Источник: Наукові праці ДонНТУ: Серія гірничо-геологічна. Випуск 54/ Редкол.: Башков Є.О. (голова) та інш. – Донецьк, ДонНТУ, 2002. – с. 85-88
В работах [1,6] описаны опыты, подтверждающие, что сечение подводящего трубопровода в интервале изменения диаметра трубопровода — от 33,5 до 63,5 мм имеет большое значение для запуска и устойчивой работы забойных гидроударников (ГУ), особенно при малом расходе жидкости. Причем, при одинаковом расходе жидкости более высокие энергетические показатели ГУ при некотором снижении частоты ударов имеют место при использовании труб большего сечения. Авторами отмечено также весьма заметное влияние диаметра подводящего трубопровода на коэффициент полезного действия гидроударной машины. Вместе с тем, выполненный в ДонНТУ анализ взаимосвязи приведенных комбинаций площадей сечения трубопровода (fТ) и параметров ГУ показал, что диапазон достоверности экспериментально полученных качественных и количественных выводов выполненных исследований, без нарушения условия неразрывности потока жидкости, ограничен отмеченной областью изменения fТ и возможен при примерном равенстве площади сечения трубопровода и рабочей поверхности поршня ГУ (f) [2].
Впервые на взаимосвязь частотно-энергетических характеристик ГУ и соотношения f / fТ обращено внимание В.Ясовым в работе [7]. Автор делает попытку объяснить изменение характеристик ГУ снижением коэффициента утечек при уменьшении fТ и возрастанием затухания гидроударной волны при увеличении f / fТ. Этот вывод соответствует теоретическим разработкам, приведенным в публикациях [7], где перемещение поршня ГУ предполагается прежде всего силой гидроударного давления, но противоречит фактическим результатам и установившимся представлениям о протекании рабочего процесса объемных машин, к классу которых относятся гидроударники. Несостоятельность такой интерпретации главной движущей силы в цилиндре ГУ впервые показана в работах Г.И.Неудачина [4]. Ученый научно обосновывает единый подход к построению математических моделей забойных гидроударников в виде основных положений для составления уравнений и зависимостей при описании рабочего цикла ГУ, вытекающих из условий сохранения энергии и массы жидкости [3].
Предложенные Г.И. Неудачиным принципы использованы в дальнейших разработках методик расчета гидроударных машин. Они же явились методической основой анализа физической природы процессов, происходящих во время работы машины и составлении баланса сил, действующих на поршень-боек при работе ГУ.
Ниже приводится последовательность расчета времени рабочего хода поршня гидроударной машины двойного действия, которое является базовой величиной для определения остальных параметры ГУ. В общем случае метод основан на аналитическом решении уравнения баланса объемов жидкости (1), поступающей от насоса (левая часть уравнения) и проходящих через отдельные фазы рабочего цикла ГУ (правые слагаемые), записанного с учетом изменения скорости потока на фазе свободного хода бойка (V), обусловленной волновыми процессами в цилиндре при открытии органа управления машины. В результате, как показано в работах [3], получены зависимости лишенные принципиальных противоречий в широком диапазоне изменения параметров гидроударной системы, уточняющие и детализирующие закономерности формирования характеристик и показывающие дополнительные пути более полной реализации потенциала гидродвигателя ГУ.
Разработанная математическая модель ГУ позволила дать теоретическую интерпретацию и общую закономерность изменения частотно-энергетических характеристик ГУ от соотношения f / fТ.
Экспериментальная оценка закономерности выполнена в диапазоне fТ от 8 см2 до 78 см2, и f от 18 см2 до 23 см2 при фиксированных Q, и прямом определении и сопоставлении расчетных и фактических данных по продолжительности цикла (T) и фазы рабочего хода (t1), частоте ударов (n) и скорости бойка (V1). Данные измерялись при расходах жидкости от 120 до 240 л/мин с использованием колонн бурильных труб диаметром 42, 50, 73 и 108 мм длиной 46.. .49 м. В результате выполненных исследований установлено, что зависимости V1 = f(fТ) и КПД = f(fТ) носят экстремальный характер, с возможностью смещения максимума вдоль оси fТ при изменении рабочей площади поршня. Равенство соотношений площадей практически соответствует максимуму скорости бойка и КПД в конце рабочего хода. Уменьшение соотношения f / (fТ) приводит к выравниванию скорости бойка и КПД с незначительным темпом убывания. Для исследуемого гидроударника максимум скорости бойка и КПД находится в диапазоне f / (fТ)=0,9-0,95
Характер кривых n=f(fТ) идентичен для всех соотношений f / (fТ). Увеличение площади трубопровода приводит к снижению частоты ударов бойка. Причем в области f / (fТ) больше 1 имеет место более интенсивное изменение частоты ударов не зависимо от площади поршня. Полученные результаты показывают, что выбором оптимального соотношения рабочей площади поршня и живого сечения подводящего трубопровода для выделенного значения расхода жидкости на привод гидроударной машины, имеется возможность увеличить эффективную мощность ГУ на 20-30%.