Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цель и задачи исследований 11
1.1. Анализ результатов исследований разрушения горных пород тонкими струями воды высокого давления 11
1.2. Анализ результатов исследований разрушения прочных материалов и горных пород тонкими струями воды сверхвысокого давления 23
1.3. Анализ схем компоновки высоконапорного оборудования для разрушения горных пород тонкими высокоскоростными струями воды 27
1.4. Анализ технических решений в области разработки уплотнений для
преобразователей давления 45
1.5. Цель и задачи исследований 56
2. Методика и техника экспериментальных исследований 57
2.1. Факторы и показатели, определяющие и характеризующие процесс резания горных пород струями воды сверхвысокого давления 57
2.2. Общие положения методики 59
2.3. Стендовое оборудование и измерительная аппаратура 61
2.4. Характеристика горных пород 79
Выводы 82
3. Разработка метода расчета эффективности процесса резания горных пород струями воды сверхвысокого давления 83
3.1. Влияние прочности горных пород на глубину щели, прорезаемой струей воды сверхвысокого давления 83
3.2. Влияние расстояния от среза струеформирующей насадки до поверхности горной породы и количества проходов струи воды на глубину проре-заемойщели 84
3.3 Влияние гидравлических параметров струи воды сверхвысокого давления на глубину прорезаемой щели 93
3.4. Влияние скорости перемещения струи воды сверхвысокого давления на показатели процесса щелеобразования 98
3.5. Анализ и обобщение экспериментальных данных 111
Выводы 115
4. Математическая модель и результаты исследований процесса работы бесконтактного уплотнения с запирающей жидкостью для гидромультипликатора второй ступени сжатия преобразователя сверхвысокого давления 118
4.1. Разработка математической модели процесса работы бесконтактного щелевого уплотнения сверхвысокого давления с запирающей жидкостью 118
4.2. Результаты теоретических исследований работы бесконтактного щелевого уплотнения сверхвысокого давления с запирающей жидкостью 132
4.2.1. Оценка влияния рабочих зазоров в парах "гильза-плунжер" и "гильза корпус" на эффективность процесса работы уплотнения 133
4.2.2. Оценка влияния расстояний между гребешками гильзы на эффективность процесса работы уплотнения 137
4.2.3. Оценка влияния жесткости корпуса мультипликатора на эффективность процесса работы уплотнения 140
4.3. Результаты экспериментальных исследований работы бесконтактного щелевого уплотнения сверхвысокого давления с запирающей жидкостью и их сравнительный анализ с результатами теоретических исследований 140
Выводы 148
5. Методика и результаты расчета параметров гидромультипликатора второй ступени сжатия преобразователя сверхвысокого давления 150
5.1. Основные положения и порядок расчета 150
5.2. Методика расчета основных параметров гидромультипликатора 154
5.2.1. Расчет гидравлической мощности 154
5.2.2. Расчет основных геометрических параметров 155
5.3. Пример расчета основных параметров гидромультипликатора второй ступени сжатия преобразователя сверхвысокого давления 165
Выводы 170
Заключение 171
Список литературы 174
Приложение. Акт внедрения результатов диссертационной работы 183
- Анализ результатов исследований разрушения прочных материалов и горных пород тонкими струями воды сверхвысокого давления
- Влияние расстояния от среза струеформирующей насадки до поверхности горной породы и количества проходов струи воды на глубину проре-заемойщели
- Оценка влияния рабочих зазоров в парах "гильза-плунжер" и "гильза корпус" на эффективность процесса работы уплотнения
- Пример расчета основных параметров гидромультипликатора второй ступени сжатия преобразователя сверхвысокого давления
Введение к работе
Проводимые в последнее время в России и за рубежом научные исследования, направленные на изыскание новых способов и средств разрушения горных пород показывают, что повышение производительности проходческих комбайнов без увеличения их габаритов и массы и расширение области их применения на породы повышенной крепости может быть достигнуто на основе гидромеханического способа разрушения, заключающегося в комбинированном воздействии на породный массив высокоскоростных струй воды и механического инструмента. С точки зрения интенсификации процесса разрушения крепких горных пород, предпочтение следует отдавать щелевой схеме гидромеханического способа разрушения, при которой производится нарезание опережающей щели высокоскоростной струей воды с последующим скалыванием межщелевых целиков механическим инструментом. Эффективность щелевого разрушения в значительной степени определяется глубиной нарезаемой щели. Как показывают расчеты, глубина щели, нарезаемая в крепких горных породах струями воды давлением до 200 МПа, оказывается недостаточной (не более 3 мм) для эффективного ослабления массива и, как следствие, снижения нагруженности механического инструмента. Применение же струй воды сверхвысокого давления (более 200 МПа) позволит повысить производительность процесса щелеобразования и расширить область применения гидромеханических исполнительных органов, работающих по щелевой схеме, на более крепкие породы.
Однако, если вопрос о закономерностях разрушения пород струями воды давлением до 200 МПа достаточно хорошо изучен, то процесс нарезания щелей струями сверхвысокого давления еще недостаточно исследован. Известные зависимости по определению глубины щели, прорезаемой струей воды сверхвысокого давления, носят во многих случаях фрагментарный характер, поскольку не учитывают влияние на процесс щелеобразования ряда основных факторов. В связи с этим отсутствует метод расчета эффективности резания горных пород струями
воды сверхвысокого давления, который позволил бы установить взаимосвязь основных показателей и параметров процесса щелеобразования.
Кроме того, для создания сверхвысокого давления требуются преобразователи давления мультипликаторного типа, как наиболее приемлемые с точки зрения агрегатирования их с исполнительными органами проходческих комбайнов. Одним из элементов преобразователя давления, во многом определяющем его КПД, является уплотнение. При этом в преобразователях сверхвысокого давления наиболее широкое распространение нашли бесконтактные уплотнения, повышение эффективности работы которых (снижение утечек жидкости через зазор уплотнения) достигается введением в них вязкой запирающей жидкости.
Однако отсутствие практических рекомендаций по конструктивному исполнению и параметрам бесконтактного уплотнения сверхвысокого давления с запирающей жидкостью сдерживает широкое практическое использование преобразователей давления и требует, наряду с разработкой метода расчета эффективности процесса щелеобразования, проведения исследований и в этом направлении, что и определяет актуальность работы.
Цель работы. Разработка метода расчета эффективности процесса резания горных пород струями воды сверхвысокого давления на основе установленных закономерностей процесса щелеобразования для обоснования и выбора параметров преобразователя сверхвысокого давления, оснащенного бесконтактным уплотнением с запирающей жидкостью, обеспечивающих повышение производительности гидроструйного разрушения и расширение области его применения на крепкие породы.
Идея работы. Эффективность гидроструйного разрушения горных пород достигается за счет использования струй воды сверхвысокого давления на основе установленных закономерностей процесса щелеобразования с учетом особенностей работы преобразователя сверхвысокого давления, оснащенного бесконтактным уплотнением с запирающей жидкостью.
Метод исследования - комплексный, включающий научный анализ и обобщение опыта создания и использования струй воды высокого и сверхвысоко-
го давления для резания различных материалов и горных пород; результатов ранее выполненных работ по расчету, проектированию и опыту эксплуатации источников воды высокого и сверхвысокого давления; экспериментальные исследования процесса резания горных пород струями воды сверхвысокого 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; теоретические исследования с построением математической модели процесса работы бесконтактного уплотнения сверхвысокого давления с запирающей жидкостью, проведение и обработку результатов численных экспериментов и их экспериментальную проверку в стендовых условиях.
Научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:
Установлены закономерности процесса резания горных пород различной прочности струями воды сверхвысокого давления с учетом их гидравлических и режимных параметров и длины цилиндрического участка проточной части струе-формирующей насадки, позволяющие обоснованно определять глубину щели.
Разработан метод расчета эффективности процесса резания горных пород струями воды сверхвысокого давления, обеспечивающий возможность расчета и выбора гидравлических параметров мультипликатора второй ступени сжатия преобразователя сверхвысокого давления.
Разработана математическая модель процесса работы бесконтактного щелевого уплотнения сверхвысокого давления с запирающей жидкостью, выполненного в виде гребешковой гильзы, учитывающая влияние изменения давления, вязкости и температуры жидкости по длине уплотнения, его геометрии, рабочих зазоров, жесткости гильзы и элементов гидромультипликатора и позволяющая рассчитывать объем утечек рабочей жидкости, обеспечивающий обоснованный выбор параметров уплотнения и гидромультипликатора.
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 по резанию горных пород струями воды сверхвысокого давления и удовлетворительной сходимостью (отклонения не превышают 22 %) экспериментальных и расчетных данных;
представительным объемом данных численного эксперимента, удовлетворительной сходимостью результатов расчета режимов работы бесконтактного уплотнения сверхвысокого давления с запирающей жидкостью по математической модели с результатами экспериментальных исследований в стендовых условиях;
опытом использования основных положений методик расчета и проектирования преобразователей давления мультипликаторного типа.
Научное значение работы заключается в разработке метода расчета эффективности процесса резания горных пород различной прочности струями воды сверхвысокого давления с учетом их гидравлических и режимных параметров и геометрии струеформирующей насадки, а также математического описания процесса работы бесконтактного щелевого уплотнения с запирающей жидкостью, что позволяет управлять процессом щелеобразования и производить расчет и обоснованный выбор параметров преобразователя сверхвысокого давления, обеспечивающих повышение эффективности применения высокоскоростных струй воды.
Практическое значение работы:
разработана конструкция преобразователя сверхвысокого давления, гидромультипликатор второй ступени сжатия которого оснащен бесконтактным уплотнением с запирающей жидкостью;
разработана конструкция стендовой установки, обеспечивающая исследование процесса резания горных пород струями воды сверхвысокого давления в
широком диапазоне изменения режимных и гидравлических параметров и регистрацию показателей процесса работы бесконтактного уплотнения с запирающей жидкостью;
- определен диапазон рациональных значений расстояния между срезом
струеформирующей насадки и поверхностью горной породы, при которых дости
гается максимальная глубина щели;
получены расчетные зависимости для определения рациональной скорости перемещения струи воды сверхвысокого давления над поверхностью горной породы, обеспечивающей максимальную скорость приращения боковой поверхности щели, и глубины щели, прорезаемой струей воды в горных породах;
разработана и реализована на персональном компьютере методика расчета показателей работы бесконтактного уплотнения с запирающей жидкостью для преобразователя сверхвысокого давления; <
разработана и реализована на персональном компьютере методика расчета основных параметров гидромультипликатора второй ступени сжатия преобразователя сверхвысокого давления.
Реализация результатов работы. Методики расчета показателей работы бесконтактного уплотнение с запирающей жидкостью и основных параметров гидромультипликатора второй ступени сжатия для преобразователя сверхвысокого давления, 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 промыш-
ленности, 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.).
Анализ результатов исследований разрушения прочных материалов и горных пород тонкими струями воды сверхвысокого давления
Расширение области эффективного применения проходческих комбайнов со стреловидным исполнительным органом, оснащенным гидромеханическим инструментом (см. рис. 1.2) и реализующим щелевой способ разрушения, на более прочные горные породы (с осж 115-150 МПа) требует изыскать пути интенсификации процесса гидромеханического разрушения таких пород. Поскольку гидромеханический способ разрушения предполагает одновре менное воздействие на породу тонкой высокоскоростной струи воды и механиче ского инструмента, то эффективность комбинированного разрушения будет опре деляться эффективностью каждого из способов в отдельности [5, 7]. Необходимо отметить, что изучение процесса разрушения породного массива, как механиче ским инструментом, так и высокоскоростной струей воды, носит самостоятель ный характер. Многие годы совершенствование механического инструмента, используемого в исполнительных органах проходческих комбайнов для разрушения горных пород, осуществлялось за счет применения более износостойких материалов и оптимизации параметров, как механического инструмента, так и самих исполнительных органов. Однако технические решения в этих направлениях достигают своего предела. Поэтому расширение области эффективного применения комбайнов, оснащенных гидромеханическим исполнительным органом (см. рис. 1.2), возможно осуществить за счет повышения эффективности гидравлического разрушения породного массива высокоскоростной струей воды, связанного прежде всего с увеличением глубины нарезаемой ей щели. Все это вызывает необходимость проведения исследований, направленных на разработку способов и средств повышения режущей способности струи воды.
В настоящее время прорабатывается множество вариантов повышения режущей способности высокоскоростных струй воды. Так, в частности, исследуется возможность использования кавитационных и гидроабразивных струй [1,3, 29-34]. Однако такие струи эффективны в узком диапазоне варьирования основных параметров. Глубина щели, нарезаемая в породном массиве кавитацион 20 ной струей воды в значительной степени зависит от времени ее воздействия на горную породу и эффективна для нарезания щелей небольшой глубины.
Гидроабразивные струи широко применяются для резания различных материалов, в том числе и горных пород. Однако реализация гидроабразивного резания горных пород в конструкциях гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов, предполагает использование дополнительного оборудования (бункера для абразива, дозаторов и т.д.) и расходного материала (абразивных частиц), что ведёт к дополнительным финансовым затратам и необходимости размещения оборудования для получения гидроабразивных струй, имеющего значительные габариты, в условиях шахты. Кроме того, конструктивные элементы гидроабразивного инструмента, подвержены сильному абразивному износу и требуют их частой замены, что в шахтных условиях является достаточно трудоемким процессом. Также известно [29], что скорость резания гидроабразивной струей значительно меньше, чем скорость резания обычной струей воды и механическим инструментом, при прочих равных условиях.
Таким образом, для повышения разрушающего эффекта, создаваемого тонкой высокоскоростной струей воды и устранения выше указанных ограничений, присущих, как кавитационным, так и гидроабразивным струям, необходимо основываться на других путях повышения режущей способности струй воды.
Эффективность процесса нарезания щелей в горных породах высокоскоростной струей воды в значительной мере определяется количеством подводимой гидравлической энергии и степенью ее концентрации в области контакта с массивом. Поэтому увеличение глубины нарезаемой щели связано в первую очередь с повышением гидравлической мощности высокоскоростных струй воды.
Известно [5], что увеличивать гидравлическую мощность, подводимую к исполнительному органу, оснащенному гидромеханическим инструментом, при прочих равных условиях предпочтительнее за счет повышения давления высокоскоростной струи воды, чем за счет увеличения ее расхода, то есть использовать в конструкции породоразрушающего органа энергию струй воды сверхвысокого давления. Эффективность воздействия струи воды на породный массив в значительной мере определяется степенью концентрации гидравлической энергии в области контакта с разрушаемым массивом [5, 7]. Имеющийся в настоящее время опыт конструирования гидромеханических исполнительных органов показывает, что расстояние от среза струеформирующей насадки до разрушаемого массива составляет около 90 - 120 мм, что обусловлено вылетом резца и необходимостью размещения струеформирующих устройств на исполнительном органе в соответ-ствии с принятой схемой разрушения. В результате исследований структурных и динамических характеристик непрерывных струй воды установлено [7, 10], что при таких расстояниях интенсивно увеличивается диаметр струи воды, а это приводит к увеличению потерь энергии струи и негативно сказывается на ее гидродинамических характеристиках и компактности и, как следствие, уменьшении режущей способности струи воды.
Компактность высокоскоростных струй воды в значительной степени определяется формой, размерами и качеством обработки внутреннего профиля применяемых струеформирующих насадок. В результате проведённых исследований по изучению влияния геометрии отдельных участков внутреннего профиля струеформирующих насадок [35] было установлено, что длина цилиндрического участка проточной части струеформирующей насадки (рис 1.3), определяющая величину ламинарного пограничного слоя воды и коэффициент скорости струи, оказывает существенное влияние на ее компактность. Также отмечается, что длина переходного участка внутреннего профиля насадки (см. рис. 1.3) при плавном его сопряжении с цилиндрическим участком не оказывает влияния на компактность струи воды.
Влияние расстояния от среза струеформирующей насадки до поверхности горной породы и количества проходов струи воды на глубину проре-заемойщели
Принимая во внимание существующие ограничения по размещению автономного источника воды высокого давления в выработке шахты и по встраиванию преобразователя давления в коронку, вариант увеличения коэффициента мультипликации преобразователя давления, связанный с увеличением его габаритов, как отмечалось выше, менее пригоден для проектирования гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов по сравнению с вариантом, при котором повышается давление в поршневой полости мультипликатора последней ступени сжатия. Во втором варианте для повышения давления в поршневой полости мультипликатора сверхвысокого давления (последняя ступень сжатия) используется другой мультипликатор (предпоследняя ступень сжатия), что позволяет произвести более рациональное разделение общего коэффициента мультипликации между ними и снизить габаритные размеры всего гидравлического оборудования.
Таким образом, анализ возможных вариантов комплектования оборудования для разрушения горных пород тонкими струями воды сверхвысокого давления позволил выявить наиболее эффективный вариант, реализация которого существенно не повлияет на усложнение конструкции и увеличение массы и габаритов гидромеханического исполнительного органа проходческого комбайна. Так, для достижения давления воды свыше 200 МПа представляется целесообразным использование схемы двухступенчатого сжатия воды, представленной на рис, 1,16, В этом случае преобразователь давления второй ступени сжатия может быть встроен в исполнительный орган проходческого комбайна [5, 50, 51]. В то же время при использовании этой схемы практически нет конструктивных ограничений для повышения давления, вплоть до величины 500 МПа и более. Это объясняется тем, что при такой схеме компоновки гидромеханического исполнительного органа под высоким давлением работает лишь небольшое число элементов (уплотнительные манжеты, гидромеханический инструмент).
На общую работоспособность преобразователя давления мультипликатор-ного типа влияет работоспособность его основных узлов, основными из которых являются: корпус высокого давления, плунжер и система уплотнений.
Основным элементом преобразователя, воспринимающим сверхвысокое давление, является его корпус. В настоящее время существует множество вариантов исполнения корпусов высокого (в большинстве случаев толстостенных однослойных) и сверхвысокого давления (многослойных, бандажированных, авто-скрепленных и др.). Толстостенный однослойный корпус в зависимости от предела текучести материала используется при давлении до 500 - 600 МПа. Однако они способны выдерживать и более высокое давление. Так, корпус, изготовленный из незакаленной высокоуглеродистой стали с пределом текучести 1000 МПа, разрушается при давлении воды 4000 МПа [56].
Для повышения прочности корпусов в современных конструкциях, использующих метод создания предварительного напряжения обратного знака, наиболее часто применяются многослойные корпуса, состоящие их двух и более концентрических цилиндров, посаженных друг на друга с натягом. Подбор величины натяга между цилиндрами позволяет создавать на внутренних слоях цилиндров напряжения обратного знака (сжатия), а увеличение числа цилиндров - более равномерное распределение напряжений. Однако количество слоев нельзя увеличивать бесконечно, поскольку многослойный корпус может разрушиться от сборочных напряжений (напряжений натяга).
Также известны конструкции бандажированного корпуса [56], на который с заданным шагом навита профилированная стальная лента или проволока. При этом корпус испытывает «обжатие» в радиальном направлении по аналогии с методом создания предварительного напряжения обратного знака в технологии изготовлении многослойных корпусов.
Для получения автоскрепленного корпуса заготовка подвергается действию внутреннего гидростатического давления, при котором внутренние напряжения на стенку корпуса превышают предел текучести материала. Внутренняя стенка корпуса и слой материала, примыкающий к ней, испытывают остаточные пластические деформации, убывающие обратно пропорционально диаметру корпуса, в то время как внешняя стенка и соседние с ней слои испытывают упругие деформации. Когда внутреннее давление снимается, упругодеформированные внешние слои материала стремятся восстановить свои начальные размеры и оказывают давление (наружное) на внутренние слои. В результате этого в материале цилиндра появляются сжимающие напряжения. Толщина слоя материала, подвергаемого пластической деформации, зависит от величины внутреннего давления, называемого давлением автоскрепления.
Получение необходимых растягивающих напряжений корпуса может осуществляться также и посредством внешней механической поддержки (рис. 1.17). В этом случае самый внутренний цилиндр первоначально не нагружается, в то время как внешние поддерживающие кольца запрессованы друг в друга, чтобы осуществить необходимое распределение напряжений. В камеру давления помещается образец, который затем сжимается за счет приложения силы Fl к поршню.
Сила F2, одновременно приложенная к торцу камеры, вдвигает ее в систему внешних поддерживающих колец. Силы F{ и F2 прилагаются в таком соотношении, чтобы напряжения во внутреннем цилиндрическом корпусе не превышало его прочности на разрыв. При этом эффект радиальной поддержки, оказываемый внешними кольцами, может быть усилен увеличением толщины стенок внешних колец.
Еще более высокое давление можно создать, погружая корпус мультипликатора в жидкость, находящуюся под определенным давлением. При этом уменьшается перепад давлений внутри и снаружи корпуса мультипликатора и в значительной степени улучшаются свойства материала, в особенности твердых сплавов, так как все они способны испытывать только напряжения сжатия, а не растяжения. Корпус мультипликатора, построенный по принципу гидравлической поддержки, состоит из нескольких цилиндров, вставленных один в другой, представлен на рис. 1.18. В зазорах между цилиндрами находится жидкость под гидростатическим давлением, несколько меньшим чем давление в рабочей камере мультипликатора, и каждый цилиндр работает под небольшим перепадом давлений. Ограничения, связанные с ростом сборочных напряжений в многослойных конструкциях, здесь устраняются, так как давление в зазорах может повышаться постепенно по мере роста внутреннего давления.
Оценка влияния рабочих зазоров в парах "гильза-плунжер" и "гильза корпус" на эффективность процесса работы уплотнения
Однако при работе на сверхвысоких давлениях утечки жидкости через зазоры становятся соизмеримы с производительностью мультипликатора. Снижение утечек через зазоры может быть достигнуто за счет подвода к бесконтактному уплотнению запирающей (более вязкой) жидкости [70]. Преимущества использования в качестве запирающей жидкости, например, машинного масла заключаются, во-первых, в увеличении ее вязкости (в десятки раз) под действием высокого давления и существенном уменьшении утечек, а во-вторых, в увеличении рабочих зазоров при тех же утечках, что влечет за собой снижение технологических требований к изготовлению таких ответственных деталей, как плунжер и гильза. Вместе с тем, работа преобразователя давления с запирающей жидкостью позволит существенно повысить его объемный КПД. Анализ методики расчета бесконтактного щелевого уплотнения [69] позволил установить, что в ней не учитываются изменения размеров элементов (корпус, гильза и плунжер), образующих зазоры, и самих зазоров в результате нагрева и теплообмена, происходящего при работе уплотнения, которые наиболее ярко проявляется при сверхвысоких давлениях.
Таким образом, процесс эффективной работы бесконтактного щелевого уплотнения с запирающей жидкостью зависит от большого числа разнородных факторов и имеет сложный характер с труднопрогнозируемыми значениями перепада давления по длине гильзы и объема утечек жидкости через зазоры. Все это наряду с необходимостью проведения экспериментальных исследований по определению перепада давления по длине гильзы и объема утечек через зазоры вызывает и необходимость разработки математической модели процесса работы уплотнения, которая связывала бы основные показатели процесса работы уплотнения и влияющие на него факторы и позволяла бы целенаправленно управлять их изменением и обоснованно прогнозировать количественные и качественные результаты, а также являлась бы основой для разработки методик расчета основных геометрических параметров такого уплотнения и преобразователя сверхвысокого давления в целом.
На основании изложенного, целью диссертационной работы является разработка метода расчета эффективности процесса резания горных пород струями воды сверхвысокого давления на основе установленных закономерностей процесса щелеобразования для обоснования и выбора параметров преобразователя сверхвысокого давления, оснащенного бесконтактным уплотнением с запирающей жидкостью, обеспечивающих повышение производительности гидроструйного разрушения и расширение области его применения на крепкие породы.
Поставленная цель достигается последовательным решением следующих задач: - установить влияние геометрических, гидравлических и режимных параметров струеформирующей насадки, а также прочности горных пород на показатели процесса разрушения; - разработать метод расчета эффективности процесса резания горных пород струей воды сверхвысокого давления; - разработать математическую модель процесса работы бесконтактного щелевого уплотнения сверхвысокого давления с запирающей жидкостью для гидромультипликатора второй ступени сжатия преобразователя сверхвысокого давления; - провести теоретические (в виде численных экспериментов) и экспериментальные исследования процесса работы бесконтактного щелевого уплотнения сверхвысокого давления с запирающей жидкостью, и для оценки адекватности математической модели реальному процессу сопоставить их результаты; - разработать методики расчета основных параметров и показателей работы гидромультипликатора второй ступени сжатия, оснащенного бесконтактным уплотнением с запирающей жидкостью, для преобразователя сверхвысокого давления. На основании анализа результатов исследований, представленных в разделе 1, процесс нарезания щелей в породном массиве при помощи струи воды сверхвысокого давления с учетом присущих ему особенностей заключается в следующем (рис. 2.1). Вода под давлением Р0 от источника воды сверхвысокого давления мощностью N2 подается к струеформирующему устройству, расположенному на расстоянии /0 от поверхности горной породы. Проходя через струеформирующую насадку с диаметром отверстия d0 (определяющий расход воды), длиной цилиндрического участка 1Ц ее проточной части, поток воды разгоняется до скорости 30. Далее сформированная таким образом струя воды сверхвысокого давления воздействует на породный массив, обеспечивая за каждый проход инструмента по щели п со скоростью &п нарезание щели глубиной h. Итак, процесс нарезания щелей при помощи струи воды сверхвысокого давления определяется следующими основными факторами, которые условно можно разделить на несколько групп. К первой группе факторов относятся геометрические параметры струефор-мирующего устройства: длина цилиндрического участка проточной части струе-формирующей насадки \ц. Ко второй группе факторов относятся гидравлические параметры струе-формирующего устройства, включающие: давление воды перед струеформирую-щей насадкой Р0 (скорость истечения струи воды из струеформирующей насадки 30) и диаметр отверстия струеформирующей насадки d0 (расход воды Q0 с учетом коэффициента расхода д.).
Пример расчета основных параметров гидромультипликатора второй ступени сжатия преобразователя сверхвысокого давления
Преобразователь разности давлений «Сапфир-22 ДИ-Ех 2182» производства Московского завода «Манометр» (см. рис. 2.16) состоит из тензопреобразова-теля мембранно-рычажного типа 8, закрепленного в держателе 9 при помощи накладки 7 и связанного с трубчатой пружиной 4 тягой 6. Трубчатая пружина 4 с эксцентричным каналом крепится в штуцере 5 держателем 9. Герметизация пружины обеспечивается при помощи линзового уплотнения 10. На штуцере 5 установлен защитный корпус 3 с крышкой 2, на которой крепится электронный блок 1.
Под действием давления воды свободный конец трубчатой пружины 4 совершает перемещение, которое через тягу б передаётся на рычаг тензопреобразо-вателя 8, вызывая прогиб мембраны преобразователя и изменение сопротивления тензорезисторов. Электронный сигнал передаётся на блок 7, с которого поступает на вход ПК, где производится его запись и обработка.
Для питания преобразователя разности давлений использовался искробезо-пасный стабилизированный источник питания постоянного тока БПС-24 (см. рис. 2.2). Тарировка преобразователя разности давления производилась также с помощью образцового манометра 1-го класса.
Глубина щели, прорезаемая струей воды сверхвысокого давления, измерялась при помощи глубиномера. При этом глубина щели замерялась не менее чем в 5 точках по ее длине, и в дальнейшем использовалось среднее значение глубины щели.
Объем утечек через бесконтактное уплотнение с запирающей жидкостью определялся путем сбора жидкости из канала 7 (см. рис. 2.9) в мерную емкость за фиксированный промежуток времени.
Поворотный стол (рис. 2.17) для крепления образцов горных пород представляет собой металлический диск 1 диаметром 800 мм, жёстко закреплённый на поворотной оси 2 вертикальной стойки 3. В качестве привода поворотного стола 4 используется электродвигатель с планетарным редуктором и цепная передача 5. Частоту вращения приводного двигателя можно изменять в широком диапазоне благодаря тиристорному преобразователю. Таким образом, за счет регулировки частоты вращения вала электродвигателя можно перемещать образцы горных пород 7, закрепленных на поворотном столе при помощи специальных прижимов 6 и подвергаемых разрушению, относительно струи воды сверхвысокого давления с различной угловой, а следовательно, и линейной скоростью.
Разрушению подвергались горные породы, прочностные свойства которых представлены в табл. 2.1. Анализ результатов экспериментальных исследований по определению влияния прочностных свойств горных пород на эффективность их разрушения высокоскоростными тонкими [10] и гидроабразивными [6] струями воды показал, что для оценки сопротивляемости породного массива разрушению этими струями могут использоваться различные показатели прочностных свойств горных пород, например, предел прочности горной породы на одноосное сжатие 7СЖ, предел прочности горной породы на растяжение J , коэффициент крепости, определенный по методу толчения fm и другие. При этом установлено [5, 7], что наиболее тесную корреляционную связь с глубиной прорезаемой щели обеспечивает предел прочности на одноосное сжатие осж. Поэтому для оценки сопротивляемости горных пород разрушению струей воды сверхвысокого давления был выбран именно этот показатель их прочностных свойств. Выбор пород, представленных в табл. 2.1, обусловлен тем, что, во-первых, они обладают относительной изотропностью свойств, а во-вторых, при гидроструйном разрушении слабых горных пород закономерности процесса разрушения прослеживаются более наглядно. Выбор песчаника и известняка в качестве объектов разрушения объясняется тем, что они являются характерными представителями вмещающих горных пород на угольных шахтах, а использование песчаника с асж = 159,1 МПа обусловлено стремлением установить эффективность процесса щелеобразования в более крепких горных породах. Образцы горных пород представляли собой блоки неправильной геометрической формы (см. рис. 2.15) со средними размерами 500x650x170 мм. 1. Установлены факторы и показатели, определяющие и характеризующие процесс щелеобразования струями воды сверхвысокого давления. 2. Основным методом исследования выбран экспериментально статистический, предусматривающий проведение экспериментальных исследова ний с последующим графо-аналитическим анализом опытных данных с примене нием методов теории вероятностей и математической статистики, а также методов теории подобия и размерностей. 3. Разработана конструкция преобразователя сверхвысокого давления, гидромультипликатор второй ступени сжатия которого оснащен бесконтактным уплотнением с запирающей жидкостью. 4. Разработана и изготовлена экспериментальная стендовая установка для исследования основных закономерностей процесса резания горных пород струями воды сверхвысокого давления в зависимости от основных факторов, а также подобрана измерительная аппаратура для регистрации давления по длине бесконтактного уплотнения с запирающей жидкостью и объема утечек через него. 5. Определены прочностные свойства горных пород известными способами.
