CC BY
54
Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2010. Вып. 1. С. 273-281
: НАУКИ о ЗЕМЛЕ :
УДК 622.02.535.522.2
К вопросу формирования плоских струй для систем пылевзрывозащитного орошения горных машин
В.Г. Мерзляков, В.Г. Бафталовский, В.Н. Байдинов
Аннотация. Изложены основные положения аналитического метода расчета профиля проточной части струеформирующих насадок и приведены некоторые результаты экспериментальных исследований насадок с двухступенчатым конусно-циллиндрическим профилем проточной части для формирования плоских гидравлических струй с регулируемой шириной факела, применительно к использованию в системах пылевзрывозащитного орошения горных машин.
Ключевые слова: аналитический метод, проточный профиль, экспериментальные исследования, плоские гидравлические струи, пылевзрывозащитное орошение горных машин.
Опыт эксплуатации различных способов пылевзрывозащиты на проходческих комбайнах избирательного действия показал, что наиболее убедительные результаты были получены с использованием оросительных систем внутреннего и внешнего орошения [1-3], в которых используются форсунки, формирующие упорядоченный осесимметричный капельный поток или непрерывные осесимметричные струи.
В настоящее время установлено, что наилучшие результаты с точки зрения гашения пыли были достигнуты при подаче струй на переднюю грань резца [3]. Однако исследования, выполненные как в РФ, так и за рубежом показали, что более надежная взрывозащита достигается при подаче струи непосредственно на раскаленный след в горной породе позади резца. При этом компактные водяные струи более эффективно эжектируют метан из зоны резания и более надежно снижают температуру следа, обеспечивая таким образом надежную взрывозащиту исполнительного органа.
Хотя правилами безопасности на угольных шахтах [4] предписывается оснащение всех проходческих комбайнов системами внутреннего орошения с давлением воды 4 МПа при расходе на один резец порядка 2 л/мин., необходимо отметить, что указанная норма уже в значительной мере устарела, поскольку в ее основе лежат исследования, выполненные с использованием форсунок. Очевидно, что при этом повышение давления воды более 4 МПа
вызывает переизмельчение водяных капель и их резкое торможение до скоростей, при которых эффективность пылеподавления снижается.
Выполненные в ННЦ ГП — ИГД им. А.А. Скочинского эксперименты убедительно показали, что при использовании непрерывных осесимметричных жидкостных струй, направленных на переднюю грань резца, эффективность пылеподавления стабильно увеличивается при увеличении давления воды до 20 МПа [1-3].
Указанный вывод подтверждается тем, что в настоящее время практически все проходческие комбайны ведущих производителей оснащены высоконапорными системами орошения [3].
В тоже время необходимо признать, что эффективность пылеподавле-ния при подаче непрерывной компактной струи позади резца существенно снижается по сравнению со схемой подачи струи на переднюю грань резца. Это вызвано тем, что ширина факела компактной осесимметричной струи недостаточна для надежного перекрытия основных зон выделения пыли, и значительная часть расхода воды не участвует в процессе захвата и связывания пылевых частиц.
Одним из возможных решений повышения эффективности пылеподавления при сохранении высокого уровня взрывозащиты является подача компактных плоских гидравлических струй с управляемой шириной факела позади резца [3].
До настоящего времени плоские струи нашли довольно широкое применение в основном в технологии гидроструйной очистки различных видов промышленного оборудования от покрытий и загрязнений. Проточная часть насадок используемых для их формирования представляет собой циллин-дрический канал со сферической оконечностью вскрытой дисковой фрезой с образованием овальной щели. Подобные насадки, отличающиеся конструктивным исполнением, выпускают, например, фирмы Uraca и Woma (ФРГ). Технология изготовления таких насадок довольно проста, однако качество формируемых струи весьма низкое, ввиду крайне неблагоприятных условий формирования потока жидкости. Кроме того, конструкция насадок этого типа исключает возможность управления шириной факела струи.
Формирование плоских струй с управляемой шириной факела возможно с использованием двух принципиально различных технологий.
Первая состоит в том, что заранее задается закономерность плавного изменения площади сечения насадки от подводящего канала, имеющего в поперечном сечении окружность, к выходному сечению в виде эллипса, а форма профиля насадки определяется аналитическим путем.. Таким образом создаются условия благоприятного режима разгона потока жидкости, обеспечивающие высокое качество формирования плоской струи.
На рис. 1 приведена схема к расчету проточного канала насадки с эллиптическим выходным сечением для формирования плоских струй, и в кратком виде приведено одно из возможных аналитических решений для его построения.
Рис. 1. Схема к расчету проточного канала насадки с эллиптическим
выходным сечением
Каноническое уравнение эллипса в прямоугольных координатах имеет
вид
х2 У2 і
a2 + b2 ’
(1)
где a, b — соответственно большая и малая полуоси.
Если а = b = R, то уравнение (1) описывает окружность радиусом R. Площадь эллипса S может быть определена по формуле
S = nab. (2)
Тогда площадь промежуточного поперечного сечения может быть определена выражением
S(z) = na(z)b(z). (3)
Задаемся, например, гиперболическим законом изменения площади S
S(z) = AB-z, (4)
где A, B — const.
Тогда при z = 0 площадь сечения проточного канала насадки составит
So = A = nR2. (5)
Соответственно для z = l (где l — длина насадки) будем иметь
Si = nR2B-1 = пафі. (6)
Следовательно, величина параметра B может быть определена как
B = ( &
(7)
С использованием вышеприведенных выражений зависимость площади поперечного сечении насадки от продольной координаты z имеет вид
S (z) = . (8)
Для построения промежуточных поперечных сечений насадки необходимо установить зависимости a(z) и b(z). Принимаем, что малая полуось определяется из выражения
R
b(z) = ~г~~ 2; (9)
1 + cz2
где c — const. Тогда
R
S(z) = na(z) 1 + cz2 . (10)
Отсюда выражение для большой полуоси будет иметь вид
a(z) = R(1 + cz2)^ . (11)
Постоянная с, входящая в формулы (9) и (11), легко определяется из краевых условий при расчете конкретной насадки, когда из технологических соображений (главным образом, исходя из расхода и давления воды) задаются параметры выходного сечения струеформирующей насадки.
Для построения внутренней поверхности канала насадки представим каноническое уравнение (1) в виде
2 2
+ = 1. (12)
a2(z) b2(z)
Подстановкой в (11) выражений (8) и (10) имеем
2 2
Х + 02,-, " 2W2 = I' (13)
К2(1 + ел2)2 (^)2* К2(1 + сг2) 2
Тогда зависимость для определения координаты у имеет следующий вид
і
2 ^2 — X2
Д(1 + cz2){ <$у
у =^----------------------------— ■ (14)
(1 + cz2)( ^)1
Уравнение (13) является основной зависимостью для расчета параметров всех промежуточных сечений проточного канала струеформирующей насадки преобразующего осесимметричный поток жидкости в плоскую струю.
Поскольку расход жидкости через все сечения насадки Q = Szvz = const, то с учетом (4) зависимость изменения скорости по длине насадки будет иметь следующий вид
QB Z ПгЛ
vz = ^р- (15)
С учетом (5), (7) и (15) очевидно, что ускорение потока жидкости в насадке будет зависеть от длины насадки. При уменьшении длины насадки увеличение скорости вытеснении жидкости в осевом направлении будет способствовать увеличению угла расширения плоской струи после вылета из насадки. Это означает, что использование указанных насадок в исполнительных органах горных машин создает возможность, за счет соответствующего
выбора длины насадки, регулировать ширину факела струи в зоне контакта с породным массивом позади резца, и тем самым не только снижать температуру разогрева следа, но и увеличить эффективность пылеподавления.
Изготовление насадок описанного выше типа возможно следующими способами:
— на металлообрабатывающих станках с ЧПУ, в программу которых следует вводить формулу (14) с соответствующей коррекцией числовых значений параметров;
— методом прессования и последующего спекания твердосплавных порошковых материалов;
— методом гальванопластики.
Из вышеизложенного следует, что аналитический способ построения профиля проточной части позволяет получить множество возможных перспективных решений. Однако, проверка их эффективности на сегодняшний день не представляется возможной, ввиду высокой технической сложности изготовления насадок.
Выполненные в ННЦ ГП — ИГД им. А.А. Скочинского исследования закономерностей формирования высокоскоростных струй воды, позволили разработать альтернативную технологию формирования плоских струй воды.
Эта технология основана на предварительном формировании однородного потока жидкости с минимально возможным уровнем турбулентных возмущений в конусно-циллиндрическом профиле насадки с последующим завершением разгона жидкости в конусе второй ступени. Эллиптическая форма выходного сечения достигается за счет прорезанного дисковой фрезой поперечного паза в вершине конуса второй ступени. Для реализации указанной технологии были разработаны и изготовлены струеформирующие насадки, продольные сечения которых приведены на рис. 2.
Управление шириной факела струи в насадках этого типа достигается за счет изменения величины угла ß конуса второй ступени. При этом высокая компактность и структурная плотность струи обеспечивается достаточно высокими значениями градиента давления df на выходе из насадки, обеспе-
Рис. 2. Продольные сечения насадки с эллиптическим выходным
сечением
чивающим устойчивость погранслоя струи [3], который позволяет сохранить плотную однородную структуру формируемой струи, препятствуя ее капельному распаду в воздушной среде.
Исследования были проведены с использованием 12 струеформирующих насадок с углами конусности второй ступени в, изменяющимися в пределах от 20 до 45°. Остальные параметры насадок изменялись в следующих пределах: Во = 2, 62 — 3, 56; йо = 1, 76 — 2,43; й\ = 2, 74 — 4, 56, что позволило дополнительно проанализировать влияние таких факторов, как отношение осей эллиптических выходных сечений насадок ^0 и степеней поджатия потока на выходе из насадки. Кроме того, были проведены аналогичные испытания серийной насадки фирмы WOMA.
Схема стендовой установки для проведения исследований приведена на рис. 3.
При поведении исследований факел плоской струи выставлялся в горизонтальной плоскости и производилась запись динамических давления в сечениях струй на расстояниях 15, 100, 200 и 250 мм от насадки при давлениях воды в предела ро = 5 — 30 МПа. Обработка полученных осциллограмм позволила оценить качество формирования плоских струй и возможность управления шириной факела плоской струи за счет изменения угла конуса второй ступени струеформирующей насадки и отношения ^0.
На рис. 4 приведены графики зависимости ширины факела нескольких плоских струй от расстояния до насадки при давлении воды ро = 10 МПа.
Из представленных на рис. 4 данных видно, что на расстоянии вылета резца Ь ~ 100 мм ширина факела плоской струи существенно изменялась в зависимости от параметров струеформирующей насадки. Наиболее ин-
Рис. 3. Схема стендовой установки для измерения гидродинамических характеристик в сечениях плоских струй: 1 — ствол; 2 — насадка; 3 — измерительная тележка; 4 — гидравлическая трубка Пито; 5 — усилитель;
6 — осциллограф; 7 — тензометрический датчик; 8 — МЭД; 9 — ЭПИД
тенсивное расширение струи было получено при угле конусности в = 45°, а наименьшее при в = 20°.
Выполненные исследования позволили подтвердить высокую эффективность формирования плоских гидравлических струй в двухступенчатых насадках конструкции ННЦ ГП — ИГД им. А.А. Скочинского, принципиальной особенностью которых является возможность управления шириной факела компактной плоской струи. Это открывает перспективу их использования в системах взрывозащитного внутреннего орошения исполнительных органах горных машин с возможность существенного увеличении эффективности пылеподавления в зоне резания.
I),, мм
220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20
О 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 440 480 /„, мм
Рис. 4. Графики зависимости ширины факела плоской струи от расстояния до насадки при давлении воды перед насадкой ро= 10 МПа:
• — насадки №1, №15 с углом 20°; +-----насадки №2, №4, №8 с углом 30°;
х — насадка №10; ▲ — насадка с углом 45°; О — насадки №11, №12, №13
фирмы WOMA
Список литературы
1. Мерзляков В.Г., Бафталовский В.Е., Иванушкин И.В. Системы высоконапорного пылевзрывозащитного орошения для проходческих комбайнов избирательного действия // Рудничная аэрология и безопасность горного производствы: науч. сообщ. / ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского. М., 2005. Вып.330. С.268-276.
2. Гидроструйные технологии на очистных, подготовительных и вспомогательных работах / В.Г. Мерзляков [и др.]. Изд-во Берг Инфо, Глюкауф. 2000. № 1.
3. Мерзляков В.Г., Бафталовский В.Е. Физико-технические основы гидроструйных технологий в горном производстве. М.: ФГУП ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского, 2004. 645 с.
4. Правила безопасности в угольных шахтах. Кн. 3. М.: Недра, 1999. 109 с.
Мерзляков Виктор Георгиевич ([email protected]), д.т.н., профессор, главный научный сотрудник, лаборатория комбинированных средств разрушения горных пород, Федеральное государственное унитарное предприятие «Национальный научный центр горного производства — Институт горного дела им. А.А. Скочинского», Люберцы Московской области.
Бафталовский Виктор Евгеньевич, к.т.н., заведующий лабораторией, лаборатория комбинированных средств разрушения горных пород, Федеральное государственное унитарное предприятие «Национальный научный центр горного производства — Институт горного дела им. А.А. Скочинского», Люберцы Московской области.
Байдинов Виктор Николаевич, аспирант, Федеральное государственное унитарное предприятие «Национальный научный центр горного производства — Институт горного дела им. А.А. Скочинского», Люберцы Московской области.
On the formation of flat jets in irrigation systems for dust suppression and explosion protection of mining machines
V.G. Merzlyakov, V.E. Baftalovsky, V.N. Baydinov
Abstract. The article describes the main aspects of the analytical method of calculating the flow profile of the water jet forming nozzles, and some results of experimental studies of two-stage nozzles with cone-cylindrical profile of the flow section for the formation of flat hydraulic jets with adjustable width of the torch, in use to operate in irrigation systems for dust suppression and explosion protection of mining machines.
Keywords : analytical method, nozzle, flow profile, experimental studies, flat hydraulic jets, irrigation systems, dust suppression and explosion protection of mining machines.
Merzlyakov Viktor ([email protected]), doctor of technical sciences, professor, main scientific collaborator, laboratory of combination systems of rock destruction, Federal State Unitary Enterprise «National Scientific Centre of Mining Production — Mining Institute by A.A. Skochinsky», Lubbers city of Moscow region.
Baftalovsky Viktor, candidate of technical sciences, head of laboratory, laboratory of combination systems of rock destruction, Federal State Unitary Enterprise «National Scientific Centre of Mining Production — Mining Institute by A.A. Skochinsky», Lubbers city of Moscow region.
Baydinov Viktor, postgraduate student, Federal State Unitary Enterprise «National Scientific Centre of Mining Production — Mining Institute by A.A. Skochinsky», Lubbers city of Moscow region.
Поступила 23.11.2009
