Оптимальное рабочее давление сжатого воздуха

Давление в пневматических сетях, как и напряжение в энергосистемах, должно быть стандартизировано. В то же время между электрической и пневматической энергией имеется существенное различие, заключающееся в том, что при повышении давления сжатого воздуха в компрессорах происходит значительное выделение тепла, использовать которое в большинстве случаев не удается. Кроме того, с ростом давления в сети увеличиваются потери из-за утечек сжатого воздуха при транспортировании, что не имеет места в энергосистемах при повышении напряжения.

При повышении давления сжатого воздуха в сети приходится считаться с дополнительной потерей энергии в компрессорных установках, с возрастающими утечками воздуха через неплотности в трубопроводе при транспортировании и с увеличением виброотдачи у ручных машин.

Очень распространено мнение, что, чем выше давление у пневмодвигателя, тем эффективнее он работает. Для пневматических инструментов это справедливо в том смысле, что, чем выше давление воздуха, тем большую мощность может развивать инструмент. Однако при этом надо учитывать вибрацию и интенсивный износ деталей. Для горних машин, работающих с переменной нагрузкой, избыток давления против расчетного приводит к излишним потерям энергии за счет редуцирования. Недостаточное давление для пневматических механизмов особенно вредно. В этом случае резко снижается производительность, увеличивается расход воздуха.

Как в энергосистемах необходимо следить за постоянством напряжения в сети, так и при использовании энергии сжатого воздуха необходимо следить за постоянством давления в трубопроводе.

В связи с этим у всех приемников следует обеспечить требуемое расчетное давление. Так как давление у работающих в шахте приемников равняется давлению на компрессорной станции минус потери в трубопроводе, то при стабильных магистралях можно регулировать давление как для всей массы, так и для отдельных групп. Обычно у приемников поддерживается рабочее давление 4—6 кгс/см2.

В настоящее время наметилась тенденция к повышению давления сжатого воздуха для проходческих и транспортных машин до 8—10 кгс/см2.

В свое время из руднике «Большевик» Криворожского бассейна была оборудована опытная установка, обеспечивавшая давление сжатого воздуха 10—12 кгс/см2; от установки работали перфораторы и погрузочные машины. Опыты показали возможность перевода этих машин на повышенное давление и выявили наряду с положительными факторами (увеличение производительности. улучшение к. п. л. машины) также ряд отрицательных: увеличение виброотдачи. шума, утечек сжатого воздуха через неплотности в трубопроводах, резко возросший износ деталей.

Аналогичные опыты проводились в Швеции. Результаты опытов установили нерентабельность перевода существующих конструкций машин на давление 10—12 кгс/см2.

В связи с тем, что около 60—60% сжатого воздуха на рудниках расходуется на бурение, следует особо рассмотреть возможность перехода на этих работах на оптимальное рабочее давление воздуха.

Скорость бурения в зависимости от давления сжатого воздуха может быть выражена в общем виде уравнением

где а, b и с — коэффициенты; P— давление в сети, кгс/см2.

По опытам, проведенным в ИИГРИ при бурении по породам крепостью 6—14 по шкале проф. М.М. Протодьяконова и давлении сжатого воздуха 5—12 кгс/см2, получены зависимости скорости бурения от давления, приведенные на рис. VII.11.

Как видно из рисунка, скорость бурения при повышении давления сжатого воздуха возрастет по прямой линии, крутизна которой зависит от типа машины и крепости пород. Поэтому правильному выбору давления и типу бурильных машин применительно к крепости горных пород должно уделяться особое внимание.

В соответствии с проведенными в НИГРИ опытами возможно скорость бурения при переходе на повышенное давление определять по уравнению

где v — скорость бурения при повышенном давлении, мм/мин

v0 — скорость бурения при первоначальном давлении, мм/мин;

P — повышенное давление, кгс/см2; P0 — первоначальное давление, кгс/см2.

В связи с увеличением скорости бурения при переходе на повышенное давление, естественно, должен снижаться расход сжатого воздуха, отнесенный к единице полезной работы, в данном случае к 1 м пробуренного шпура.

Расход воздуха q (м5/мин), отнесенный к 1 м пробуренного шпура, может быть определен из уравнения

где Q — расход воздуха бурильной машиной, м3/мин; v — скорость бурения, мм/мин.

Из опытно, проведенных в НИГРН, следует, что расход воздуха, отнесенный к 1 м шпура, при переходе на повышенное давление, может быть определен из уравнения

где t'0, P0, Q0 — первоначальные соответственно скорость бурения, давление и расход воздуха; P — давление, при котором определяется расход воздуха.

Из уравнения видно, что расход воздуха, отнесенный к 1 м шпура, является более сложной функцией по сравнению со скоростью бурения. На рис. VII.12 приведена зависимость удельного расхода воздуха на бурение пород крепостью 8—12 по шкале проф. М.М. Протодьяконова для отечественных бурильных машин от давления сжатого воздуха.

Как видно из рисунка, наиболее эффективные показатели по снижению удельного расхода сжатого воздуха, отнесенного к 1 м пробуренного шпура, имеют место при переходе от давления 5,5 к давлению 8 кгс/см2. Дальнейшее же повышение давления сопровождается уже незначительным снижением удельного расхода сжатого воздуха.

При бурении пород на давлении более 4 кгс/см2 и при сохранении существующей конструкции уплотнений трубопроводов возрастают утечки воздуха.

При увеличении давления от 4 до 10 кгс/см2 утечки в сети возрастают примерно в 4 раза, в то время как давление увеличивается только в 2,5 раза. Поэтому при переходе на повышенное давление следует изыскивать более эффективные уплотнения трубопроводов.

Стойкость инструмента современных бурильных машин в значительной степени зависит от давления сжатого воздуха. Стойкость инструмента, выраженная в часах работы, снижается с ростом давления в сети, при этом наиболее интенсивное изнашивание наступает в интервалах 8—12 кгс/см2.

На рис. VII.13 приведена выявленная НИГРИ зависимость стойкости бура от давления сжатого воздуха.

При увеличении давления сжатого воздуха от 4 до б кгс/см2, т. е. в 1,5 рЛза, стойкость инструмента в породах с коэффициентом крепости 14—16 по шкале проф. М.М. Протодьяконова, выраженная в часах работы, снизилась с 12 до 3, т. е. в 4 раза. В этом интервале скорость бурения вырастет примерно в 3 раза, что приведет к снижению стойкости инструмента, отнесенной к единице произведенной работы, примерно в 1,3 раза.

При переходе на повышенное давление, очевидно, необходим более стойкий инструмент. При этом также следует обратить особое внимание на необходимость снижения запыленности воздуха, так как увеличение давления приводит к росту скорости бурения и более интенсивному пылеобразованию.

При переходе на повышенное давление сжатого воздуха можно использовать существующие пневматические машины, рассчитанные на рабочее давление 5—6 кгс/см2. В этом случае двигатели, как правило, увеличат частоту вращения и развиваемый момент, что приведет к увеличению мощности. Поршневые машины при этом снижают расход воздуха, отнесенный к 1 л. с., т. е. повышают экономичность работы. Однако шестеренные, ротационные и турбодвигатели снижают к. п. д. при повышении оптимального давления. При наличии значительных запасов прочности пневматических машин в большинстве случаев возможно повышенное, против расчетного, давление на 50—80 %.

С ростом давления воздуха в сети производительность машины с пневмодвигателем повышается прямо пропорционально давлению. Так, при изменении давления в сети от 5 до 12 кгс/см2 производительность погрузочных машин с поршневым двигателем возрастает примерно в 2,5 раза.

Быстроходный поршневой двигатель даст более высокие показатели при переводе его па повышенное давление по сравнению с тихоходным.

Увеличение давления от 5 до 20 кгс/см3 позволяет за счет повышения частоты вращения увеличивать производительность и особенно развиваемое давление осевого вентилятора. При этом незначительно улучшается максимальный к. и. д. вентилятора. Однако смешение кривой к. и. д. влево и сторону больших расходов свидетельствует о возможности практически работать на максимальном к. п. д. при высоких давлениях в сетях (12—20 кгс/см2) только при большом давлении вентилятора (180—250 кгс/м2).

При увеличении давления с 5 до 12 кгс/см2 частота вращения вентилятора возрастает с 4800 до 8000 об/мин, или в 1,65 раза. При этом расход сжатого воздуха увеличивается с 1,2 до 3,65 м3/мин, или в 3 раза; максимальный к. п. д. рабочего режима вентилятора снижается с 0,185 до 0,17. Таким образом, у турбомашин, где решающее влияние па величину к.п.д. оказывают расположение и профиль сопел, обеспечивающих подвод сжатого воздуха к турбине, перевод па повышенное давление приводит к улучшению к. п. д. установки.

При переходе на повышенное давление сжатого воздуха, как правило, повышается мощность пневматических машин почти в прямой пропорции как в случае применения поршневых, турбинных, так и шестеренных и ротационных двигателей.

В интервале до 12 кгс/см2 это изменение мощности для каждого типа двигателя можно приближенно определить из уравнения

где N1 и N2 — мощности, развиваемые двигателем соответственно при давлении P1 и P2.

Для рудничных объемных двигателей, работающих с частичным расширением и рассчитанных па рабочее давление 5— 5,5 кгс/см2, можно принимать а = 2 и b = 1.1. В этом случае

Таким образом, мощность двигателей возрастает почти пропорционально давлению, что определяет целесообразность перехода на повышенное давление сжатого воздуха в рудничной сети, однако следует иметь в виду, что расход сжатого воздуха на компрессорной станции, отнесенный к 1 л. с. мощности, развиваемой двигателем, при этом увеличивается.

На рис. VII.14 приведены значения расхода сжатого воздуха на компрессорной станции, отнесенные к 1 л. с. индикаторной мощности, развиваемой двигателем, в зависимости от давления сжатого воздуха. Как видно из рисунка, повышение рабочего давления в сети приводит к увеличению расхода энергии компрессорной станции, отнесенной к 1 индикаторной л. с. в объемных двигателях.

Неблагоприятно возрастает затрата энергии, отнесенная к единице мощности у двигателей, работающих с полним наполнением (косозубые и прямозубые двигатели, поршневые двигатели, работающие без расширения).

Имея в виду, что в интервале 5—8 кгс/см2 расход энергии, отнесенный к единице мощности, возрастает менее интенсивно по сравнению с возможным ростом мощности двигателя при тех же габаритах, целесообразно давление сжатого воздуха для обычных потребителей повысить до этих пределов.

Приведенный выше анализ свидетельствует о целесообразности работы шахтных пневматических машин на давлении 6—8 кгс/см2. Поэтому на существующих стандартных компрессорах следует работать с максимальным давлением 8 кгс/см2.

Конструкция пневмодвигателей должна предусматривать возможность эффективной работы при изменении рабочего давления от 5 до 6 кгс/см2, связанным со значительными колебаниями давления в рудничной сети.

Пневматические машины, располагаемые в околоствольных выработках или на поверхности шахты (затворы, заталкиватели и т. п.), бурильные и погрузочные машины, работающие от передвижных компрессоров, должны рассчитываться на давление 6 кгс/см2. Однако они должны эффективно работать в условиях. когда давление сжатого воздуха изменяется от 5 до 7 кгс/см2.

Одновременно необходимо обратить особое внимание на автоматическое регулирование давления в компрессорной станции, призванное обеспечить стабилизацию давления в трубопроводе при переменной нагрузке.

К случаям, требующим выбора оптимального давления путем расчета, можно отнести пневмотранспорт и эрлифты.

В эрлифтах для откачки воды из затопленных выработок обычно ограничиваются стандартными давлениями компрессорной станции в пределах 7—8 кгс/см2.

Однако в эрлифтных установках, поднимающих глинистый раствор и продукты разрушенных горных пород при бурении шахтных стволов. давление сжатого воздуха может составлять 30—50 кгс/см3 и выше. Такие потребители выделяются в особую группу и обеспечиваются компрессорами производительностью до 20 м3/мин.

К обособленной группе относятся рудничные воздуховозы, работающие от установленного на нем пневматического аккумулятора, рассчитанного из давление воздуха в аккумуляторе 180—200 кгс/см2.

К этой же группе можно отнести установки для пневматического взрывания и рыхления угля при помощи специальных патронов. В этом случае оказалось эффективным давление 600—800 кгс/см2.

При применении регулятора и пневмоаккумуляторов возможно стабилизировать давление в пневматической сети у приемников до 6 кгс/см2. что позволит применить в этих условиях малогабаритные пневмодвигатели с более высоким к. п. д.

Таким образом, наиболее распространенными параметрами давления сжатого воздуха для пневмопотребителей в горной промышленности являются 5, 6 и 8 кгс/см2. а для особых условий 50, 180 и 800 кгс/см2.