CC BY
20
Expediency of researching influence setting water-jet tool deterioration upon efficiency their functioning is substantiated with using information about hydroabrasive cutting different materials.
Key words: hydroabrasive cutting, pressurized water, powdery abrasive, water-jet,
tool.
Получено 24.11.11
УДК 622.257.16.002.54
К.А. Головин, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-31-55, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
Н.С. Леонтьев, асп. (920) 753-44-04, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ), А.Е. Пушкарев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ГИДРОСЪЕМНИКОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ НА УСТАНОВКАХ ГИДРОСТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ
Рассмотрены виды гидросъемников. Представлен стенд и описаны испытания по определению зависимостей, характеризующих режимы работы и позволяющие обосновать рациональные параметры гидросъемника высокого давления. Проанализированы результаты стендовых испытаний гидросъемника и установлены зависимости потери мощности на трение от возрастающего давления.
Ключевые слова: гидроструйная технология, стендовые испытания, гидросъемник, потери мощности, давление.
В настоящее время в горной отрасли и строительстве большое внимание уделяется развитию технических средств для бурения и технологий разрушения породного массива, повышающих эффективность и безопасность производства работ.
К числу таких технологий относятся технологии, основанные на энергии высокоскоростных струй: гидроструйное и гидромеханическое бурение, гидроструйная цементация неустойчивых пород и др. [1, 2]. При этом задача подачи воды под высоким давлением в буровую колонну осуществляется с помощью гидросъемника (рис.1). Такая компоновка бурового оборудования позволяет успешно реализовывать как гидромеханическое бурение, так и гидроструйную цементацию.
Гидросъемник предназначен для передачи высоконапорной воды от питающего трубопровода внутрь вращающейся буровой колонны [2, 3, 4].
Одним из недостатков гидросъемника является относительно невысокий ресурс работы узла, передающего высокоабразивный материал - во-доцементную суспензию под значительным давлением во вращающуюся буровую колонну. Возникающее трение внутри гидросъемника является
определяющим фактором теплообразования. Нагрев уплотняющих элементов приводит к значительному износу оборудования. Важной задачей является обеспечение режима работы гидросъемника, при котором температура в области трения уплотнения и вала не достигла предельно допустимой для материала уплотнения величины.
Оценка теплового режима работы манжетных уплотнений включает определение тепловыделения Qf и отвода тепла от зоны контакта через
тело вала QВ и потоком рабочей жидкости (вода, цементный раствор и т.п.) через уплотнение QМ . С учетом этого, уравнение теплового баланса будет иметь вид
Qf = Qв + Qм . (1)
Рис. 1. Конструктивная схема гидросъемника: 1 - манжетное уплотнение; 2 - механизм предварительного поджатия; 3 - штуцер подвода суспензии; 4 - буровой вал; 5 - корпус гидросъемника; 6 - шпиндель вращателя
Принято считать, что в манжетном уплотнении вала основной теп-лоотвод происходит через вал [5]. В стационарном состоянии, когда температура в каждой точке во времени не меняется, температура в сечении вала под кромкой манжеты составляет Ту. От поверхности вала теплота отводится с одной стороны (длиной Ь\) в рабочую жидкость с температурой Тв, с другой (длиной Ь2) - в воздух с температурой Т0. Температура Ту в зо-
не контакта зависит от длины вала. Минимальная длина теплоотдающей части определяется тепловой характеристикой вала т '±{>2,51 тх \Ь2>2,5/т2. В зоне контакта температура повышается до Ту в соответствии с уравнениями
АТ =-^-
4а
тЖт Ь )Б2
АТ =-- (2)
5 2 \ 2?~2>
где и £>52 - тепловые потоки от вала соответственно в рабочую жидкость и в воздух, Вт; тпх и т2 - тепловые характеристики вала, м" :
тл =
4а!
(КВУ
т 2= (3)
а1 и а2 - коэффициенты теплоотдачи вала к среде, Вт/(м2-°С); I) - диаметр вала, м.
Для гидросъемников характерным является режим работы с весьма значительным расходом. В связи с этим становится актуальным учет охлаждающего воздействия потока рабочей жидкости на манжетах [6].
Уравнение теплового баланса для манжет при установившейся температуре рабочей жидкости:
Qм=cвqвQв(TBl-TB0), (4)
где св - теплоемкость рабочей жидкости, Дж/(кг°С); - плотность рабо-чей жидкости, кг/дм ; Qв - расход рабочей жидкости в теплообменнике, л/ч; Тво - начальная температура рабочей жидкости, °С; ТВ1 - конечная температура рабочей жидкости, °С.
Для определения зависимостей, характеризующих режимы работы гидросъемника высокого давления, был разработан стенд, представляющий собой конструкцию, размещенную на массивной сварной раме и состоящую из электродвигателя, соединенного посредством кулачковой муфты с трехступенчатым редуктором, выходного вала, который через цепную муфту и промежуточный вал соединен с входным фланцем гидросъемника (рис. 2).
В качестве объекта испытаний был выбран гидросъемник ГИС, изготовленный ООО «БЕЛРА-Центр» по заказу фирмы вео&8еа (рис. 3). Гидросъемник работает в макроклиматических районах с морским климатом на открытом воздухе при температуре рабочей жидкости и окружающей среды от +5 до +45 ° С.
Гидросъемник установлен на опоре, при этом его корпус жестко зафиксирован относительно рамы стенда. На выходном фланце гидросъемника закреплено стальное кольцо, на внешней поверхности которого навариваются профилированные кулачки. Кольцо опирается на подшипниковую опору, установленную на кронштейне, закрепленном на фундаменте.
Рис. 2. Конструктивная схема стенда
В процессе работы стенда обеспечивается вращение выходного вала гидросъемника с частотой 15 об/мин, что соответствует рабочей частоте при бурении. Для имитации динамической нагрузки рама стенда помещается на шарнирную опору, размещенную в непосредственной близости от центра масс стенда таким образом, чтобы выходной фланец гидросъемника с кольцом опирался на подшипниковые опоры с возможностью вертикального перемещения вокруг оси шарнира (см. рис. 2). При вращении поверхность кольца взаимодействует с подшипниковой опорой и при прохождении кулачка происходит моделирование боковых колебаний оси гидросъемника под действием радиальной нагрузки. Роль радиальной нагрузки выполняет вес стенда относительно шарнира.
Вода к гидросъемнику подается под давлением по гибкому рукаву. Привод вращения вала осуществляется от редуктора привода буровой колонны.
В ходе испытаний был произведен контроль тока в цепи электродвигателя (с помощью амперметра) и температуры рабочей жидкости в гидросъемнике с помощью электрического термометра (см. рис. 2).
Рис. 3. Гидросъемник ГИС
В таблице и на рис. 4 представлены результаты замеров силы тока от возрастающего давления в гидросъемнике.
Результат ы ^ замеров
Давление Р, МПа Сила тока I, А Потери мощности Ыг, кВт
0 5 0,0
2 7 0,8
4 8 1,1
6 10 1,9
8 11 2,3
10 12 2,7
12 13 3,0
14 15 3,8
16 16 4,2
18 18 4,9
20 20 5,7
22 22 6,5
24 23 6,8
26 24 7,2
28 24 7,2
30 24 7,2
32 24,5 7,4
34 25 7,6
36 25 7,6
1,А 30
25
20
15
10
5
0
О 2 4 б 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 Р, Мпа
Рис. 4. График зависимости силы тока от давления
Потери мощности, расходуемой на преодоление возникающих нагрузок, определяются по формуле
Nr = U(Ip -I0), (5)
где U - напряжение, равное 380 В; I0 - сила тока при холостом ходе, А; Ip -сила тока при максимальном рабочем давлении, А.
При аппроксимации результатов замеров с помощью прикладной программы Microsoft Office Excel была получена расчетная формула для определения потери мощности от повышающегося давления внутри гидросъемника:
Nr = 3,1ln(P) - 1,775, (6)
где Р - давление.
Индекс корреляции для данного выражения составил R = 0,91, что подтверждает адекватность аппроксимации данных.
Анализ результатов экспериментальных исследований позволяет охарактеризовать возникающие потери мощности на трение от давления, что, в свою очередь, позволяет оценить режимы работы и определить рациональные параметры уплотняющих элементов гидросъемника высокого давления.
Список литературы
1. Гидроструйные технологии в промышленности. Гидроабразивное резание горных пород / В.А. Бреннер [и др.]. М.: Изд-во МГГУ, 2003. 279с.
2. Гидроструйные технологии в промышленности. Гидромеханическое разрушение горных пород / В. А. Бреннер [и др.]. М.: Изд-во АГН, 2000. 343 с.
3. Головин К.А., Жабин А.Б., Поляков А.В. Разрушение горных пород импульсными высокоскоростными струями воды//Горные машины и автоматика. Вып. 4. 2006. С. 43 - 45.
4. Бреннер В. А., Пушкарев А.Е., Головин К. А. Исследование гидроабразивного разрушения горных пород// Изв. ТулГУ. Сер. Экология и безопасность жизнедеятельности. Вып. 3. Тула, 1997. С. 342 - 345.
5. Уплотнения и уплотнительная техника: справочник / Л. А. Кондаков [и др.]. М.: Машиностроение, 1986. 464 с.
6. Гидросистемы высоких давлений / Ю.Н. Лаптев [и др.]. М.: Машиностроение, 1973. 152 с.
K.A. Golovin, N.S. Leontiev, A.E. Pushkarev SPECIFIC CALCULA TION OF SWIVELS PARAMETERS FOR "JET-GROUTING " MACHINES
Types of the swivels are considered. Procedure of best work parameters calculation and experimental stand are presents. Loosing of power for friction in correlation with water pressure has get by experimental research.
Key words: jetting technology, jet-grouting, experimental research, swivel, loosing of power, pressure.
Получено 24.11.11
УДК 622.24
Головин К.А., д-р техн. наук, проф., (4872) 35-22-74, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
Ковалев Р.А., д-р техн. наук, проф., (4872) 35-22-74, kovalevdekan@mail .т (Россия, Тула, ТулГУ),
Ковтун Ю.В. асп., (4872) 33-31-55, doinicyna [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
Копылов А.Б, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-22-74, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
Пушкарев А.Е., д-р техн. наук, проф., (4872) 33-31-55, pushkarev-agn@mail .т (Россия, Тула, ТулГУ)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗУПРОЧНЯЮЩЕГО ЗАРЯДА В КОМПЕНСАЦИОННОЙ СКВАЖИНЕ КАК СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ К.И.Ш. ПРИ ПРОХОДКЕ ВЫРАБОТОК ДЛИННЫМИ ЗАХОДКАМИ В МЯГКИХ И ВЯЗКИХ ПОРОДАХ
Описывается способ повышения к.и.ш. до 0.98...1.0 для врубового комплекта шпуров длиной 6,5 м в мягких и вязких породах за счёт применения разупрочняющего заряда малой мощности, взрываемого первым в забое компенсационной скважины.
