо пропорційна різності повних імпульсів суміші «газ тверді частки» на початку і кінці трубопроводу та зворотно пропорційна сумі погонних імпульсів сил опору повітря та сипкого матеріалу, яка при заданій довжині трубопроводу визначає характеристику пневмотраси з мінімумом тиску та раціональною витратою повітря, що є вихідними параметрами для вибору компресора. Одержані залежності стали основою розробленої інженерної методики для розрахунку пневмотранспортних систем.
6. Розроблено математичну модель руху часток закладального матеріалу в потоці повітряного струменя, що розширюється, в обмеженому виробленому просторі шахти до моменту випадання на підошву виробки. На основі чисельного експерименту в дослідженому діапазоні незалежних змінних (об'ємна витрата повітряQV110000 м3/г, фракційний склад часток закладального матеріалуd= 0 50 мм), встановлено що найбільшу дальність вильоту мають частки діаметром 10 - 20 мм. При цьому діапазон відхилення від точки найбільшої дальності решти фракцій складає 4 6 м.
Встановлені закономірності дозволяють визначити крок перестановки зйомних секцій пневмотранспортного трубопроводу. Розбіжність результатів аналітичних і експериментальних досліджень в натурних умовах за швидкістю вильоту часток з пневмотранспортного трубопроводу не перевищувало 10 %, а по дальності польоту часток 15 %.
7. Розроблено інженерну методику, яка дозволяє виконати розрахунок технологічної системи «компресор трубопровід, що подає повітря - вібропневмозакладальна машина - транспортний трубопровід - вироблений простір шахти» як єдиного комплексу і визначати її раціональні параметри.
8. Розроблений інженерний алгоритм розрахунку пневмотранспортних систем використаний при розробці раціональних прогресивних технологій зведення бутових смуг для умов ведення гірничих робіт на шахті 1/3 «Новогродовськая» ДП «Селидіввугілля», «Холодна Балка» і ім. С.М. Кірова ДП «Макіїввугілля», «Західно-Донбаська» ВАТ «Павлоградвугілля», ім. О.Г. Стаханова ДП «Красноармійськвугілля».
9. Інженерні методики «Алгоритми і програми для розрахунку вібропневмотранспортних систем» прийняті до використання низкою вищих учбових закладів і спеціалізованих проектних організацій, а саме: Національним гірничим університетом, Автодорожним інститутом Донецького національного технічного університету, Донецьким вугільним інститутом.
10. Річний економічний ефект від впровадження результатів дисертаційної роботи, складає 82989 грн при відробці 3-ї південної лави центрального ухилу пластаl1шахти ім. О.Г. Стаханова ДП «Красноармійськвугілля» з управлінням покрівлею повною закладкою.