CC BY
86
УДК 622.23.054.2:622.271.64
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК
НАСАДОК
В.В. Колесников, А.В. Лежебоков, А.Е. Пушкарев
Предлагается использовать встроенный генератор гидродинамических колебаний на основе эффекта Польмана Яновского и явление кавитации для создания в работе инструмента прокалывающей установки продольновибрационного ускорения, что повысит эффективность работы. Рассматриваются вопросы, связанные с возникновением и развитием кавитации при течении жидкости в каналах с местным сужением. Описана стендовая база и методики исследований.
Ключевые слова: прокол ГНБ, кавитация, сужающихся насадки, динамические колебания.
В росте современных городов большое значение имеет развитие инженерных коммуникаций. Большая часть коммуникаций различного назначения проложена закрытым, подземным способом. В передовой зарубежной практике около 95 % [1] объема проводимых работ прокладке новых и реконструкции имеющихся коммуникаций проводится бестраншейным методом. Это позволяет снизить время проведение работ, сохранить целостность инфраструктуры и снизить стоимость проведение работ. Тем самым спрос на технику горизонтально-направленного бурения (далее по тексту ГНБ) для проведения бестраншейных работ возрастает.
В настоящее время весь спектр инструмента, присутствующий на рынке ГНБ, не охватывает полный спектр нужд в этой области. В основном весь инструмент рассчитан на мягкие породы. Это, во-первых, связано с дешевизной и, как следствие, доступностью инструмента, а во-вторых, большая часть требуемых проколов не требует высокотехнологичного инструмента. Однако есть ряд недостатков такого инструмента: достаточно быстрый износ как самого пилотируемого инструмента, так и его составляющих и узкая область применения, ограниченная твердостью породы.
Одним из перспективных путей повышения эффективности работы породоразрушающего инструмента является придание воздействию на массив динамического характера (кратковременные ударные импульсы) [2]. В частности, продольно вибрационные ускорения, возникающие в инструменте при колебаниях жидкости, и кавитация, протекающая в буровом растворе, способны повысить его работоспособность по крепким породам и расширить область применения такой техники.
Для этого предлагается оснастить исполнительный орган установки ГНБ встроенным генератором гидродинамических колебаний со специальным профилем в корпусе. Встроенный генератор гидродинамических колебаний на основе эффекта Польмана - Яновского обеспечит вибрацион-
ные колебания и существование режима периодически срывной кавитации при прохождении через него промывочной жидкости, бентонитового раствора, традиционно используемого при прохождении пилотной скважины. Вибрация и динамические характеристики кавитационных струй должны повысить эффективности работы породоразрушающего инструмента, уменьшив время проходки.
Таким образом, исследование динамических характеристик квита-ционных свойств струй для повышения эффективности работы породоразрушающего инструмента прокалывающей установки является актуальным.
Объектами проводимого исследования являлись струеформирую-щиеся насадки с каналами различного внутреннего сечения (рис. 1). Подобные исследования также проводились Назаровым Г.С. [3, 4] и Сио-вым Б.Н. [5].
Рис.1. Профили каналов исследуемых насадок
Данные насадки поочередно устанавливались в экспериментальную установку (рис. 2), состоящую из резервуара 1 с жидкостью, погруженного в неё насоса 2. Элементы установки между собой связываются гидравлическим рукавами 3, фильтром и манометром 4, краном 5, поверхность канала 6 сообщалась с атмосферой. В качестве рабочей жидкости использовалась вода.
В ходе эксперимента определялись зависимости объемного расхода жидкости, проходящей через канал, от изменения давления, подаваемого к насадке, скорость истечения жидкости из канала.
Рис. 2. Экспериментальная установка
Расход жидкости, через струеформирующую насадку можно определить [6]:
где площадь поперечного сечения канала насадки; лР _ перепад давления в формирующей насадке; Р - суммарный коэффициент расхода насадки, характеризующий её геометрию и равный
№ = Ф ,
где Ф - коэффициент гидравлического сопротивления, его значения колеблются в пределах (0,7...0,98); £ - коэффициент объемного сжатия
струи,
где и - площадь поперечного сечения струи до выхода из насадки (численно равна площади канала насадки); /■ - площадь поперечного сечения струи на выходе из насадки.
Коэффициент объемного сжатия струи для насадок с профилируемой формой может достигать единицы. Значение суммарного коэффициента расхода в конструкциях каналов от 0,55 до 0,9.
Результаты замеров представлены графически на (рис. 4).
Анализ полученных графиков показал, что для насадок различных диаметров и конусности значение коэффициента расхода изменяется в широком диапазоне. Так для образца «1» его величина 0,72; для образца «2» -
0,64; для образца «3» - 0,8; для образца «4» - 0,74; для образца «5» - 0,7; для образца «6» - 0,58.
При визуальных наблюдениях удалось определить, что с понижением давления в месте сужения насадки возникает парогазовая кавитация. При помощи фотосъемки зафиксировано истечение струи из насадок
(рис.4).
Рис. 3. График расхода от давления для исследуемых насадок
1 2 3 4 5 6
Рис. 4. Истечение струи из насадок при Р = 0,5...1,4 МПа
Важно отметить, что для насадки «6» кавитационное течение не наблюдалось. Для насадок «1 - 5» акустически был определен треск, переходящий в шум, характерный для кавитационного потока. Исследования показали, что внутренняя геометрия сопла оказывает существенное влияние на форму и место кавитационной зоны.
Результаты выполненных исследований могут быть использованы при разработке встроенных генераторов гидродинамических колебаний для исполнительных органов машин ГНБ.
Список литературы
1. Рыбаков А.П. Основы бестраншейных технологий. Теория и практика. М.: Изд-во «ПрессБюро», 2005, 304 с.
2. Земсков В.М. Развитие научных основ создания вибрационных рабочих наконечников машин для прокола горизонтальных грунтовых скважин: дис. ... д-р техн. наук. Саратов. Сарат. техн. ун-т, 2011. 307с.
3. Назаров Г.С. Эксперементальное исследование кавитационных характеристик сужающихся насадков //Инженер. -физ. журн. 1968. Т.Х1У. №3. С. 423-429.
4. Назаров Г. С. К расчету параметров кавитационного течения в гидравлических системах // Инженер.-физ. журн. 1969. Т. XVII. №3.
С. 397-406.
5. Сиов Б.Н. Истечение жидкости через насадки в среды с противодавлением. М.: Машиностроение, 1968. 140 с.
6. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. М. Машиностроение. 1973. 697 с.
Колесников В.В., аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Лежебоков А.В., канд. техн. наук, troaxn a niail.ru. Россия, Тула, ЗАО «Тульская инвестиционно-строительная компания»,
Пушкарев А.Е., д-р техн. наук, pushkarev-agnamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
EXPERIMENTAL STUDIES OF THE CHARACTERISTICS OF NOZZLES V.V. Kolesnikov, A.V. Legebokov, A.E. Pushkarev
It is proposed to use the built-in generator hydrodynamic oscillations based on the effect Pollman-Yanovsky and cavitation to create in the piercing tool set longitudinal vibration acceleration, thus increasing efficiency. The problems related to the emergence and development of cavitation flow in channels with local narrowing. Described bench base and research methodologies.
Key words: HDD puncture, cavitation, tapered nozzle, dynamic fluctuations.
Kolesnikov V.V., postgraduate, [email protected]. Russia, Tula, Tula State University,
Legebokov A.V., candidate of technical science, ^oa^^maUm, Russia, Tula, "Tula Investment and Construction Company",
Pushkarev A.E., doctor of technical science, pushkarev-agnamail.ru, Russia, Tula, Tula State University
