Обґрунтування параметрів ковшів землечерпакових снарядів для глибоководного видобутку органо-мінеральних осадів

Abstract

Дисертація присвячена обґрунтуванню параметрів ковшів землечерпакових снарядів для підвищення їх продуктивності при глибоководному видобутку органо-мінеральних осадів за рахунок підвищення коефіцієнту наповнення їх ковшів шляхом обґрунтування раціональних геометричних параметрів та визначенню навантажень на ківш при копанні. Встановлено аналітичні залежності раціональної висоти та довжини ковша, а також зусилля опору ковша заповненню від його ширини, глибини та швидкості різання, в’язкості, щільності, зчеплення та куту природного укосу (в розпушеному стані) розроблюваного ґрунту. Прове-дено експериментальні дослідження процесу копання глибоководних органо-мінеральних осадів в лабораторних умовах з використанням зменшених фізичних моделей ковшів та в реальних умовах експлуатації одноковшового землечерпакового снаряду в Чорному морі на глибині понад 1800 м. Розроблені математичні моделі використовуються в інженерній методиці. На рівні винаходу запропоновано спосіб видобутку донних відкладень з великих глибин та пристрій для його реалізації.

Диссертация посвящена обоснованию параметров ковшей землечерпа-тельных снарядов для повышения их производительности при глубоководной добыче органо-минеральных осадков за счет повышения коэффициента наполнения их ковшей путем обоснования рациональных геометрических параметров и определению нагрузок на ковш при копании. Проведен обзор и анализ конструкций землечерпательных снарядов для глубоководной добычи полезных ископаемых. Проанализированы их достоинства и недостатки. Определены перспективные конструкции землечерпательных снарядов для промышленной разработки месторождений глубоководных органо-минеральных осадков. Исследован процесс заполнения ковша при разработке пластичных водонасыщенных грунтов. Установлено, что при копании ковшом заданной ширины при сколь угодно больших его прочих габаритных размерах при определенных параметрах призмы волочения заполнение ковша прекращается, а процесс резания грунта переходит в процесс его раздвигания, поэтому объем грунта в ковше ограничен, независимо от пути копания сверх некоторой величины. Разработаны аналитические зависимости максимально достижимых параметров тела грунта в ковше и усилия сопротивления ковша заполнению от ширины ковша, глубины и скорости резания, вязкости, плотности, сцепления и угла естественного откоса (в разрыхленном состоянии) разрабатываемого грунта. Разработана методика определения рациональных геометрических параметров ковшей землечерпательных снарядов для достижении наибольшего коэффициента их наполнения, которая основана на анализе максимально достижимых размеров тела грунта внутри ковша. Проведены экспериментальные исследования процесса копания глубоководных органо-минеральных осадков в лабораторных условиях с использованием уменьшенных физических моделей ковшей и в реальных условиях эксплуатации одноковшового землечерпательного снаряда при копании органо-минеральных осадков в Черном море на глубине более 1800 м. Лабораторные исследования позволили проверить адекватность разработанных аналитических зависимостей путем сопоставления результатов расчетов и экспериментальных данных, а также установить влияние угла наклона ковша на параметры тела грунта в ковше и усилие сопротивления ковша заполнению. Исследование кинематики и динамики ковша землечерпательного снаряда емкостью 0,33 м3 при добыче донных осадков в Черном море позволило определить положение ковша в пространстве при его опускании, копании донного грунта и подъеме на судно, скорость, ускорение и усилие в подвеске ковша во время цикла черпа-ния. Подтверждено положение о малозначимом влиянии гидростатического давления на усилие сопротивления пластичных водонасыщенных грунтов ко-панию. Результаты исследований реализованы в виде методики расчета геомет-рических параметров ковшей землечерпательных снарядов и нагрузок на ковш при копании глубоководных органо-минеральных осадков. Использование методики позволяет определить высоту и длину ковша заданной ширины, при которых достигается высокий коэффициент его наполнения, определить путь копания, требуемый для заполнения ковша, а также усилие сопротивлении грунта копанию для обоснования параметров привода рабочего органа. С использованием разработанных математических моделей определения геометрических параметров ковшей землечерпательных снарядов проведен численный эксперимент, на основе которого установлено отношение высоты ковша к его длине, при котором достигается наибольшая емкость ковша при максимальном значении коэффициента его наполнения, определены зависимости удельного усилия сопротивления ковша заполнению и удельной работы заполнения от параметров резания. На уровне изобретения разработан способ добычи донных осадков с больших глубин и устройство для его реализации.

The thesis is devoted to the determination of bucket parameters of dredgers intended to increase their productivity while deep-water organic-mineral sediments mining by increasing the fill factor through determination of the bucket rational geometrical parameters, and to define the forces on the bucket during digging. Analytical dependences of the rational height and length of the bucket, as well as its filling resistance on cutting parameters and physical-and-mechanical properties of excavated sediments were determined. Experimental investigation of the process of deep-water organic-mineral sediments digging in laboratory conditions with the use of reduced physical models of buckets and in the real operating conditions of a single-bucket dredger in the Black Sea at a depth of 1,800 m were carried out. Methodology of mathematical modeling for the tech-nical design of the bucket was developed. At the invention level, a method for mining sediments from great depth and device for its realization were invented.