На сегодняшний день ожидаемые темпы проведения подземных выработок с помощью проходческих комбайнов составляют 600-800 м/мес [1]. Мировой рекорд скорости проходки тоннелей проходческими щитами составляет 1240 метров в месяц. Геоход представляет собой машину нового технического уровня, способную побить данный рекорд. Геоход по своей сути является горнопроходческой машиной, предназначенной для проведения проходки тоннелей различного назначения, в том числе и для проведения аварийно спасательных работ [2]. В отличие от проходческих щитов, принципиальным преимуществом геохода, является одновременное разрушение забоя исполнительными органами и продвижение корпуса геохода на забой. Подробно конструкции геоходов и особенности его производства рассмотрены в работах [3,4].
Для обеспечения работы основных систем горнопроходческих машин эффективно применяется гидропривод, который к тому же часто имеет запас по модернизации [5]. Системой, обеспечивающей функционирование гидропривода геохода, является насосная станция (НС). К основным требованиям, предъявляемым к насосным станциям геохода, относится наличие таких габаритных характеристик, которые позволят разместить элементы насосной станции в условиях ограниченного пространства [6]. Насосная станция геохода может размещаться за геоходом или в его хвостовой секции. Во втором случае пространство для размещения элементов насосной станции геометрически ограничено внешним диаметром геохода, длиной хвостовой секции и принятым габаритом рабочего пространства. При размещении насосной станции внутри геохода также необходимо учитывать тип конструкции хвостовой части [7] и то, что в хвостовой секции кроме элементов насосной станции размещены приводы исполнительных органов элементов противовращения, основные требования к которым описаны в работе [8].
Самым громоздким элементом насосной станции является гидробак [9], поэтому одним из направлений по сокращению размеров насосной станции и её массы является научно обоснованное уменьшение объема гидробака. Поскольку помимо хранения рабочей жидкости гидробаки выполняют функцию ее охлаждения, то уменьшение вместимости гидробаков неизбежно повлияет на процессы охлаждения рабочей жидкости гидропривода. Таким образом, возникает необходимость в определении тепловой мощности, отводимой гидробаками, при их разной вместимости.
Теоретическая часть. Отводимая стенками гидробаков тепловая мощность определяется из выражения:
(1)
где αТ – коэффициент теплопередачи, кВт/(м2·оС); SГБ – площадь охлаждаемой поверхности, м2; tж – температура рабочей жидкости, оС; tос – температура окружающей среды оС.
Важным параметром в выражении (1) является площадь охлаждаемой поверхности, которая определяется как сумма всех граней по известным формулам. В работе [10] предложено использовать в качестве резервуаров рабочей жидкости гидропривода геохода гидробаки, имеющие в сечении форму параллелепипеда, сегмента и кольцевого сектора. Площадь поверхности гидробака типа «параллелепипед» определяется из выражения:
(2)
где ВПП – ширина гидробака, м; НПП – высота гидробака, м; LПП – длина гидробака, м.
Размеры гидробаков типа «сегмент» и «кольцевой сектор» (рис. 1) ограничены конструктивными параметрами геохода: радиусом геохода RГ, принятым габаритом внутреннего пространства RВП, длиной хвостовой секции геохода LХС.
Рис. 1. Геометрические параметры гидробаков типов «сегмент» (а) и «кольцевой сектор» (б)
Общая площадь поверхности гидробаков типа «сегмент» и «кольцевой сектор» также складывается из площадей поверхностей, образующих резервуар:
– для гидробака типа «сегмент»
(3)
где Sсегм – площадь сегментной части гидробака, м2; Sцил – площадь цилиндрической поверхности гидробака, м2; Sосн – площадь основания гидробака, м2.
Площадь сегментной части гидробака через высоту h сегмента и радиус геохода RГ определяется из выражения:
(4)
где h – высота сегментной части гидробака,
(5)
Площадь цилиндрической поверхности гидробака через радиус, высоту сегмента и длину хвостовой секции:
(6)
где LC – длина гидробака типа «сегмент», м.
Площадь основания гидробака через те же конструктивные параметры геохода выражаются как:
(7)
Подставляя в (3) выражения для определения площадей поверхностей, образующих резервуар (4), (6) и (7), а также с учетом выражения (5) после преобразований получим:
(8)
Площадь поверхности гидробака типа «кольцевой сектор» определяется из выражения:
(9)
где SКС – площадь кольцевого сектора, м2; Sвн.цил – площадь внутренней поверхности гидробака, м2; Sвнешн.цил – площадь внешней поверхности гидробака, м2; Sторц – площадь торцовой части гидробака, м2.
Составляющие выражения (9) определяются из формул:
(10)
(11)
(12)
(13)
где αКС – центральный угол гидробака типа «кольцевой сектор», рад; LКС – длина гидробака типа кольцевой сектор, м.
С учетом (10)-(13) и после преобразований выражение (9) для определения общей площади поверхности гидробака типа «кольцевой сектор» примет вид:
. (14)
Подставив выражения (8) и (14) в выражение (1) можно построить график зависимости отводимой тепловой мощности от площади поверхности гидробаков рассматриваемых форм G = f(SГБ) для геоходов типоразмерного ряда. Однако для практических целей удобнее воспользоваться графиком зависимости вида G = f(VГБ).
Результаты и обсуждение. Для сравнения эффективности охлаждения того или иного типа гидробака построены диаграммы (рисунки 2, 3, 4), которые позволяют сравнить гидробаки разной формы и вместительности по отводимой тепловой мощности.
При построении диаграмм приняты следующие параметры и допущения: коэффициент теплопередачи αТ постоянен; вся поверхность гидробаков участвует в процессе теплопередачи; разность температур составляет Δt = 40 оС (tж = 60оС, tос = 20оС); коэффициент внутреннего пространства равен RВП/RГ = 0,8. Графики построены для объемов гидробаков, принятых равными соответственно одной (VГБ = VQ), двум (VГБ = V2Q) и трем (VГБ = V3Q) суммарным минутным подачам всех насосов. Увеличение объемов гидробаков достигается изменением их длины.
Рис. 2. Сравнение отводимой тепловой мощности гидробаками типа «сегмент» и кольцевой сектор» при объеме гидробака VГБ = VQ
Рис. 3. Сравнение отводимой тепловой мощности гидробаками типа «сегмент» и кольцевой сектор» при объеме гидробака VГБ = V2Q
Рис. 4. Сравнение отводимой тепловой мощности гидробаками типа «сегмент» и кольцевой сектор» при объеме гидробака VГБ = V3Q
При вместимости VГБ = VQ (рис. 2) площадь поверхности и тепловой поток гидробаков типа «сегмент» и «кольцевой сектор» отличаются незначительно, однако с увеличением вместимости до VГБ = V2Q (рис. 3) и далее до VГБ = V3Q (рис. 4) из-за увеличения площади поверхности теплоотдача гидробака типа «сегмент» при прочих равных условиях выше, чем у гидробаков типа «кольцевой сектор».
Следует отметить, что увеличение вместимости гидробаков с VQ до V2Q и V3Q (в 2 и в 3 раза) приводит к увеличению площади поверхности гидробаков лишь в 1,5 и 1,7 раза соответственно.
Выводы. Таким образом, для обеспечения необходимого теплового режима эффективнее не увеличивать объем гидробака, а проводить дополнительные мероприятия по увеличению теплоотдачи. Такими мероприятиями являются применение теплообменных устройств, увеличение охлаждающей поверхности гидробака с помощью его оребрения и применение принудительного обдува, который позволяет значительно увеличить коэффициент теплопередачи αT.
Дальнейшей задачей является оценка достаточности отводимой тепловой мощности для поддержания теплового режима, для чего необходимо определение мощности потерь гидропривода.