CC BY
45
УДК 622.236.732
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ СТРУИ ВОДЫ В МОДУЛЯТОРЕ ГИДРОИМПУЛЬСНОГО ИНСТРУМЕНТА
А.Б. Жабин, А.В. Поляков, А.В. Поляков
Представлена методика и приведены результаты теоретических исследований процесса формирования импульсной струи воды высокого давления в гидроимпульсном инструменте.
Ключевые слова: гидроимпульсный инструмент, струеформирующая насадка, наконечник, коэффициент формы насадки.
Исследования и конструктивные разработки, выполненные как в России, так и зарубежом, убедительно показывают, что гидроимпульсная струя является универсальным инструментом для эффективного разрушения горных пород [1 - 4]. При этом на переднем крае совершенствования техники и технологии разрушения горных пород импульсными струями воды высокого давления наряду с реализацией сложнейших технологических проектов находятся задачи, связанные с совершенствованием гидроимпульсного оборудования и направленные на повышение качества формирования импульсных струй воды.
Для изучения закономерностей процесса формирования импульсной струи воды в гидроимпульсном инструменте, приведенного на рис. 1, была разработана расчетная математическая модель процесса течения жидкости в рабочих зонах модулятора и проведены теоретические исследования.
Следует отметить, что гидроимпульсный инструмент (см. рис. 1) реализует принцип внутреннего прерывания за счет специального устройства (прерывателя), установленного в корпусе модулятора 1, состоящего из наконечника 3 и струеформирующей насадки 2. Наконечник совершает возвратно-поступательное движение с амплитудой А, обеспечивает тем самым изменение зазора между насадкой и наконечником и как следствие изменение характера течения жидкости в модуляторе и создание, таким образом импульсной струи воды.
Простейшая полуэмпирическая математическая модель процесса формирования гидроимпульсной струи в инструменте (см. рис. 1) основывается на энергетическом принципе и строится посредством установления соотношения между энергией жидкости подводимой к модулятору и скоростью истечения струи из него.
Исследование процесса формирования гидроимпульсной струи в модуляторе (см. рис. 1) является весьма сложной теоретической задачей.
Процесс течения жидкости в модуляторе зависит от целого ряда факторов, часть из которых при теоретических исследованиях просто невозможно учесть. Поэтому сформулирован ряд допущений. Так, при построении математической модели предполагалось, что скорость по сечению насадки одинакова; наконечник 3 совершает равномерное возвратнопоступательное движение с амплитудой А; шероховатость деталей модулятора не оказывает влияние на процесс формирования гидроимпульсной струи; деформация деталей модулятора под воздействием давления воды отсутствует. Кроме того, нами не учитывались внутренний механизм турбулентных пульсаций и параметры состояния (температура и касательные напряжения) в модуляторе.
Рис. 1. Схема гидроимпульсного инструмента: 1 - модулятор;
2 - струеформирующая насадка; 3 - наконечник; 4 - прижимной корпус; 5 - уплотнение высокого давления
При построении математической модели на первом этапе предполагалось, что переменный кольцевой зазор между наконечником и насадкой (см. рис. 1) можно представить в виде усеченного конуса (рис. 2).
а
б
Рис. 2. Схема кольцевого зазора между корпусом насадки 1 и наконечником 2: а - конструктивно-пространственная схема; б - поперечное сечение кольцевого зазора в виде усеченного конуса
317
При построении математической модели процесса формирования гидроимпульсной струи воспользуемся законом сохранения импульса
(1)
где Р - импульс жидкости в модуляторе; і - текущее время.
Перепишем уравнение (1) в следующем виде: Т — — - — (т -у).
— —і
Или, разделяя переменные, получим
—у —т
Т — т------+ у---, (2)
—і —і
где т - масса жидкости, находящейся в рабочих зонах модулятора; у -скорость жидкости.
В первом приближении уравнение (2) можно представить в следующем виде:
_ Ау Ат
Т » т------+ у---. (3)
Аі Аі
Масса жидкости, находящейся в рабочих зонах модулятора, может быть вычислена по известной формуле
т — V - р, (4)
где V - объем жидкости, находящейся в рабочих зонах модулятора; р -плотность жидкости.
Тогда Ат — АV - р.
Подставляя значения т и Ат в выражение (3), находим
Т »(р- V)—+(р-^) -у, или Т »{-^(у- Ау + у^). (5)
Аі Аі
V Аі у
Окончательно, получим
Т ж V - Ау + у-АУ.
или
Т (1„) - V (1„) ■ (у(1„) - у(1„-1)) + у(г„) ■■ (V (г„) - V (г„ )). (6)
Из зависимости (6) следует, что для определения скорости течения жидкости в рабочих зазорах модулятора достаточно определить изменение объема кольцевого зазора между наконечником и насадкой. Другими словами, измерив величины 1, И и в (см. рис. 2), можно установить закономерность изменения скорости импульсной струи воды при ее формировании в модуляторе.
В действительности профиль кольцевого зазора между наконечником и насадкой представляет собой криволинейную поверхность. Тогда скорость может быть рассчитана по выражению
V = — (1■ 8тв). (7)
&
На основании разработанной простейшей модели процесса форми-
318
рования импульсной струи воды в модуляторе нами исследовались ступенчатая цилиндрическая, коническая и экспоненциальная формы внутреннего профиля насадки, а также коническая и экспоненциальная формы наружного профиля наконечника. Угол при вершине для ступенчатого цилиндрического внутреннего профиля, а также для конической формы насадки и наконечника был принят 8 градусов.
Возможные сочетания различных форм наконечника и насадки сведены в табл. 1, где каждому варианту присвоен условный номер.
Сочетания форм наконечника и насадки
Таблица 1
Внутренний профиль насадки
в виде ступенчатого цилиндра
конический
Экспоненциаль-
ный
в виде ступенчатого цилиндра
конический
Экспоненциаль-
ный
Наружная фор а наконечника
Коническая Экспонен f циальная >
У словный номер варианта
(1) (2) (3) (4) (5) (б)
Методика исследований заключалась в следующем. Амплитуда (перемещение) наконечника А , разбивается на равные промежутки, соответствующие текущему положению наконечника относительно насадки, и в среде Компас-график прорисовывается данное положение. Далее это изображение сохраняется в файл с расширением .jpg и с разрешением не менее 600 точек на дюйм, в дальнейшем этот файл используется для определения скорости жидкости в рабочем зазоре модулятора. Далее в среде Adobo Photoshop с использованием вложенных средств измерения определяются величины Л, h и в (см. рис. 2). После измерения эти данные импортируются в Microsoft Excel, где они анализируются, и формируется график. Данная методика теоретических исследований реализована в виде единой прикладной программы в среде MATLAB.
В качестве основного критерия оценки эффективности процесса формирования гидроимпульсной струи, получаемой внутренним прерыванием за счет модулятора (см. рис. 1), был принят синусоидальный закон изменения скорости струи в модуляторе как наиболее эффективный [5].
Значения амплитуды пульсации наконечника А и получаемые в результате теоретических исследований соответствующие им значения скорости струи п для выбранных нами форм насадки и наконечника приведены на рис. 3 и 4. Здесь штриховой линией показана идеальная (синусоидальная) форма импульса скорости струи воды. Следует отметить, что на рис. 3 и 4 приведен характер изменения скорости жидкости в рабочих зонах модулятора, который соответствует рабочему (прямому) ходу наконечника (по рис. 1 - перемещение влево).
Из анализа результатов теоретических исследований (см. рис. 3 и 4), следует, что независимо от внутреннего профиля насадки характер изменения скорости течения жидкости в рабочих зонах модулятора (форма импульса скорости струи воды) в зависимости от амплитуды (перемещения) наконечника качественно подобен. Как и прежде [6] установлено, что с уменьшением зазора между насадкой 2 и наконечником 3 (см. рис. 1), соответствующее увеличению амплитуды пульсации наконечника А, скорость жидкости увеличивается. Из рис. 3 и 4 видно, что скорость течения жидкости в рабочих зонах модулятора с уменьшением зазора между насадкой и наконечником увеличивается примерно в 8 - 9 раз. Из анализа результатов исследования (см. рис. 3 и 4) видно, что наиболее близкое совпадение с синусоидальной формой импульса скорости струи воды было достигнуто при совмещении экспоненциального внутреннего профиля насадки и экспоненциальной наружной формы наконечника (см. рис. 4, в).
Площадь поверхности, ограниченная кривыми изменения скорости струи воды и осью абсцисс (см. рис. 3 и 4), представляет собой ничто иное, как энергию струи. При этом степень тесноты связи между идеальной кривой (синусоидой) изменения скорости гидроимпульсной струи и полученной в ходе исследований характеризует эффективность передачи энергии струе в гидроимпульсном инструменте, и может быть оценена коэффициентом формы Кф .
Алгоритм вычислений коэффициента формы заключается в следующем. Вычисляется абсолютное отклонение площадей под идеальной кривой (синусоидой) изменения скорости гидроимпульсной струи и полученной в ходе исследований (см. рис 3 и 4). Поскольку, функциональные зависимости для расчета параметров процесса гидроимпульсного резания горных пород и параметров импульсной струи воды [7], полученные нами ранее, пригодны для гидроимпульсного инструмента с коническим наконечником и конической насадкой, то для такого инструмента коэффициент формы Кф примем равным единице. Другими словами, характер изменения скорости течения жидкости в рабочих зонах модулятора, показанный на рис 3, б, является образцом (эталоном) сравнения, относительно которого и производится расчет коэффициента формы Кф для всех вариантов
конструктивного исполнения насадки и наконечника.
8
а 4
о
0,1 А О,ЗА 0,5А 0,7А 0,9А 1,0А
8 и
б
4v О
0,1 А О,ЗА 0,5А 0,7А 0,9А 1,0А
8
в
4
О
0,1 А О,ЗА 0,5А 0,7А 0,9А 1,0А
Рис. 3. Зависимость скорости течения жидкости в рабочих зонах модулятора: а - по варианту (1); б - по варианту (2); в - по варианту (3) (см. табл. 1)
а
б
в
9v
6v
3 v
^ '
/ У
/ ( • • 9Г-
9v
3 v
9 г;
6v
3v
0,1 A 0,3A 0,5A OJA 0,9A 1,0A
s'.
У s'./* / /* / jT
/
0,1 A 0,3A 0,5A 0,7A 0,9A 1,0A
/М <3»
0,1 A 0,3A 0,5A 0,7A 0,9A 1,0A
Рис. 4. Зависимость скорости течения жидкости в рабочих зонах модулятора: а - по варианту (4); б - по варианту (З); в - по варианту (б) (см. табл. 1)
Посредством обработки результатов теоретических исследований получены значения коэффициента формы Кф, представленные в табл. 2.
Таблица 2
Значения коэффициента формы К
ф
Конструктивное исполнение и условный номер по табл. 1
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
Значения коэффициента формы, Кф
0,22
1,0
0,54
0,26
0,75
1,47
Рассчитанный ряд коэффициентов (см. табл. 2) применим к функциональным зависимостям для расчета рациональных режимов разрушения горных пород импульсной струей воды и определения ее параметров
[7]:
- глубина нарезаемой щели
И_
= Кф .0,055 )
-0,03
0,78
V Ь У
\^сж У
А
0,38
безразмерный параметр гидроимпульсной струи ^ = Кф • 55,7 - ехр(-108,0 - /0);
рациональная скорость перемещения импульсной струи
А ( Р Л■°’071 (/ Л_0,51
А = Кф -1480,3 -()-0,038 п п
А
п. р
:0_
Ь
ч^у
(10)
(11)
(12)
где И - глубина прорезаемой щели; й0 - диаметр отверстия струеформирующей насадки; - безразмерный параметр импульсной струи воды вы-
сокого давления; 10 - расстояние от среза гидроимпульсного инструмента до поверхности горной породы; Ь - длина волны импульсной струи воды высокого давления; Р0 - давление воды перед струеформирующей насадкой; 7сж - прочность горной породы на сжатие; г?0 - скорость истечения воды из струеформирующей насадки; тЗп р - рациональная скорость перемещения гидроимпульсного инструмента над поверхностью горной породы.
Рис. 5. Ручной инструмент для гидроимпульсного резания горных пород: 1 - модулятор; 2 - блок управления; 3 - рукоятка; 4 - штуцер для подачи воды высокого давления; 5 - запорный механизм;
6 - телескопический приклад; 7 - штуцер подачи электрических
сигналов от генератора
Выполненные теоретические исследования процесса формирования импульсной струи являются одним из наиболее важных этапов исследований и с учетом уже имеющегося научного задела в этой области необходимы для расчета, обоснованного выбора параметров и проектирования гидроимпульсного инструмента нового технического уровня. Схема такого инструмента представлена на рис. 5. Дальнейшие научно-
исследовательские и опытно конструкторские работы в этой области неразрывно связаны с исследованием, разработкой и созданием системы управления наконечником, способной обеспечить частоту пульсации наконечника, а следовательно и скорости гидроимпульсной струи, не менее 15 кГц. Подробное описание и результаты исследований такой системы будет представлены нами в последующих публикациях.
Список литературы
1. Поляков А.В., Жабин А.Б., Головин К.А. Разрушение горных пород импульсными высокоскоростными струями воды // Г орное оборудова-
ние и электромеханика. 2006. №4. С. 43 - 46.
2. Поляков А.В. Гидроимпульсный инструмент с пневмоэлектриче-ским приводом прерывателя// Материалы Всероссийского смотра - конкурса научно-технического творчество студентов высших учебных заведений «Эврика-2005:- Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2005. С. 152 - 156.
3. Поляков А.В. Некоторые способы получения гидроимпульсных струи // Материалы 3-ей Всероссийской конф. Студентов и молодых ученых «Георесурсы и геотехнологии» / ТулГУ. Тула. 2005. С. 78 - 84.
4. Vijay M.M. Numerical analysis of pulsed jet formation by electric discharge in nozzle. Pros. 14th International Conference on Jetting technology, Brugge, Belgium. 1998. pp. 73 - 89.
5. Могендович Е.М. Гидроимпульсные системы. Л.: машиностроение, 1977. 216 с.
6. Башта Т.М. Гидравлические приводы летательных аппаратов. -М.: Машиностроение, 1967. 495 с.
7. Поляков А.В., Жабин А.Б. Методика расчета основных параметров и показателей процесса резания горных пород гидроимпульсным инструментом // Горное оборудование и электромеханика. 2008. №4. С. 21 - 27.
Жабин Александр Борисович, д-р техн. наук, проф., Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Поляков Алексей Вячеславович, канд. техн. наук, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Поляков Анрей Вячеславович, канд. техн. наук, техн. директор, Россия, Тула, ООО «Экспертный центр технологической безопасности»
THEORETICAL RESEARCH OF PULSE JETS OF WATER INTO THE MODULATOR HYDRO IMPULSIVE TOOL
A.B. Zhabin, A. V. Poljakov, A. V. Poljakov
Presents the methods and results of theoretical studies of the process of formation of a pulse jet high-pressure water in гидроимпульсном instrument.
Key words: hydraulic pulse tool tool that generates a stream nozzle tip, shape factor of the nozzle.
Zhabin Aleksandr Borisovich, doctor of technical sciences, professor, sary-chevy@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Poljakov Aleksej Vjacheslavovich, candidate of technical sciences, Russia, Tula, Tula State University,
Poljakov Anrej Vjacheslavovich, candidate of technical sciences, Russia, Tula, technical Director of LLC «Expert centre of technological safety»
