Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы, цель и задачи исследований 10
1.1. Анализ результатов исследований разрушения горных пород тонкими струями воды высокого давления 10
1.2. Анализ способов получения и средств формирования импульсных струй воды высокого давления для разрушения различных материалов 20
1.3. Анализ структуры импульсной высокоскоростной струи воды и существующих критериев оценки ее эффективности 33
1.4. Анализ результатов исследований разрушения горных пород импульсными струями воды высокого давления 42
1.5. Цель изадачи исследований 46
2. Методика и техника экспериментальных исследований разрушения горных пород импульсными струями воды высокого давления 48
2.1. Факторы и показатели, определяющие и характеризующие процесс резания горных пород импульсными высокоскоростными струями воды 48
2.2. Общие положения методики 52
2.3. Стендовое оборудование 53
2.4. Гидроимпульсный инструмент, измерительная аппаратура и характеристика горных пород 60
Выводы 70
3. Определение рациональных параметров импульсной струи воды высокого давления при разрушении горных пород 71
3.1. Влияние частоты пульсации скорости струи воды на глубину на резаемой щели 71
3.2. Влияние гидравлических параметров импульсной струи воды на глубину нарезаемой щели 79
3.3. Влияние расстояния от среза гидроимпульсного инструмента до поверхности разрушаемой породы на глубину нарезаемой щели 86
3.4. Обоснование и выбор способа получения и средств формирования гидроимпульсной струи высокого давления 95
3.5. Влияние прочности горных пород на глубину щели, нарезаемой импульсной струей воды 96
3.6. Определение рациональных параметров гидроимпульсной струи при нарезании щелей в горных породах 98
Выводы 104
4. Разработка метода расчета эффективности процесса нарезания щелей в горных породах импульсной струей воды высокого давления 106
4.1. Влияние скорости перемещения гидроимпульсной струи высокого давления на показатели процесса щелеобразования 106
4.2. Анализ и обобщение экспериментальных данных и разработка метода расчета эффективности процесса нарезания щелей в горных породах импульсной струей воды высокого давления 118
Выводы 124
5. Методика и результаты расчета основных параметров и показателей процесса резания горных пород гидроимпульсным инструментом 125
5.1. Общие положения 125
5.2. Расчет глубины щели при резании горных пород различной прочности импульсной струей воды высокого давления и геометрии гидроимпульсного инструмента для заданных параметров гидравлической мощности 130
5.3. Пример расчета глубины щели при резании горных пород импульсной струей воды высокого давления и геометрии гидроимпульсного инструмента для заданных параметров гидравлической мощности 134
5.4. Расчет гидравлической мощности, а также выбор источника воды высокого давления для заданной конструкции гидроимпульсного инструмента и глубины щели, нарезаемой в горных породах импульсной струей воды высокого давления 138
5.5. Пример расчета гидравлической мощности, а также выбора источника воды высокого давления для заданной конструкции гидроимпульсного инструмента и глубины щели, нарезаемой импульсной струей воды высокого давления 139
Выводы 141
Заключение 142
Список литературы 145
Приложения 155
Приложение 1. Расчетная программа 156
- Анализ способов получения и средств формирования импульсных струй воды высокого давления для разрушения различных материалов
- Гидроимпульсный инструмент, измерительная аппаратура и характеристика горных пород
- Влияние гидравлических параметров импульсной струи воды на глубину нарезаемой щели
- Анализ и обобщение экспериментальных данных и разработка метода расчета эффективности процесса нарезания щелей в горных породах импульсной струей воды высокого давления
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из перспективных направлений развития техники и технологий разрушения горных пород является создание и применение гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов, реализующих как бесщелевой, так и щелевой способы разрушения и предполагающих одновременное воздействие на породный массив непрерывных высокоскоростных струй воды и механического инструмента. Бесщелевой способ разрушения горных пород к настоящему времени достаточно хорошо изучен. Что же касается щелевого способа разрушения, то здесь су ществуют резервы повышения его эффективности. Как показывают проводимые в последнее время в России и за рубежом научные исследования, направленные на изыскание способов и средств повышения режущей способности высокоскоростных струй воды без увеличения гидравлической мощности оборудования, повышение эффективности щелевого разрушения (повышение производительности резания и снижение энергозатрат или расширение области применения на более крепкие породы) может быть достигнуто на основе создания и применения импульсных струй воды высокого давления. Необходимо отметить, что изучение процесса разрушения породного массива как непрерывной, так и импульсной высокоскоростной струей воды, реализующей щелевой способ, носит самостоятельный характер. Основные результаты исследований с использованием импульсных струй воды сводятся к изучению различных способов их получения, средств формирования струи и влиянию отдельных факторов на показатели процесса разрушения главным образом различных материалов и, только в отдельных случаях, горных пород.
Однако этого недостаточно для успешного использования импульсных струй воды высокого давления в конструкциях гидромеханических исполни тельных органов проходческих комбайнов, так как не изучена перспектива применения таких струй для нарезания щелей в горных породах. Не обосно ваны и не выбраны эффективные способы и средства получения и формиро вания гидроимпульсной струи при разрушении горных пород. Отсутствуют практические рекомендации по выбору и обоснованию рациональных параметров и режимов работы гидроимпульсного инструмента. Не установлена взаимосвязь показателей процесса щелеобразования с параметрами импульсной струи воды и прочностными характеристиками горных пород, а следовательно, отсутствует метод расчета эффективности процесса разрушения породного массива импульсными струями воды высокого давления. Наличие таких результатов позволило бы разработать методики расчета основных параметров и показателей процесса гидроимпульсного резания горных пород для гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов.
Таким образом, все это вызывает необходимость проведения комплексных исследований, направленных на обоснование рациональных параметров импульсных струй воды высокого давления и разработку метода расчета эффективности процесса резания ими горных пород, и определяет актуальность работы.
Цель работы. Установление рациональных параметров импульсных струй воды высокого давления и разработка метода расчета глубины щели при резании ими горных пород на основе выявленных закономерностей про цесса щелеобразования для обоснования и выбора параметров гидроимпульсного инструмента, обеспечивающего повышение производительности и снижение энергозатрат при разрушении или расширение области его применения на более крепкие породы.
Идея работы. Эффективность щелевого разрушения горных пород достигается за счет использования импульсных струй воды высокого давления на основе установленных закономерностей процесса щелеобразования при их рациональных параметрах.
Метод исследования - комплексный, включающий научный анализ и обобщение опыта создания и использования непрерывных и импульсных струй воды высокого давления для разрушения различных материалов и горных пород и результатов ранее выполненных исследовании по созданию инструментов; экспериментальные исследования процесса нарезания щелей в горных породах импульсными струями воды высокого давления в стендовых условиях; анализ и обработку экспериментальных данных с применением методов теории вероятностей и математической статистики, а также методов теории подобия и размерностей; сопоставление экспериментальных и расчетных данных.
Научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:
- установлены закономерности процесса щелеобразования при резании породного массива импульсными струями воды высокого давления с учетом их гидравлических и режимных параметров и прочности горных пород, позволяющие обоснованно определять глубину прорезаемой щели;
- наибольшая эффективность гидроимпульсного резания горных пород достигается рациональным сочетанием гидравлических и режимных параметров импульсных струй воды высокого давления;
- разработан метод расчета эффективности процесса нарезания щелей в горных породах импульсными струями воды высокого давления, обеспечивающий возможность определения и выбора параметров гидроимпульсных инструментов.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
- корректностью постановки задач исследований;
- достаточным и статистически обоснованным объемом и представительностью выполненных экспериментальных исследований в стендовых условиях;
- корректным применением методов теории вероятностей и математической статистики, а также методов теории подобия и размерностей при обработке и анализе экспериментальных данных и удовлетворительной сходи м мостью (в пределах 28 %) экспериментальных и расчетных данных; - опытом использования основных положений методик расчета и проектирования гидроструйных инструментов.
Научное значение работы заключается в обосновании рациональных параметров импульсных струй воды высокого давления и разработке метода расчета эффективности процесса резания ими породного массива с учетом гидравлических и режимных параметров струи воды и прочности горных пород, что позволяет целенаправленно управлять процессом, производить расчет и выбор параметров гидроимпульсного инструмента, обеспечивающего повышение производительности и снижение энергозатрат при разрушении или расширение области его применения на более крепкие породы.
Практическое значение работы:
- разработана конструкция стендовой установки, обеспечивающей исследование процесса резания горных пород импульсными струями воды высокого давления в широком диапазоне изменения режимных и гидравлических параметров;
- разработан гидроимпульсный инструмент, реализующий принцип внутреннего прерывания непрерывной струи воды при помощи цилиндрического наконечника с пневмоэлектрическим приводом;
- получены расчетные зависимости для определения рациональных параметров импульсной струи воды высокого давления и глубины щели, прорезаемой ею в горных породах;
- разработана и реализована на персональном компьютере методика расчета основных параметров и показателей процесса резания горных пород гидроимпульсным инструментом.
Реализация результатов работы.
Методика расчета основных параметров и показателей процесса резания горных пород гидроимпульсным инструментом, а также все конструктивные решения и рекомендации используются фирмой «НИТЕП» при создании машин для гидроструйных технологий применительно к горным породам. Кроме того, результаты исследований внедрены в учебные курсы «Гидромеханическое разрушение горных пород» и «Гидроструйные технологии и оборудование» для студентов Тульского государственного университета, обучающихся по специальности 150402 «Горные машины и оборудование».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ (г. Тула, 2003-2006 гг.); научном симпозиуме «Неделя горняка» в МГГУ (г. Москва, 2006 г.); 2-ой международной конференции по проблемам горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2005 г.); 7-ой научно-технической конференции ученых, аспирантов и студентов (РХТУ им. Д.И. Менделеева, г. Новомосковск, 2005 г.); 15-ой научной конференции профессорско-преподавательского состава и сотрудников НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева (г. Новомосковск, 2006 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения, изложенных на 90 страницах машинописного текста, содержит 52 рисунков, 23 таблицы, список использованной литературы из 92 наименований и 3 приложения.
Анализ способов получения и средств формирования импульсных струй воды высокого давления для разрушения различных материалов
Частота пульсации скорости струи является одним из основных параметров, определяющих эффективность ударного воздействия струи воды на горную породу. При этом частота пульсации скорости струи будет определяющим параметром струи и процесса разрушения горных пород в целом только тогда, когда будет найдено ее рациональное значение, учитывающее процесс формирования струи в струеформирующих элементах гидроимпульсного инструмента и увязанное с его геометрическими и гидравлическими параметрами, а также прочностными характеристиками горных пород.
В настоящее время известно несколько способов создания импульсных струй воды (рис. 1.2) [62, 63]. При этом импульсные струи можно разделить на два основных класса: естественные и искусственные (принудительно полученные).
Весьма просто создать так называемую естественную импульсную струю воды из непрерывной. На рис. 1.3 представлена схема непрерывной высокоскоростной струи воды [9], отражающая современные представления о структурных изменениях, происходящих в ней по мере увеличения расстояния от среза струе-формирующей насадки. За пределами основного участка длиной 10сн струя воды теряет устойчивость, приобретает извилистую форму и на ее поверхности наблюдаются интенсивные выбросы жидкости. В дальнейшем струя воды разделяется на отдельные блоки (капли), подвергающиеся более интенсивному капельному распаду. Как полагают [62], эти капли и представляют собой естественную гидроимпульсную струю.
Основным фактором, определяющим эффективность данного способа получения импульсной струи воды, будет являться расстояние от среза струеформи-рующей насадки до поверхности разрушаемой горной породы. Частота пульсации скорости струи, как основной ее параметр, для данного способа является трудно прогнозируемым, поэтому рассматривать ее как характеристику струи и процесса не представляется возможным.
Следует отметить, что для получения естественной импульсной струи воды возможно применение струеформирующих насадок, нашедших широкое применение при гидравлическом разрушении различных материалов непрерывными струями воды, исследованию которых посвящено достаточное количество работ [9,23, 24].
Основным недостатком естественной гидроимпульсной струи является низкая режущая способность и их применение при резании горных пород не эффективно [62]. Однако такие струи широко применяются для удаления слабых покрытий с различных поверхностей [62].
Отдельный класс импульсных струй воды представляют искусственные (см. рис. 1.2). Их получают за счет принудительного прерывания (модуляции) непрерывного потока высокоскоростной струи воды. Принудительная модуляция представляет самый многообещающий способ получения гидроимпульсной струи из-за его простоты и практичности.
Способов получения искусственных импульсных струй воды достаточно много, но все эти способы можно разделить на две основные группы.
К первой группе относятся способы (см. рис. 1.2), основанные на использовании волновых процессов (колебания воды), происходящих в струеформирующих устройствах. Гидроимпульсные струи данной группы могут быть получены, во-первых, за счет использования саморезонанса струи, а во-вторых, за счет создания парогазовой полости в струеформирующих насадках.
Саморезонанс струи достигается за счет создания специальных струеформирующих насадок. Здесь имеются две основные схемы (см. рис. 1.2). Первая -создание струеформирующих насадок со специальным профилем проточной ее части. Однако существуют противоречивые мнения по этому вопросу. Так, например, Rochester и Brunton считают, что для этих целей достаточно использовать цилиндрическую насадку, в то время как Moodie и Artingstall экспериментально установили, что требуется использовать коническую насадку с углом при вершине 15. Вместе с тем, в исследованиях Coolie показана эффективность применения насадки с экспоненциальным профилем проточной части. Для получения требуемой поверхности внутреннего профиля насадки она выполнялась составной. Вариант конструктивного исполнения такой насадки показан на рис. 1.4.
Вторая схема получения импульсных струй воды (см. рис. 1.2) появилась как результат попытки создания струеформирующей насадки для бурения глубоких скважин кавитационной струей воды, где основным требованием к струе являлось увеличение длины эффективной ее части и возможность использования на большем, по сравнению с непрерывными струями, расстоянии до разрушаемой поверхности. Результатом теоретических и экспериментальных исследований Johnsona [50] явилось создание насадок, показанных на рис. 1.5.
Принцип получения импульсной струи воды данным способом удобно рассмотреть на примере насадки «Pulser - Fed» (см. рис. 1.5, в). Для других насадок механизм получения импульсной струи аналогичен и заключается в следующем. Резонирующая камера со ступенчатой формой проточной части, диаметры dl, dT и d2 которой выбираются таким образом, чтобы возбуждать колебания в пределах участка корпуса насадки длинной LP. При варьировании геометрических параметров d\, dT, d2 и LP и давления воды перед струеформирующей насадкой могут быть достигнуты различные режимы резонанса. Частота пульсации скорости струи, как и в случае использования естественной гидроимпульсной струи, будет являться лишь косвенным фактором, определение которого однозначно невозможно установить без проведения дополнительных исследований. Johnson провел сравнительные экспериментальные исследования [50] для насадок «Pulser - Fed» и «Leach», чтобы установить возможность применения импульсных струй для удаления слоев краски с алюминиевой авиационной панели. Основным требованием было отсутствие повреждения панели.
Гидроимпульсный инструмент, измерительная аппаратура и характеристика горных пород
Для проведения экспериментальных исследований по резанию горных пород было изготовлено три гидроимпульсных инструмента, условно обозначенных нами как «инструмент 1», «инструмент 2» и «инструмент 3» (далее кавычки опускаются), реализующих различные принципы и схемы выбранных способов Гидроимпульсный инструмент 1, реализующий принцип внешнего прерывания непрерывной струи воды за счет диска (см. рис. 2.9, а и б), состоит из установленного на общей сварной раме 2 успокоителя 3, с одной стороны соединенного с манометром высокого давления 7, а с другой - со струеформирующим устройством 5. Диск с прорезями 6 (см. рис. 2.9, в) крепится на оси 8, установленной на раме в специальных кронштейнах 7. Ось крепления диска соединена с валом электродвигателя с тиристорным регулятором скорости 4.
Для проведения экспериментальных исследований было изготовлено три диска (см. рис.2.9, в) со следующими параметрами: -диск 1 при « = 18, и = 1; -диск20при а = 9, п = 20; -диск 150при а = 1,2, w = 150, где а - центральный угол прорези диска; п - число прорезей диска, получения импульсных струй воды (см. рис. 1.2 и 2.1) и представленных на рис. 2.9, 2.10 и 2.11 соответственно.
Перед проведением исследований для гидроимпульсного инструмента 1 (см. рис 2.1, а и 2.9) были проведены замеры частоты вращения дисков 1, 20 и 150 (см. рис. 2.9, в) для каждой частоты вращения электродвигателя с тиристорным регулятором скорости. Результаты замеров частоты вращения дисков 1,20 и 150 и соответствующая им частота прерывания высокоскоростной струи воды, которая определялась по формуле fu - /э п (где /э - частота вращения электродвигателя; п - число прорезей диска), приведены в табл. 2.1.
Нарезание щелей при помощи такого гидроимпульсного инструмента осу ществлялось по следующей схеме. Для получения требуемой частоты пульсации скорости струи (см. табл. 2.1) гидроимпульсный инструмент оснащался одним из дисков (см. рис. 2.9, в). Регулятор электродвигателя устанавливался в одно из 9 его положений, и электродвигатель включался в работу. При вращении диска в установившемся режиме вода высокого давления подается к струеформирующей насадке, после чего формируется непрерывная струя воды, которая далее прерывается диском. Сформированная таким способом импульсная струя воды воздействует на перемещающейся относительно ее образец горной породы и осуществ ляет прорезание щели определенной глубины (см. рис. 2.1, а).
Принцип внутреннего прерывания непрерывной струи воды (см. рис. 1.2) был реализован в двух инструментах (см. рис. 2.10 и 2.11), отличающихся формой наконечника и типом его привода. Гидроимпульсный инструмент 2 (см. рис. 2.10) имеет конический наконечник и кулачковый привод, а инструмент 3 (см. рис. 2.11) - цилиндрический наконечник и пневмоэлектрический привод.
Гидроимпульсный инструмент 2 (см. рис. 2.10, а) состоит из установленной на общей раме 2 струеформирующей головки 1 и электродвигателя с тиристор-ным регулятором скорости 3. Струеформирующая головка крепится на раме при помощи специального кронштейна 4.
Струеформирующая головка 1 (см. рис.2.10, бив) состоит из основного корпуса 5, к которому крепится промежуточный корпус 7. Внутри корпуса 5 установлен наконечник 6. Уплотнение высокого давления 8 обеспечивает гермети зацию полости высокого давления внутри основного корпуса 5. В промежуточном корпусе 7 смонтирован кулачковый привод, состоящий из возвратной пружины 9, кулачка 10 и винта 11. Прерывание потока воды осуществляется за счет возвратно-поступательного движения наконечника б, то есть движение вверх осуществляется за счет кулачка 10, получающего момент вращения от электродвигателя 3, а движение вниз - за счет возвратной пружины Р.
Гидроимпульсный инструмент 3 [84] (см. рис. 2.11, а и б) состоит из установленной на общей раме 2 струеформирующей головки 1 и пневмораспредели-теля с электроуправлением 3. Струеформирующая головка крепится на раме при помощи специального кронштейна 4.
Работа гидроимпульсного инструмента осуществляется следующим образом (см. рис. 2.11, в). Первоначально на генераторе электрических сигналов 5 (рис.2.15) устанавливается необходимое значение частоты пульсации скорости струи. Затем включается в работу источник воды высокого давления и устанавливается требуемый уровень давления, и вода подается к струеформирующей головке 1. Далее одновременно включаются в работу пневмосистема 6 и генератор электрических сигналов 5. Генератор электрических сигналов подает электрические импульсы на пневмораспределитель 3, обеспечивая его попеременное открытие и закрытие, и тем самым создавая периодическую подачу сжатого воздуха к струеформирующей головке, в которой происходит прерывание непрерывного потока воды (см. рис. 2.11, в и г).
Струеформирующая головка (см. рис. 2.11, в и г) состоит из основного корпуса 7, к которому через гайку 20 крепится промежуточный корпус 8. Внутри основного корпуса 7 установлен наконечник Р. Втулка 10 соединена с основным корпусом 7 гайкой 11. Уплотнение высокого давления 12 обеспечивает герметизацию полости высокого давления внутри основного корпуса 7. В промежуточном корпусе 8 смонтирован гидроусилитель, состоящий из поршней 13 и 14 и штока 16. Полость А гидроусилителя заполнена смазкой УС-2. Стопорное кольцо 17 фиксирует поршень 14 в верхнем положении промежуточного корпуса 8. С промежуточным корпусом 8 резьбовым соединением связан цилиндр 18, внутри которого установлен поршень 15, а в верхней части крышки 19 имеется отверстие, в которое подается воздух давлением 0,6 МПа.
Принцип работы струеформирующей головки основан на том, что при подаче воды высокого давления внутрь основного корпуса 7 создается усилие из-за разности площадей поперечного сечения наконечник 9 и клапана 22, стремящееся поднять наконечник 9, втулку 23 и клапан 22 вверх. Управление работой клапана осуществляется пневмоцилиндром 18. При подаче воздуха в пневмоцилиндр поршень 15 давит на шток 16 гидроусилителя. В полости А создается давление, достаточное для перемещения поршня 13 в крайнее нижнее положение. Поршень 13 в свою очередь перемещает шток 9 и связанную с ним втулку 23 в нижнее положение, давая возможность клапану 22 перекрыть отверстие во втулке 10. Подача воды высокого давления прекращается. При прекращении подачи воздуха в пневмоцилиндр давлением воды клапан 22 приподнимается, и работа струи высокого давления возобновляется.
Влияние гидравлических параметров импульсной струи воды на глубину нарезаемой щели
Наиболее эффективно нарезание щели происходит при значении /0 в пределах (30-40)-10 3 м при использовании гидроимпульсного инструмента 1 и (75-100)-10-3 м - инструментов 2 и 3 при всех значениях диаметра отверстия струеформирующей насадки. Так, например, при d0 = 0,3 10 м и /0 = 40 10 м (см. табл. 3.7 и рис. 3.8) для инструмента 1 глубина щели составила 22,3 -10 м, а при /0 =10 10 м - только 9,0-10 м, то есть в 2,48 раза меньше. По мере дальнейшего удаления гидроимпульсных инструментов от поверхности образцов горной породы происходит уменьшение глубины прорезаемой щели.
Кроме того, анализ результатов экспериментов (см. табл. 3.7) показывает, что эффективность прорезания щели с удалением гидроимпульсных инструментов от поверхности породы падает менее интенсивно при использовании насадок с отверстиями большего диаметра. Отмеченное положение может быть объяснено тем, что при больших диаметрах отверстия насадки гидроимпульсная струя обладает большей массой и менее подвержена капельному распаду. Это в свою очередь приводит к весьма эффективному разрушению горных пород на более дальних расстояниях от гидроимпульсного инструмента до поверхности образца горной породы.
Дальнейший анализ полученных опытных данных показывает, что использование внутреннего прерывания, реализованного в инструментах 2 и 3 (см. рис. 2.10 и 2.11), более эффективно, чем внешнее прерывание, реализованное в инструменте 1 (см. рис. 2.9). Так (см. табл. 3.7), при прочих равных условиях, глубина щели, прорезаемая при помощи инструментов 2 и 3 выше, чем для инструмента 1 во всем диапазоне изменения расстояния /0. Кроме того, глубина щели, нарезае мой при помощи инструментов 2 и 3 даже при /0 =200-10 м оказывается сопоставимой с глубиной щели прорезаемой при помощи инструмента / при рацио-нальном расстоянии /0 = 40 10" м.
На основе анализа результатов выполненных экспериментальных исследований процесса нарезания щелей гидроимпульсными струями, получаемых при помощи инструментов 1, 2 и 3, и оценки их работоспособности можно сделать следующие основные выводы.
Установлено, что для инструментов 2 и 3 (см. рис. 2.10 и 2.11), реализующих принцип механического внутреннего прерывания (см. рис 1.2), диапазон рациональных частот пульсации скорости струи уменьшается примерно в 4 - 6,5 раза по сравнению с инструментом / (см. рис. 2.9), реализующего механическое внешнее прерывание (см. рис. 1.2). При этом глубина прорезаемой щели оказывается значительно выше (см. табл. 3.1 - 3.3). Следует отметить, что для всех инструментов, принятых к исследованию, рациональная частота может быть легко достигнута. Однако применение инструментов 2 и 3 является предпочтительным с точки зрения эффективности процесса нарезания щелей. Кроме того, механическое внутреннее прерывание (см. рис. 1.2) позволяет исключить потери гидравлической энергии.
Выявлено, что при рациональной частоте пульсации скорости струи воды и прочих равных условиях глубина щели оказалась сопоставимой для разработанных гидроимпульсных инструментов 2 и 3 (см. рис. 2.10 и 2.11). С этой точки зрения каждый из рассмотренных инструментов является равноправным. По влиянию гидравлических параметров гидроимпульсной струи на глубину щели не возможно однозначно выбрать наиболее эффективный гидроимпульсный инструмент. Оценивая вцелом результаты проведенных экспериментальных исследований по нарезанию щелей в горных породах гидроимпульсными струями, можно заключить, что наиболее эффективным инструментом с точки зрения обеспечения прорезания щели наибольшей глубины является гидроимпульсный инструмент 3 (см. рис. 2.11). Поэтому все дальнейшие экспериментальные исследования по определению рациональных параметров гидроимпульсной струи при резании горных пород и разработке метода расчета эффективности процесса щелеобразова-ния проводились при использовании гидроимпульсного инструмента 3. Для подтверждения правильности предположения о том (см. разд. 2.4), что предел прочности горных пород на сжатие может быть использован в качестве критерия оценки их сопротивляемости разрушению гидроимпульсной струей высокого давления были проведены экспериментальные исследования по разрушению различных образцов горных пород (см. табл. 2.2). Экспериментальные исследования проводились при нарезании щелей в образцах горных пород при давлении воды перед насадкой Р0 = 80 МПа, диаметре отверстия струеформирующей насадки d0 =0,4-10 мм, скорости перемещения. гидроимпульсной струи относительно образца горной породы #л =1-10-3 м/с, расстоянии от среза гидроимпульсного инструмента до образца горной породы /0 =30-10 ми частоте пульсации скорости струи /и =350 Гц. Результаты экспериментальных исследований по нарезанию щелей в горных породах гидроимпульсной струей представлены в табл. 3.8 и показаны на рис. 3.12. Из графика (см. рис. 3.12) следует, что с увеличением прочности горных пород на сжатие глубина щели уменьшается по криволинейной зависимости. Между глубиной прорезаемой щели и пределом прочности горных пород на сжатие для указанных условий эксперимента существует тесная корреляционная связь. При аппроксимации экспериментальных данных степенной зависимостью вида h = 1290,4-(7 15 индекс корреляции составил 0,91, что подтверждает правильность сделанного нами предположения (см. разд. 2.4) о том, что предел прочности на сжатие является критерием оценки сопротивляемости горных пород при разрушении их гидроимпульсным инструментом. Таким образом, в результате проведенных исследований можно считать установленным, что предел прочности горной породы на сжатие сгсж может быть принят в качестве критерия оценки сопротивляемости горных пород при разрушении их импульсной струей воды высокого давления.
Анализ и обобщение экспериментальных данных и разработка метода расчета эффективности процесса нарезания щелей в горных породах импульсной струей воды высокого давления
При разработке методики расчета за основу приняты результаты проведенных нами экспериментальных исследований по резанию горных пород импульсной струей воды высокого давления.
Для достижения эффективного резания горных пород импульсной струей воды высокого давления, как показали результаты экспериментальных исследований, рекомендуется применять гидроимпульсный инструмент, реализующий принцип внутреннего прерывания за счет использования наконечника, установленного в его корпусе, а выходные параметры инструмента и показатели процесса разрушения определять с учетом выявленных закономерностей взаимодействия импульсной струи воды высокого давления с породным массивом.
Поэтому настоящая методика распространяется на гидроимпульсные инструменты, реализующие принцип внутреннего прерывания непрерывной струи воды высокого давления при помощи наконечника. Конструктивная схема такого гидроимпульсного инструмента представлена на рис. 5.1. Следует отметить, что зазор между коническим наконечником и конической гильзой (см. рис.5.1) обеспечивает режим работы инструмента, соответствующий режиму работы гидроимпульсного инструмента с цилиндрическим наконечником и пневмоэлектрическим приводом (см. рис. 2.11), который использовался нами при установлении рациональных параметров импульсных струй воды и разработке метода расчета эффективности процесса щелеобразования на основе выявленных закономерностей процесса резания горных пород импульсными струями воды. Идентичность режимов работы гидроимпульсных инструментов с коническим и цилиндрическим наконечниками состоит в следующем. В гидроимпульсном инструменте с цилиндрическим наконечником и пневмоэлектрическим приводом время открытия и закрытая наконечником выходного отверстия втулки (см. рис. 2.11, г) различное. В гидроимпульсном инструменте, показанном на рис. 5.1, время открытия и перекрытия зазора между коническими поверхностями одинаковое, то есть такое же как и в инструменте, представленном на рис. 2.10, б. Добиться одинакового времени перекрытия этого зазора и перекрытия выходного отверстия втулки в инструменте с цилиндрическим наконечником (см. рис. 2.11, г) можно за счет изменения угла между коническими поверхностями наконечника и отверстия гильзы. В качестве привода наконечника целесообразно вместо пневмоэлектрического использовать электромагнитный привод, применение которого позволяет, во-первых, упростить конструкцию гидроимпульсного инструмента за счет исключения элементов его управления (отсутствует пневмосистема (см. рис. 2.11, в) и промежуточный корпус с гидроусилителем (см. рис. 2.11, г)), а во-вторых, обеспечить получение необходимой частоты пульсации скорости струи.
Комплект оборудования для гидроимпульсного резания горных пород включает в себя следующие основные узлы: гидроимпульсный инструмент с наконечником, электромагнитный привод наконечника и источник воды высокого давления.
Электромагнитный привод наконечника (рис. 5.2) гидроимпульсного инструмента состоит из генератора электрических сигналов 1 и соленоида 2, установленного в корпусе инструмента. Мощность соленоида выбирается из условия преодоления сил сопротивления перемещению наконечника, обусловленных в основном силами трения в уплотнении высокого давления 3 (см. рис. 5.1), и не превышает, как правило 5 Вт. В качестве источника воды высокого давления могут использоваться насосы высокого давления и преобразователи давления с приводным насосным блоком (рис.5.3). В табл. 5.1 представлены, например, разработанные фирмой «НИТЕП» ти-поразмерный и параметрический ряды источников воды высокого давления. Параметрический ряд образован из десяти исполнений преобразователя давления (по признаку кратности преобразуемого низкого давления масла в высокое давление Комплект оборудования для гидроимпульсного резания горных пород размещается на проходческом комбайне с гидромеханическим исполнительным органом. На рис. 5.4 представлена схема компоновки проходческого комбайна с таким исполнительным органом. Методика позволяет проводить: - расчет глубины щели при резании горных пород различной прочности импульсной струей воды высокого давления и геометрии гидроимпульсного инструмента для заданных параметров гидравлической мощности источника воды высокого давления; - расчет гидравлической мощности, а также выбор источника воды высокого давления для заданной конструкции гидроимпульсного инструмента и глубины щели, нарезаемой в горных породах импульсной струей воды.
