Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
1.1 Общие сведения о стационарных машинах и краткая история их развития
Вентиляторная установка необходима для подачи воздуха в шахту. Различают главную установку, предназначенную для вентиляции всех выработок шахты, и установку частичного (местного) проветривания для вентиляции глухих забоев.
Главная вентиляторная установка 1 (рис. 1.1) соединяется каналом 2 с вентиляционным стволом 3 шахты, закрытым сверху клапаном 4. При работе вентилятора создается разрежение, благодаря чему воздух под атмосферным давлением поступает в главный ствол 5 шахты, омывает, как показано стрелками, выработки и выбрасывается в атмосферу через вентиляционный ствол 3 и вентилятор 1. В рассмотренном случае вентилятор высасывает воздух из шахты; вентиляцию можно осуществлять и нагнетанием воздуха в шахту с помощью вентилятора.
Масса воздуха, транспортируемого в шахту вентиляторами, в 4 – 6, а иногда в 14 раз больше массы добываемого полезного ископаемого (угля, руды и т.д.).
Вентиляторная установка для глухих забоев (см. рис. 1.1) состоит из вентилятора 6, нагнетающего по трубопроводу 7 воздух в забой 8.
Развитие вентиляторных установок характеризуется следующими этапами: поршневые вентиляторы – центробежные вентиляторы с паровыми двигателями; – центробежные вентиляторы с асинхронными двигателями – осевые, турбоосевые и новые центробежные вентиляторы с синхронными двигателями.
Насосная установка необходима для откачки воды из шахты на поверхность. Различают участковую установку для откачки воды от участка или группы участков до уровня околоствольного двора шахты и главную установку для выдачи воды с уровня околоствольного двора на поверхность.
Рис. 1.1. Схемы шахтной, вентиляторной, насосной, пневматической и подъемной установок
Насос 9 участковой установки (см. рис. 1.1) транспортирует воду по трубопроводу 10, проложенному по уклону шахты, на уровень околоствольного двора. Далее по канавкам вода поступает в водосборник 11 главной установки, откуда одним из насосов 12 транспортируется по трубопроводу 13 на поверхность. В глубоких шахтах воду иногда откачивают с нижнего горизонта на промежуточный, а затем уже на поверхность, причем насосы устанавливают как на одном, так и на другом горизонте шахты. Масса транспортируемой из шахты насосами воды в 2 – 7, а иногда и до 40 раз более массы добываемого угля.
Развитие насосных установок проходило следующие этапы: поршневые насосы, помещенные под землей, с приводом через штангу, расположенную в стволе, от паровых машин, установленных на поверхности; поршневые насосы с расположенными под землей паровыми машинами – центробежные насосы с быстроходными электродвигателями.
Насосные установки применяются в горном деле для водоотлива из шахт, уклонов, карьеров, дренажных выработок, скважин, для водоснабжения обогатительных фабрик и при гидромеханизации на рудниках и угольных разрезах, а также для вспомогательных целей. Особенно важно значение насосов для подземных разработок, так как неисправная работа может вызвать затопление шахты, подземного рудника.
Пневматическая установка необходима для получения сжатого воздуха, используемого для работы перфораторов, отбойных и бурильных молотков, пневматических двигателей лебедок, участковых насосов и т. д.
Сжатый воздух имеет существенное преимущество в шахтных условиях – взрывобезопасность, но пневматическая энергия, по сравнению с электрической, во много раз дороже и ее труднее передавать на расстояние.
Пневматическая установка (см. рис. 1.1) состоит из компрессоров 14, вырабатывающих сжатый воздух, воздухосборника 15, воздухопровода 16, по которому транспортируется сжатый воздух, и потребителей сжатого воздуха 17.
Развитие основного элемента пневматической установки – компрессоров – шло по пути использования поршневых, ротационных и центробежных машин, но наибольшее применение в шахтных условиях нашли поршневые компрессоры с синхронными двигателями, а при большом потреблении сжатого воздуха – турбокомпрессоры.
Подъемная установка (см. рис. 1.1) необходима для транспорта по стволу шахты горной массы, людей, грузов и состоит из: подъемных сосудов 18, в которых помещается груз, подъемных канатов 19, направляющих шкивов 20, копра 21, подъемной машины 22.
Развитие подъемной установки проходило от бадьи до скипов, от пенькового до металлического канатов, от примитивных деревянных барабанов до бицилиндроконических барабанов и барабанов многоканатного подъема, от мускульного привода до электрического, от ручного управления до автоматического. Паровая машина вскоре после своего появления нашла широкое применение для подъемных установок. Электрический двигатель для шахтного подъема начал применяться в конце XIX века. Благодаря преимуществам электрического подъемного двигателя перед паровым (большая безопасность в работе, легкость и точность управления, экономичность), он сейчас получил исключительное распространение.
Таким образом, надежность работы – главнейшее требование, предъявляемое к насосам, вентиляторам, компрессорам и подъемным установкам, однако, при этом надо стремиться к наиболее рациональной работе с наименьшим расходом энергии и при наивысшем к.п.д. [2].
Простейшие типы насосов (поршневых) были известны и применялись еще во времена Аристотеля (IV век до н. э.). Водоподъемные машины, приводившиеся в действие силой людей и животных, применялись в Египте за несколько тысячелетий до н. э.
Машины для перемещения воздуха и газов появились значительно позднее. Изобретение воздушного поршневого насоса связано с именем германского физика Отто Герике (1640 г.).
Изобретателем центробежного насоса является, по-видимому, итальянец Джиованни Жордан, давший первый рисунок такого насоса; изготовление первого простейшего центробежного насоса приписывается Дени Папину (1703 г.).
Внедрение насосов в промышленность России было непосредственно связано с горно-рудным делом. Уже в XVIII веке К. Д. Фролов и другие мастера горного дела применяли установки с поршневыми насосами для водоотлива из шахт и промывания россыпей.
В России в 1631 г. построены первые водоподъемные машины.
По указу Петра I в 1718 г. построены водоподъемники для водоснабжения царского летнего сада, а 36 лет спустя Л. Эйлером была разработана струйная теория центробежных насосов.
В 1757 г. К. Д. Фроловым сооружается несколько насосных установок сначала на Урале, а затем на Алтае. Эти насосы были поршневыми, приводились в действие от водостолбовых или паровых машин (атмосферных).
Почти одновременно с К. Д. Фроловым в этой области работал русский изобретатель И. И. Ползунов, создатель первой паровой машины. Им построено несколько насосных установок на Змеиногорском и других рудниках. В работе М. В. Ломоносова «Первые основания металлургии или рудных дел» (1763) находим описание водоотливных установок.
Основное уравнение центробежного колеса, сыгравшее большую роль в развитии турбомашин, было выведено в 1754 г. членом русской Академии наук Л. Эйлером.
В 1832 г. горный инженер А. А. Саблуков изобрел и применил на алтайском Чагирском медном и серебряном рудниках центробежный вентилятор, а в 1835 г. – центробежный насос. В XIX веке профессорами Петербургского горного института А. И. Узатисом, П. А. Олышевым, И. А. Тиме и другими разработаны основные положения горной механики как науки.
Особое значение имели работы Н. Е. Жуковского «Видоизменение метода Кирхгофа» и «Теория воздушных винтов», им определены и разработанные направления развития современной гидроаэромеханики.
Результатом работ академиков М. М. Федорова, А. П. Германа и других явились теоретические основы горной механики (вентиляторных, водоотливных, пневматических и подъемных установок).
На основе вихревой теории крыла проф. Н. Е. Жуковского советские ученые в ЦАГИ создали теорию осевых вентиляторов и рациональную их конструкцию.
В конструировании надежных центробежных насосов большую роль сыграли труды акад. Г. Ф. Проскуры, разработавшего вихревую теорию центробежных насосов, которая явилась дальнейшим развитием вихревой теории крыла Н. Е. Жуковского.
На основе теории пневматических установок, вклад в которую внес проф. А. С. Ильичев, в настоящее время созданы надежные конструкции поршневых и центробежных компрессоров.
В 1913 г. М. М. Федоров вывел основное динамическое уравнение подъемных систем и дал основу проектирования подъемных установок. В 1925-1930 гг. проведены исследования по нахождению эффективного режима работы подъемной машины, что дало возможность провести типизацию и стандартизацию подъемного оборудования. Позже важным становится вопрос об аппаратуре управления и защиты, об автоматизации управления подъемными машинами [3].