Гидродинамические способы создания пульсирующих струй для гидроразрушения твердых материалов

Гидродинамические способы создания пульсирующих струй для гидроразрушения твердых материалов

Н.В. Савченко, асп.; О.М. Яхно, д-р.техн.наук, проф.

НТУУ «КПИ»

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:

- при переменной нагрузки струя обладает более высокой компактностью, то есть сохраняет кинетическую энергию на любом расстоянии от насадки;

- использование для разрушения небольшого количества воды, что обеспечивает допустимую влажность добываемого полезного ископаемого.

Анализ последних исследований

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 .

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 - скорость течения потока вдоль оси ОZ; - напряжение силы внутреннего трения.

Величину градиента давления можно представить в виде

, (5)

где - градиент давления пульсационного течения, который описывается на основании выражения (4); - градиент давления,
обусловленный силами давления установившегося течения.

Таблица 1 - Формы импульсов и соответствующие им значения функции

Функцию представим в виде

. (7)

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

, (8)

(9)

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 , на основании выражения (7) можно найти выражения, характеризующие напряжение действующие в жидкости , 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

· Фролов В.С. Исследование гидравлических способов разрушения горных пород стационарных и перемещающихся струй // Научные сообщения. - М.: ИГД им. А.А. Скочинского,1975. - №134.

· Коняшин Ю.Г. Эффективность применения статического и ударного способов разрушения горных пород различной крепости // Научные сообщения. - М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1974. - №125.

· 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.

· Сигаев Е.А. Исследование гидроотбойки пульсирующими гидроманиторными струями //Известия ВУЗов. Горный журнал, 1964. - Вып. 2.

· 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).

· Носенко В.М. Предварительные испытания модели гидроманитора с подвижной насадкой // Труды института горного дела АН Казахской ССР. - 1963. - Т.43.

· Семко А.Н. Внутренняя баллистика импульсного водомета с пороховым приводом // Прикладная механика и техническая физика. -2000. - Т.41, №3.

· 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.

· Отчет о исследованиях течения расплава капролактама в АНП - 7,5.

· Яхно О.М. Метод определения касательных напряжений на граничащей со стенкой поверхности пульсирующего потока // Проблемы прочности. - 1981. - №9.

· Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. - Москва, 1968.

· Писаренко Г.С. Курс сопротивления материалов. -Киев: Изд-во Академии Наук УкрССР, 1964.

· 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.