CC BY
36
УДК 532.528
A.Е. Пушкарев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-20-41, pushkarev-agn@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
К.А. Головин, д-р техн. наук, проф., (4872) 33-31-55, g-sps@mail.ru, (Россия, Тула, ТулГУ),
B.В. Колесников, асп., (4875) 15-15-31, obivan87@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
А.В. Лежебоков, канд. техн. наук, ген. директор (Россия, Тула, ОАО «Перспектива»)
СТЕНДОВАЯ БАЗА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ КАВИТАЦИОННЫХ СТРУЙ РАЗЛИЧНОЙ ВЯЗКОСТИ
Предлагается использовать явление кавитации для создания в работе инструмента прокалывающей установки продольно вибрационного ускорения, что повысит эффективность работы. Рассматриваются вопросы, связанные с возникновением и развитием кавитации при течении жидкости в каналах с местным сужением. Описаны стендовая база и методики исследований.
Ключевые слова: прокол ГНБ, кавитация, сужающиеся насадки, высокое давление.
Ускоренные темпы роста объёмов строительства и освоения подземного пространства, повышение требований к экологической безопасности ведения горных работ при устройстве тоннелей и прокладке инженерных коммуникаций в условиях небольших глубин и наличия на поверхности зданий и сооружений требуют создания технических средств, обеспечивающих образование выработок с минимальным воздействием на окружающий массив. В значительной степени этим требованиям отвечают машины, реализующие технологию проходки выработок малого сечения методом прокола. При этом обеспечивается сохранение устойчивости и целостности вмещающих пород. Прокол ГНБ не предполагает необходимость рыть траншею. То есть коммуникации прокладываются без вскрытия грунта. Технология напоминает стежок при шитье. Около 90 % всех проводимых работ при проколе грунта происходят под землей, не затрагивая поверхность. При этом прокол ГНБ способен прокладывать трубопроводы достаточно глубоко, во-первых, и на значительные расстояния, во вторых. Это позволяет «обойти» не только автомагистраль, но и здание, водоем и прочие крупные по площади и глубокие препятствия, [1]
В настоящее время буровой инструмент, присутствующий на рынке горизонтально-направленного бурения, не охватывает полный спектр нужд в этой области. В основном весь инструмент рассчитан на мягкие породы (твердость пород которых составляет меньше 4 единиц по шкале М.М. Протодьяконова). Это, во-первых, связано с дешевизной и как следствие, доступностью инструмента, а во-вторых, большая часть требуемых проко-
лов не требует высокотехнологичный инструмент. Однако есть ряд недостатков такого инструмента: быстрый износ как самого пилотируемого инструмента, так и его составляющих и узкая область применения, ограничиваемая себя твердостью породы.
Одним из перспективных путей повышения эффективности работы породоразрушающего инструмента является придание воздействию на массив динамического характера. В частности, продольные вибрационные ускорения, возникающие в инструменте при кавитации в протекающей буровом растворе, способны повысить его работоспособность по крепким породам и расширить область применения такой техники.
Для этого предлагается оснастить исполнительный орган прокалывающей установки гидровибратором с внутренним каналом со специальным профилем в корпусе. Гидровибратор обеспечит существование режима периодически-срывной кавитации при прохождении через него промывочной жидкости, водоцементного раствора, бентонитового раствора в одном случаи и воды в другом.
Для исследования свойств жидкости была создана экспериментальная установка, которая представляет собой маслостанцию, мультипликатор, сварную конструкцию, состоящую из рамы, закрепленной с помощью анкерных болтов укрепленной на бетонном фундаменте, привода, предназначенного для вращения поворотного стола посредством цепной передачи. На поворотном столе установлена емкость с образцом закрепляемого породного массива. Непосредственно над емкостью расположена горизонтальная балка с закрепленным на нем инструментом. Причем балка расположена таким образом, что инструмент имеет возможность перемещения в горизонтальной плоскости от оси вращения емкости до ее стенки.
Составлена методика исследований кавитационных струй и характеристик сужающихся насадок.
Объектами исследования являются каналы различной формы, изготовленные из плексигласа (рис. 1).
Каждый канал поочередно устанавливается в прозрачной трубе, присоединяемой к емкости с жидкостью, поверхность которой сообщается с атмосферой. Другой конец трубы соединяется с мерной емкостью. При перетекании жидкости через канал снимаются характеристики в виде зависимости объемного расхода от перепада давления. На рис. 1 представлены характеристики шести каналов различной формы - № 1, 2, 3, 4 ,8 ,9, имеющих цилиндрические участки в минимальном сечении, а также четырех каналов - № 5, 6, 7, 10, имеющих разные диаметры минимальных сечений с острой кромкой.
На выходе из трубы в месте сужения канала возникает кавитация. В первый момент зона кавитации будет иметь формы кольца, затем ее размеры увеличатся. При давлении на выходе, близком к давлению упругости насыщенного пара, происходит отрыв потока и образование струи. Отрыв
потока происходит сначала на небольшом участке за сужением, затем по мере снижения давления на выходе зона отрыва распространяется дальше, и пелена кавитации, окружавшая поясом активную жидкую струю, перемещается вдоль трубы в направлении течения.
Рис. 1. Основные размеры и формы каналов № 1...10
В работе Г. С. Назарова [2] приведены результаты аналогичных экспериментов. При этом теоретическая основа проводимых исследований строилась по следующей расчетной схеме.
Из уравнения Бернулли для сечений 0-0 и 1-1, пренебрегая потерями на участке сужения канала, а также в струе, имеем
Р - Р +Г С*
с2 =-— (1)
1 р
2
где с1 - скорость струи; р - плотность жидкости; Р0 - статическое давление на выходе; Р - статистическое давление в струе; с0 - скорость течения на выходе.
При внезапном расширении струи имеют место потери полного давления. Для сечений 1-1 и 2-2, поэтому, согласно теореме Борда-Карно, стало возможным написать:
Р* - Р* =2 ( С1 - С2 (2)
где р1 - полное давление в жидкои струе; р2 - полное давление на выходе; с2 - скорость течения на выходе:
Р
Р 2
р + — с .
2
(3)
Рис. 2. Схема отрывного течения жидкости: 1-рабочий канал; 2 - поток на входе; 3 - область пара и газа
(каверна); 4- струя жидкости; 5 - область пузырьковой кавитации; 6 - поток на выходе; 7-ртутный дифманометр: а - в предотрываной стадии - разность давлений ; б - при полном отрыве потока - разность давлений р0-р1. (Переход из а в б осуществляется скачком)
После приведения подобных членов получим
2
Р1 - Р2 =РС2 РС1С2 , где р2- статистическое давление на выходе,
откуда
с,
РС2 +( Р2 - Р1 )
РС2
(4)
(5)
После возведения (5) в квадрат и исключения с1 из уравнения (1)
имеем
2РС
Р 2
Ро + 2 С2
- 2РС
Р2
Ро> + 2 С22
= ( Р1- Р2 )2.
(6)
В скобках стоят значения полных давлений. В результате
( Р2 - Р1 )2 _ 4 Р С2
* * Ро - Р*
2
где Р0 - полное давление на входе.
Уравнение (7), связывающее параметры трех сечений канала: при входе, в сечении струи и при выходе, характеризует распределение энергии при отрывном течении жидкости.
Движение жидкости создает благоприятные условия для выделения растворенных газов в зоне пониженного давления. Статическое давление в каверне равно сумме давлений: давления упругости насыщенного пара и парциального давления газа, выделившегося из жидкости. Рекомендуется в выражении для коэффициента кавитации вместо рп писать сумму давлений р„+ рг. Тогда отношение запаса давления р2 при котором происходит полный отрыв потока, над давлением пара и газа к динамическому напору в широком сечении канала можно рассматривать как коэффициент кавитации, определяющий момент отрыва:
Рг-(Рп+Рт)
• = (8)
Ч2 2 2
где рп - давление упругости насыщенного пара; рг - парциальное давление газа в каверне.
Вводится аналогичный коэффициент для сечения при входе в канал:
Ро~(Рп+Рг)=К (9)
2<
Для рассмотренного случая равенства площадей сечения канала на входе и выходе (см. рис. 2) полученное уравнение (7) представлено из исходного уравнения (6):
2 рс22(р0-р1) = (р1-р2)2. (10)
При раскрытии скобок и преобразований получим
р\ - 2(а + рс\)р2 + (р2х - 2рс22р0) = 0. (11)
Решая квадратное уравнение и вынося из под корня ропределим р2:
р2=рхрс22±рс22
1
1 + ^. (12)
2 2
Так как р1 = рп + рг, а с0=с2 то, принимая во внимание (8) и (9), получим:
При вытекании жидкости из широкой трубы в более узкую линии тока искривляются у стенки, образуя местное сужение, которое определяет
= 4. (13)
расход жидкости при заданном перепаде давлений. Площадь сечения струи подсчитывается по формуле
Р = , ® , (14)
стр |— ч —| 5 V /
2 [ Р Pn + Pr )
V Р
где Q - расход жидкости; FCTp - площадь сечения канала.
Коэффициент сужения струи находится из отношения
j = ^, (15)
F
отв
где j - коэффициент сужения струи.
При проведении эксперимента учитывалось, что сужение зависит от формы входа: чем плавнее вход: тем больше коэффициент j :
Р* ~(Р" + ^ ) = 1. (16) Р С2 2 1
Представленные значения левой части равенства подсчитываются без учета сужения струи, намного больше единицы. Поэтому при сравнении кавитационных режимов в каналах различной формы необходимо учитывать фактическое сужение струи.
Однако в представленных экспериментах в качестве рабочей жидкости исследовались вода и керосин. В технологии прокола ГНБ рабочей жидкостью является цементный раствор, бентонитовый раствор и вода. То есть свойства этих жидкостей существенно отличаются от приведенных, следовательно, эксперимент по определению квитационных свойств струи является актуальным.
Список литературы
1. Рогачев А. А. Обоснование конструктивных параметров и режимов работы исполнительного органа управляемой прокалывающей установки: дис....канд. техн. наук. Тула, 2007. 140 с.
2. Назаров Г.С. Экспериментальное исследование кавитационных характеристик сужающихся насадок// Инженерно-физический журнал». 1968. Т. 14. Вып. 3. С. 423- 429.
A.E. Pushkarev, K.A. Golovin, V. V. Kolesnikov, A. V. Lezhebokov
STAND BASE AND RESEARCH METHOD OF VARIOUS VISCOSITY CA VITA TIONAL JETS
It is proposed to use the phenomenon of cavitation to create a work tool punctured installing longitudinal vibration acceleration, which will enhance their work. The questions
related to the emergence and development of cavitation in liquid flow in channels with a local constriction. Bench base and research methodologies were described.
Key words: puncture HDD, cavitation, tapered nozzle, high pressure.
Получено 24.11.11
УДК 622.232.05:004
В.П. Сафронов, д-р техн. наук, проф., ((4872) 35-20-41) (Россия, Тула, ТулГУ)
В.В. Сафронов, канд. техн. наук, доц., ((4872) 35-20-41) (Россия, Тула, ТулГУ)
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ МАНИПУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЫ СТРЕЛОВИДНОГО ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ОРГАНА ПРОХОДЧЕСКОГО КОМБАЙНА
Рассмотрено моделирование параметров манипулятора стреловидного проходческого комбайна. Предложена методика выбора рациональных параметров мани-пуляционной системы.
Ключевые слова: манипуляционная система; проходческий стреловидный комбайн; рациональные параметры манипулятора.
Начальный элемент механической системы исполнительного органа комбайна непосредственно связан с механическим породоразрушающим инструментом, например, коронкой. При воздействии резца коронки исполнительного органа на породу возникают реактивные усилия. Результирующее реактивное усилие, действующее на резец, состоит из трёх взаимно перпендикулярных составляющих (рис. 1):
- Z - усилие резания, действующее по касательной к траектории движения резца и в направлении, обратном их движению;
- Y - усилие подачи, действующее по нормали к траектории движения резца и в направлении от забоя, т.е. в направлении, обратном подачи;
- X - боковое усилие отпора, действующее на резец перпендикулярно к усилиям Z и Y, т.е. по бинормали к траектории их движения и в направлении от забоя.
Для расчёта сил резания и подачи инструмента на забой при разрушении пород острым резцом использованы формулы Л.И. Барона и Л.Б. Глатмана:
Z0 = pKkan (0,92 + 0,01bp)(0,25 + 0,018th) ; (1)
Y 0 =Z0, (2)
где Z0, Y0 - силы резания и подачи на одном остром резце, Н; рк - контактная прочность пород, МПа; kan - коэффициент, учитывающий влияние
