Назад в библиотеку

Источник: Вестник Сумского государственного университета. Серия: Технические науки. – 2003. – № 12(58). – С. 92-98. // URL: essuir.sumdu.edu.ua

Н.В. Савченко, асп.,

О.М. Яхно, д-р. техн. наук, проф.,

НТУУ КПИ

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ СОЗДАНИЯ ПУЛЬСИРУЮЩИХ СТРУЙ ДЛЯ ГИДРОРАЗРУШЕНИЯ ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ

ВВЕДЕНИЕ

Исследования способов разрушения, проводимые различными институтами, показали, что в определенных случаях, обусловленных физико-механическими свойствами разрушаемого объекта, рациональнее применять нетрадиционные комбинированные способы разрушения, в частности, такие, как гидравлический и гидромеханический. Их эффективность определяется характером прилагаемых нагрузок, таких, как статические (непрерывные) или динамические (пульсирующие), которые создаются струей жидкости, воздействующей на разрушаемый объект.

Как показывают исследования [1], действие статических нагрузок (непрерывной струи) сопровождается образованием демпферной подушки, которая возникает в результате продолжительного воздействия струи жидкости на разрушаемый объект. Демпферная подушка препятствует разрушению и способствует возникновению размыва.

При повторно-переменных динамических нагрузках (пульсирующие струи) демпферная подушка не успевает образоваться и происходит интенсификация процессов щелеобразования и раскалывания, следствием которых является рост производительности.

Согласно [12] динамические и статические нагрузки связаны между собой соотношением

(1)

где G_ст – статическая нагрузка; К_дин – коэффициент динамичности, характеризующий увеличение нагрузки при повторно-переменном нагружении по сравнению со статической нагрузкой

(2)

Из выражения (2) следует, что К_дин – величина большая единицы, следовательно, статическая нагрузка всегда меньше динамической.

Так же необходимо отметить преимущество применения динамических нагрузок, при разрушении материалов с высокой сопротивляемостью, которое согласно [2] заключается в значительном снижении удельной энергоемкости разрушения.

Помимо вышеприведенных аргументов в пользу пульсирующих струй говорит следующее:

1. – при переменной нагрузки струя обладает более высокой компактностью, то есть сохраняет кинетическую энергию на любом расстоянии от насадки;
2. – использование для разрушения небольшого количества воды, что обеспечивает допустимую влажность добываемого полезного ископаемого.

АНАЛИЗ ПОСЛЕДНИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для успешного применения гидроимпульсного способа разрушения, обеспечивающего создание повторно-переменных нагрузок, необходимы эффективные и удобные в эксплуатации устройства, формирующие импульсные струи требуемых параметров. Этой проблеме посвящены работы [3, 4, 5, 6, 7, 8].

В соответствии с конструктивными особенностями и способами формирования пульсирующих струй их можно классифицировать следующим образом:

1. Воздушный пульсатор создает пульсации за счет введения порции воздуха в струю по принципу эжектора [4];
2. Гидроимпульсатор – за счет преобразования энергии посредством генератора колебаний и гидропневмоаккумулятора. В результате чего повышается давление на выходе [5];
3. Гидроударные импульсные насадки – за счет возвратно-поступательного движения клапана, в результате чего в трубопроводе создаются гидравлические удары и повышается значение выходного давления [5];
4. Гидромониторы с подвижной насадкой – путем быстрого надвигания насадки на струю [6];
5. Пороховые импульсные водометы за счет действия пороха, который при сгорании образует пороховые газы, сжимающие и выталкивающие жидкость [7];

Рассмотрим в качестве примера работу двух, по нашему мнению, наиболее перспективных устройств, создающих пульсирующие струи, которые были разработаны за последнее время [8, 3].

К ним относится преобразователь давления (рисунок 1), который позволяет увеличить диапазон используемых значений давлений воды, снизить гидравлические потери, а так же повысить надежность и безопасность за счет резкого сокращения элементов системы. Он встроен непосредственно в режущую коронку 1 проходческого комбайна.

Его принцип действия заключается в следующем. При вращении вала с мультипликаторами их рабочие полости низкого давления посредством цапфового распределителя на одной половине оборота соединяются с напорной 13, а на другой – со сливной 14 магистралями приводной насосной станции 5 источника воды высокого давления. При соединении с напорной магистралью каждый поршень мультипликатора совершает рабочий ход, а при соединении со сливной – взводится под воздействием рабочей жидкости. При этом воду подают в водяной цилиндр 4 мультипликатора насосом 5 с помощью водяного гидросъемника 8. Обратный клапан 9 служит для предотвращения перетоков воды.

Другим не менее перспективным устройством является генератор импульсной струи (ГИС), который осуществляет преобразования высоконапорного потока малого расхода в импульсный поток повышенного расхода при неизменном давлении.

ГИС обеспечивает высокую энергию в импульсе, потребляет незначительное количество жидкости, имеет малые габариты.

Основными силовыми элементами, которые обеспечивают процесс формирования импульсов, являются (рисунок 2):

1. – накопитель 1 и гидропневмоаккумулятор (ГПА) 2, которые обеспечивают накопление энергии в момент импульса, вырабатывают сигнал на срабатывание управляющего клапана 15, задают объем выстрела;
2. – главный клапан 3 служит для периодического подключения ГИСа к исполнительному органу 4;
3. – исполнительный орган формирует и направляет струю в требуемую точку забоя.

Работа ГИСа осуществляется следующим образом. Исходное состояние. В газовые камеры 7 рабочего 2 и балластного 5 ГПА нагнетается газ, после чего в жидкостные камеры 8 и 11 нагнетается жидкость. Поршень 10 накопителя 1 в крайнем нижнем положении, управляющий клапан 15 прижат к сбросному седлу. Включение насоса обеспечивает поступление рабочей жидкости в рабочую полость поршня клапана 3, что удерживает его в закрытом положении. Через дроссель 13 вторая часть потока поступает в камеру 10 накопителя. При этом движение вверх поршня 9 обеспечивает сжатие газа в газовой полости 7 ГПА. Режим накопления заканчивается поднятием поршня накопителя 9 в верхнее положение. Далее весь подводимый поток принимается балластным ГПА 5. Давление в камере управляющего клапана поднимается скачком до величины подводимого давления. В результате чего происходит сброс жидкости из камеры 16, поршень-клапан 12 перемещается вниз, ГИС переводится в режим выстрела, открывается доступ жидкости к исполнительному органу 4. Насадок 14 формирует импульсную струю необходимых параметров, которая воздействует на объект разрушения.

Взаимодействие струи жидкости с массивом приводит к его разрушению вследствие щелеобразования и раскалывания.

Систему процесса разрушения ПУЛЬСАТОР – РМ (разрушаемый массив) представим в виде блок-схемы (рисунок 3).

Несмотря на множество существующих исследований по созданию пульсаторов, не решенной остается проблема математического описания динамических процессов, протекающих в каждом из рассматриваемых элементов системы. Эти процессы описываются зависимостями, сложность которых обусловлена особенностями пульсирующего течения в системе, их определение позволит регулировать процессы в системе, тем самым улучшая гидродинамические характеристики струи и повышая эффективность разрушения материала.

ЦЕЛЬ

Целью статьи является: исследование одного из основных процессов системы, а именно процесса формирования пульсирующей струи в насадке; а также разработка методов, позволяющих повысить эффективность разрушения.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

В зависимости от формы задаваемых пульсаций процесс их формирования можно описывать с помощью амплитудно-частотных характеристик, которые представляют собой периодическую функцию, описываемую рядом Фурье. Задавать пульсации различной формы возможно с помощью регулируемого дросселя/

В таблице 1 [11] приведем возможные формы импульсов с описанием зависимостей P = f(t).

Анализ встречающихся зависимостей [13], определяющих форму импульса, показывает, что в формуле импульса, создаваемого в пульсаторах, можно выделить три этапа: нарастание давления; неизменность максимального давления; спад давления.

Так, например, согласно [8] ГИС генерирует импульсы давления прямоугольной формы, которые можно описать зависимостью, приведенной в пункте 4 таблицы 1:

(3)

Независимо от способа получения, пульсирующие струи характеризуются периодически изменяющейся скоростью на выходе из насадка, то есть определенной частотой пульсации скорости истечения струи из насадки, которая, в свою очередь, играет существенную роль при разрушении.

Для вывода закона распределения скорости составим уравнение движения пульсирующей жидкости в исполнительном органе согласно [9].

Выбрав ось по направлению потока и рассматривая баланс сил, получаем уравнение движения вида:

(4)

где U_x – скорость течения потока вдоль оси ОZ; τ_rz – напряжение силы внутреннего трения.

Величину градиента давления (P₁-P₀/l) можно представить в виде:

(5)

где (δP/δz)^*_п – градиент давления пульсационного течения, который описывается на основании выражения (4); (δP/δz)_уст – градиент давления, обусловленный силами давления установившегося течения.

Функцию U(r, t) представим в виде:

U(r, t) = Uп + Uст.

(6)

Решаем полученное уравнение, произведя ряд замен и преобразований, с использованием функции Бесселя [9] и окончательно получаем:

(7)

(8)

где         и   – соответственно действительные и мнимые части функции Бесселя нулевого порядка.

Таким образом, в рассматриваемом случае поле скоростей может быть представлено как результат наложения на параболический закон соответствующего стабильного ламинарного течения пульсационной составляющей, которая определяет вид и характер создаваемых пульсаций.

Для того чтобы увеличить эффект разрушения, рассмотрим задачу о наложении на пульсирующий поток жидкости пульсаций с заданной частотой и амплитудой, обеспечивая этим резонансный режим работы системы.

Решение этой задачи заключается в установке электромагнита непосредственно на исполнительный орган. При этом перемена частоты и амплитуды колебаний происходит путем изменения сигнала возбуждающего электромагнит, который, в свою очередь, приводит в колебательный режим насадок. В результате возникает так называемая нестационарная гидравлическая сила [10]:

(10)

Как видно из представленного выражения, возникновение нестационарной гидравлической силы приводит к усилению пульсаций в потоке, что обуславливает улучшение гидродинамических характеристик струи.

ВЫВОДЫ

Из проведенных исследований можно сделать следующий вывод:

– определяя градиент скорости γ(r,t) = γ_ст + γ_п, на основании выражения (7) можно найти выражения, характеризующие напряжение действующие в жидкости G(r,t) = G_ст + G_п, а следовательно, и усилия, возникающие в потоке, то есть прийти к выражению (1) в явном виде. Полученный закон распределения скоростей (7) является необходимым для определения кинетической энергии как основной гидродинамической характеристикой струи при взаимодействии ее с массивом.

– благодаря предложенному методу повышения эффективности разрушения за счет наличия двух источников пульсации в потоке (пульсатор и вибрирующий насадок), возможно, регулировать амплитудно-частотную характеристику формируемой струи и в случаи необходимости обеспечивать резонансный режим.

Проведенные исследования являются основой для дальнейшей работы над определением рационального способа гидравлического разрушения твердых материалов пульсирующими струями.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фролов В.С. Исследование гидравлических способов разрушения горных пород стационарных и перемещающихся струй // Научные сообщения. – М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1975. – №134.
2. Коняшин Ю. Г. Эффективность применения статического и ударного способов разрушения горных пород различной крепости // Научные сообщения. – М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1974. – №125.
3. Мерзляков В. Г., Бреннер В.А., Жабин А.Б. Перспективы и эффективность применения гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов со встроенным в режущую коронку преобразователем давления // Горные машины и автоматика, 2000. – №7.
4. Сигаев Е.А. Исследование гидроотбойки пульсирующими гидроманиторными струями //Известия ВУЗов. Горный журнал, 1964. – Вып. 2.
5. Зима П.Ф. и др. Создание агрегата для выемки ниш высоконапорными импульсными струями – актуальная и перспективная задача (Рукопись деп. В Укр. НИИНТИ 18.08.86 № 1945 – Ук 86).
6. Носенко В.М. Предварительные испытания модели гидроманитора с подвижной насадкой // Труды института горного дела АН Казахской ССР. – 1963. – Т.43.
7. Семко А. Н. Внутренняя баллистика импульсного водомета с пороховым приводом // Прикладная механика и техническая физика. –2000. – Т.41, №3.
8. Гидроимпульсное устройство: А. с. 6173 UA Е21С3/20/ Г.М. Тимошенко, В.В. Гулин, В.Г. Тимошенко, С.А. Селивра ДПИ Заявл.20.02.91; Опубл.10.06.93.
9. Отчет о исследованиях течения расплава капролактама в АНП – 7,5.
10. Яхно О.М. Метод определения касательных напряжений на граничащей со стенкой поверхности пульсирующего потока // Проблемы прочности. – 1981. – №9.
11. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. – Москва, 1968.
12. Писаренко Г.С. Курс сопротивления материалов. –Киев: Изд-во Академии Наук УкрССР, 1964.
13. Шамшурин Б. Н. Аппроксимация формы импульса сжатия при высоковольтном электрическом разряде в жидкости // Электрический разряд и его применение. – Киев: Наукова думка, 1977. – С. 26-34.