CC BY
43
УДК 622.236.5
А.Б. Жабин д-р техн. наук, проф., (4872)-33-31-55, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
Ал.В. Поляков., канд. техн. наук, доц., (4872)-33-31-55,
[email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
Ан.В. Поляков., канд. техн. наук, доц., (4872)-33-31-55,
[email protected](Россия, Тула, ТулГУ),
И.М. Лавит, д-р техн. наук, проф. (Россия, Тула, ТулГУ)
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ СТРУИ ВОДЫ В МОДУЛЯТОРЕ ГИДРОИМПУЛЬСНОГО ИНСТРУМЕНТА
Представлена методика и приведены результаты теоретических исследований процесса формирования импульсной струи воды высокого давления в гидроимпульсном инструменте.
Ключевые слова: гидроимпульсный инструмент, модулятор, струеформирую-щая насадка, наконечник, коэффициент формы насадки.
Исследования и конструктивные разработки, выполненные как в России, так и за рубежом, 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. При этом в качестве принципа получения импульсной струи воды целесообразно использовать внутреннее прерывание непрерывной струи воды в гидроимпульсном инструменте (рис. 1) с помощью наконечника 3, совершающего возвратно-поступательное движение.
V Ч вода высокого ^ < давления
Рис. 1. Схема гидроимпульсного инструмента 1 - модулятор; 2 - струеформирующая насадка; 3 - наконечник; 4 - прижимной корпус; 5 - уплотнение высокого давления
Основным элементом гидроимпульсного инструмента, обеспечивающим создание импульсной струи воды высокого давления является модулятор (см. рис.1), состоящий из корпуса 1, струеформирующей насадки 2, наконечника 3 и системы управления наконечником, обеспечивающей частоту пульсации наконечника (на рис. 1 не показана). 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.
Процесс формирования гидроимпульсной струи при помощи модулятора гидроимпульсного инструмента с учетом присущих ему особенностей заключается в следующем (рис. 2).
Рис. 2. Факторы и показатели, определяющие и характеризующие процесс формирования гидроимпульсной струи: 1 - корпус модулятора; 2 - наконечник; 3 - струеформирующая насадка; 4 - уплотнение высокого давления; 5 - прижимная гайка
Вода под давлением Р0 от источника воды высокого давления подается во внутреннюю полость модулятора 1. В модуляторе вода, проходя через струеформирующую насадку 3 с диаметром отверстии dн, определяющим ее расход, и коэффициентом расхода ц, разгоняется до скорости т30. Одновременно с этим происходит прерывание непрерывного потока воды с определенной частотой /и за счет аксиального перемещения наконечника 2, установленного во внутренней полости модулятора, с амплитудой А. Кольцевой зазор между наконечником 2 и струеформирующей насадкой 3 периодически изменяется от максимального до минимального значения. Этим обеспечивается колебательный характер истечения жидко-
сти из модулятора и на срезе модулятора формируется импульсная струя воды. Отметим, что контакт между корпусом струеформирующей насадки и наконечника отсутствует.
Таким образом, процесс формирования импульсной струи воды в модуляторе следующими основными факторами, которые можно условно разделить на группы (см. рис. 1):
- геометрические размеры струеформирующей насадки, включающие длину насадки Ь, длину криволинейного участка проточной части насадки Ь1; диаметры входного Эн и выходного отверстий dн, и форма профиля проточной части насадки;
- геометрические размеры наконечника, куда входят: длина наконечника I и длина его цилиндрической части 11; начальный Эу и конечный dy диаметры наконечника;
- режимные параметры наконечника - амплитуда А и частота /и колебаний.
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. 2) 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 2 совершает равномерное возвратно-поступательное движение с амплитудой А ; шероховатость деталей модулятора не оказывает влияния 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.
При построении математической модели на первом этапе предполагалось, что переменный кольцевой зазор между наконечником и насадкой (см. рис. 2) можно представить в виде усеченного конуса (рис. 3).
При построении математической модели процесса формирования гидроимпульсной струи воспользуемся законом сохранения импульса:
о
где Р - импульс жидкости в модуляторе; г - текущее время.
а
Рис. 3. Схема кольцевого зазора между корпусом насадки 1 и наконечником 2: а - конструктивно-пространственная схема; б - поперечное сечение кольцевого зазора в виде усеченного конуса
Перепишем уравнение (1) в следующем виде: Т = = .
с/Г
Или, разделяя переменные, получим
_ ¿/V (1т
Т = т--+ У--, (2)
Л Л
где т - масса жидкости, находящейся в рабочих зонах модулятора; V -скорость жидкости.
В первом приближении уравнение (2) можно представить в следующем виде:
Av А т ...
Т ~т--+ у--. (3)
ММ
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 = А¥ ■ р .
Подставляя значения т и Ат в выражение (3), находим
чАу (р-АГ) к At АI Окончательно, получим
чАО
(¥-АУ+У-А¥).
(5)
Т ~ V-Av+v-AV,
или
Т ( t„ ЬV ( t„ )-(v( t„ )-v( t„- )) + v( t„ )-(V ( t„ )-V (t„4 )). (6)
Из зависимости (6) следует, что для определения скорости течения жидкости в рабочих зазорах модулятора достаточно рассчитать изменение объема кольцевого зазора между наконечником и насадкой. Другими словами, измерив величины 1, h и в (см. рис. 3), 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- sin в) . (7)
dt
На основании разработанной простейшей модели процесса формирования 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.
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 1 , h и в (см. рис. 3). 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 v для выбранных нами форм насадки и наконечника приведе-
ны на рис. 4 и 5. Здесь штриховой линией показана идеальная (синусоидальная) форма импульса скорости струи воды. Следует отметить, что на рис. 4 и 5 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. 4 и 5) 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), соответствующим увеличению амплитуды пульсации наконечника А, скорость жидкости увеличивается. Из рис. 4 и 5 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. 4 и 5) 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. 5, в).
Таблица 1
Сочетания различных форм наконечника и насадки, принятых к исследованию
Внутренний профиль насадки
в виде ступенчатого цилиндра
конический
экспо-ненци-альный
в виде ступенчатого цилиндра
конический
экспо-ненци-альный
Наружная форма наконечника
Коническая
Экспоненциальная
Условный номер варианта
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
Площадь поверхности, ограниченная кривыми изменения скорости струи воды и осью абсцисс (см. рис. 4 и 5), 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.
а
б
в
О
__. — —
У У У / / / У
У у У У 1 • • 9Г*
4и
О
ОДА О,ЗА
ОДА О,ЗА 0,5А 0,7А 0,9А 1,0А 8 и
»"» и
У У у У Л у У
У У .
0,5 А 0,7 А 0,9 А 1,0А
У У У у ^ * / > ** —
У У У л
ОДА О,ЗА 0,5А 0,7 А 0,9А 1,0А Рис. 4. Зависимость скорости течения жидкости в рабочих зонах модулятора: а - по варианту (1); б - по варианту (2); в - по варианту (3) (см. табл. 1)
9У
6у
а
ЗУ
0
ОДА 0,ЗА 0,5А 0,7А 0,9А 1,0А
9 у
6 V
б
Зу
°0ДА О,ЗА 0,5 А 0,7А 0,9А 1,0А
9у
6у
в
Зг;
О
0,1А 0,ЗА 0,5А 0,7А 0,9А 1,0А
Рис. 5 Зависимость скорости течения жидкости в рабочих зонах модулятора: а - по варианту (4); б - по варианту (5); в - по варианту (6) (см. табл. 1)
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 4 и 5). Для гидроимпульсного инструмента с коническим наконечником и конической насадкой коэффициент формы Кф принимается равным единице. Другими словами, характер из-
менения скорости течения жидкости в рабочих зонах модулятора, показанный на рис 4, б, является образцом (эталоном) сравнения, относительно которого и производится расчет коэффициента формы Кф для всех вариантов конструктивного исполнения насадки и наконечника.
Посредством обработки результатов теоретических исследований получены значения коэффициента формы Кф, представленные в табл. 2.
Таблица 2
Рассчитанные значения коэффициента формы Кф
Конструктивное исполнение и условный номер по табл. 1
Значения коэффициента формы Кф
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
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, а именно для расчета:
- глубины нарезаемой щели
Ь = Кф • 0,055•(Б,)"одв • ^ • р • ; (8)
0,03 Г / Л 10 0,24 Г р Л 1 0 0,78 Г А Л
Vь) о \ сж у А V р )
безразмерного параметра гидроимпульсной струи
Б, = Кф • 55,7 • ехр(-108,0 • /0);
рациональной скорости перемещения импульсной струи
А
0 = Кф -1480,3 • (Б,)-0 038
А
а р л
0
о
0,071 ^-0,51
0
V Ь )
(10)
п р \ сж у
где И - глубина прорезаемой щели; ,0 - диаметр отверстия струеформи-рующей насадки; Б, - безразмерный параметр импульсной струи воды высокого давления; /0 - расстояние от среза гидроимпульсного инструмента до поверхности горной породы; Ь - длина волны импульсной струи воды высокого давления; р0 - давление воды перед струеформирующей насадкой; осж - прочность горной породы на сжатие; А0 - скорость истечения воды из струеформирующей насадки; Апр - рациональная скорость перемещения гидроимпульсного инструмента над поверхностью горной породы.
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 гидроимпульсного инструмента нового технического уровня для оснащения им исполнительных органов горных машин.
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.
Работа выполнена в соответствии с планом проведения экспериментальных и теоретических исследований поисковой научно-исследовательской работы «Разработка рабочего инструмента и исполнительных органов горнопроходческого оборудования на базе гидроструйных технологий, обеспечивающих санитарно-гигиенические условия труда и повышающих эффективность и безопасность производства горных работ» в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы (гос. контракт П1120).
Список литературы
1. Поляков А.В., Жабин А.Б., Головин К.А. Разрушение горных пород импульсными высокоскоростными струями воды // Горное оборудование 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-й Всероссийской конф. Студентов и молодых ученых «Георесурсы и геотехнологии»./ Изд-во 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. Р. 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.
A.B. Zhabin, Al.V. Polyakov, An.V. Polyakov, I.M. Lavit
THEORETICAL RESEARCHES OF PROCESS OF FORMA TION OF A PULSE JET OF WATER IN THE MODULATOR OF THE HYDROPULSE TOOL
The methods and results of theoretical research are presented concerning the process of the pulse high-pressure water jet formation in a hydro-pulse tool.
Key words: hydro-pulse tool, jet forming nozzle, tip, nozzle form coefficient.
Получено 24.11.11
УДК 622.272.33
Б.П. Казаков, д-р техн. наук, зав. лаб., aero [email protected] (Россия, Пермь, Горный институт УрО РАН),
А.В. Шалимов, канд. техн. наук, стар. науч. сотр., [email protected] (Россия, Пермь, Горный институт УрО РАН), А.В. Зайцев, млад. науч. сотр., [email protected] (Россия, Пермь, Горный институт УрО РАН)
ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ГЛУБОКИХ РУДНИКОВ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ СИСТЕМ РАЗРАБОТОК С ПОЛНОЙ ЗАКЛАДКОЙ ВЫРАБОТАННОГО ПРОСТРАНСТВА
Исследовано влияние закладочных работ на формирование теплового режима горных выработок в условиях глубоких рудников. Представлен подход к прогнозу теплового режима горных выработок с учётом тепловыделений от закладочного массива.
Ключевые слова: Закладочный массив, источники тепловыделения, теплообмен, программно-вычислительный комплекс, тепловой режим.
Известно [1], что к основным факторам, формирующим тепловой режим шахт и рудников, относятся: температура воздуха, поступающего в шахту, гидростатическое сжатие воздуха, теплообмен с горным массивом, влагообменные процессы, взрывные работы, окислительные процессы, ра-
