5. Методика расчета рациональных параметров малогабаритных струеформирующих устройств

Исходными данными для расчета геометрических параметров проточной части МСУ для давления до 50 МПа являются диаметр выходного отверстия насадки и давление воды перед насадкой . Их значения устанавливаются исходя из требований технологии, схемы разрушения, прочностных свойств разрушаемого угля или породы и заданной производительности гидромеханического органа. Длину МСУ для предварительной оценки возможности его размещения в реальном объеме пространства, имеющегося на исполнительном органе, можно определить с помощью эмпирической зависимости

(5.1)

где - минимальная длина струеформирующего устройства, мм; - линейный размер пространства на исполнительном органе для размещения МСУ.

Параметры элементов МСУ удобно рассчитывать в порядке расположения зон струеформирования. Подводящий канал диаметром и диффузор с углом расширения и диаметром на выходе образуют первую зону формирования потока.

Степень расширения потока в диффузоре задается коэффициентом расширения потока . Рекомендуемые значения находятся в пределах и определяются по формуле

, (5.2)

где - коэффициент поджатия потока в насадке ( ).

. (5.3)

Угол расширения диффузора , равный 8...10°, выбирается с учетом минимизации потерь напора и обеспечения безотрывного течения потока воды.

Значение параметра , определенное с учетом значений и , необходимо уточнить с учетом потери напора воды в подводящем трубопроводе по выражению

, (5.4)

где - длина трубопровода или канала для подвода воды, мм; - скорость движения жидкости в подводящем канале, м/с;

, (5.5)

- коэффициент гидравлического сопротивления; для зоны квадратичного сопротивления рассчитывается по формуле

. (5.6)

При расчетах можно принимать , где - высота неровностей профиля шероховатости стенок проточного канала по десяти точкам, определяемая в зависимости от чистоты обработки по ГОСТ 2789-73. Вместо параметра можно использовать показатель - среднее арифметическое отклонение профиля шероховатостей. До шестого класса шероховатости поверхностей справедливо соотношение , а начиная с седьмого класса и выше, . Если потери напора превышают допустимую величину, значение диаметра , корректируется в сторону увеличения, затем расчет потерь напора повторяется.

Вторую зону формирования струи воды образуют, участок проточного канала МСУ диаметром и длиной и крестообразный пластинчатый успокоитель длиной . В этой зоне происходит выравнивание профиля продольных скоростей до среднего значения, определяемого по формуле

. (5.7)

Как показали результаты выполненных исследований, длина участка должна составлять . Более точно значение этого параметра может быть определено по формуле

. (5.8)

Длина крестообразного пластинчатого успокоителя должна составлять в зависимости от коэффициента , длины участка проточного канала и осевой скорости затопленной струи , натекающей на успокоитель. С достаточной для практики точностью длина успокоителя может быть найдена с помощью эмпирической зависимости

, (5.9)

где .

Суммарная длина второй зоны формирования потока должна составлять

,

где - расстояние от входа в диффузор до сечения МСУ, в котором , - средняя скорость потока в проточном канале устройства

. (5.10)

В третьей зоне МСУ на участке проточного канала длиной происходит слияние потоков, вытекающих из каналов успокоителя, с учетом угла расширения затопленной струи, который составляет 12°30'. Максимальную длину участка можно определить из выражения

. (5.11)

Средняя длина участка , соответствующая среднему расстоянию от пластины успокоителя до стенки проточного канала, определяется из выражения

. (5.12)

В результате экспериментальных исследований установлено, что минимальное значение параметра может быть принято равным .

Известно, что наиболее рациональной формой профиля проточной части насадки является сочетание конуса с углом и цилиндрического участка длиной . Длину насадки этого типа можно рассчитать по формуле

, (5.13)

где - длина цилиндрического участка насадки, мм; - общая длина насадки, мм; - угол конусности насадки, град.

Уменьшить длину насадки без заметного ухудшения качества струеформирования возможно за счет использования двухконусного профиля насадки, конструкция которой показана на рис. 5.1.

Рис. 5.1. Струеформирующая насадка для малогабаритных струеформирующих устройств

Угол конусности входного конфузора , принимается равным , угол конусности выходного конфузора составляет в зависимости от коэффициента поджатия насадки, требований к ее габаритам и качеству струеформирования.

Для расчета длины насадки с двухконусным профилем проточной части рекомендуется использовать зависимость

(5.14)

где - коэффициент поджатия потока в насадке; ; - коэффициент поджатия входного конуса насадки; - коэффициент поджатия выходного конуса.

Для поддержания рационального режима разгона жидкости в насадке рекомендуется выбирать коэффициент поджатия второго конфузора насадки .

С использованием зависимостей (5.8), (5.9), (5.12), (5.13) выполнены расчеты (табл.5.1) параметров пяти типоразмеров МСУ для насадок диаметром 1,0...3,5 мм при давлении воды 20...50 МПа, показывающие границы возможных вариантов выбора геометрических параметров МСУ.

Таблица 5.1

Типоразмер	,мм	, мм	, мм	, мм	, мм	, мм	, мм	, мм	, мм
1	<1	6	10-12	50-60	35-40	10-28	40	135	170
2	1-1,5	6-7	15	60-90	40-50	15-35	60	175	235
3	1,6-2,0	10	15-20	65-110	50-60	15-46	80	210	300
4	2,1-2,5	10-12	18-25	70-120	55-75	18-58	100	245	355
5	2,6-3	12-15	22-30	90-140	65-80	22-69	100	280	390

Если , можно рассмотреть возможность уменьшения диаметра или компенсировать неизбежное снижение динамических характеристик струи путем увеличения давления воды.

С учетом условий подвода воды, габаритов и конструкции исполнительного органа, варьируя значения коэффициентов и и изменяя соотношения размеров и , можно получить большое количество вариантов компоновки устройства и определить его рациональные параметры, при которых устройство вписывается в заданный объем пространства на исполнительном органе. При этом должны быть соблюдены следующие требования:

- тип струеформирующего устройства (см. рис. 4.3) должен выбираться исходя из возможностей его размещения в конкретных габаритах исполнительного органа с учетом технологических и горнотехнических факторов;

- геометрические и конструктивные параметры проточной части устройства должны быть рассчитаны с использованием метода расчета и рекомендаций, изложенных выше;

- рациональные параметры элементов устройств, предназначенных для формирования компактных высокоскоростных струй воды с длиной начального участка , должны иметь следующие значения: , , и ;

- для подвода высоконапорной струи воды к устройствам рекомендуется применять трубопровод меньшего сечения с соотношением диаметров ;

- угол конусности переходного диффузора между подводящим и проточным каналами устройства необходимо выбирать в пределах 8...12°, что позволяет избежать отрыва пограничного слоя от стенок диффузора;

- при превышении расчетной длины устройства относительно реальных возможностей его размещения более чем на 20% необходимо использовать конструкцию устройства без участка с длиной успокоителя . Конкретное значение длины успокоителя принимается с учетом реально имеющегося пространства на исполнительном органе и требований к компактности струи;

- в конструкциях устройств рекомендуется использовать насадки с двумя углами конусности. Длина второго конфузора должна быть не менее при угле 12...14°;

- коэффициент поджатия потока в насадке должен составлять .

Высокая эффективность применения устройства может быть достигнута при соблюдении условий и рекомендаций изложенных выше и при высоком качестве изготовления всех элементов струеформирующих устройств, проточную часть которых следует изготавливать из нержавеющих сталей с обработкой по 7, 8 классам шероховатости поверхности ( ). При разработке конструкции устройства необходимо стремиться к минимуму стыков и надежному обеспечению соосности всех элементов.

Качество высокоскоростной струи воды, сформированной в малогабаритном струеформирующем устройстве, оценивается длиной ее начального участка , который определяется по формуле

, (5.15)

где - плотность воды, Н/м³.

Для численной оценки компактности струй предложено пять уровней безразмерных значений длины начальных участков струи воды:

- некомпактные струи - ;

- недостаточно компактные струи ;

- компактные струи - ;

- весьма компактные струи - ;

- высококомпактные струи - .

Одной из важнейших динамических характеристик высокоскоростных струй, определяющих их разрушающую способность, является безразмерное значение осевого динамического давления в зоне контакта струи воды с разрушаемым массивом, которое можно определить с использованием зависимости

. (5.16)

Диаметр струи воды в зоне контакта с разрушаемым массивом на расстоянии от насадки определяется по следующей формуле

. (5.17)

Критерием оценки качества проектирования струеформирующего устройства являются расчетные значения длины начального участка формируемых струй и график изменения осевых динамических давлений по длине струи.

Геометрические размеры элементов проточного канала МСУ на давление воды до 250 МПа определяются согласно рекомендациям, приведенным ранее, за исключением параметров струеформирующей насадки, при разработке которой должны быть учтены особенности формирования струй воды высокого давления. Для насадок малых диаметров ( ) допустимо увеличение коэффициента поджатия потока до .

Проектирование струеформирующих устройств на давление воды до 250 МПа имеет ряд особенностей, связанных с необходимостью использования специальных конструкций уплотнительных узлов и разработкой соответствующих методов. Это обусловлено тем, что применение в качестве уплотнений резиновых колец, согласно ГОСТ 18829-73 "Кольца резиновые уплотнительные круглого сечения для гидравлических и пневматических устройств", допускается в неподвижных соединениях на давление до 50 МПа. На рис. 4.2 приведена форма двухступенчатого профиля проточной части насадки на давление до 250 МПа.

Рис. 5.2. Схема двухступенчатого профиля проточной части струеформирующей насадки

Рекомендуемые параметры проточной части струеформирующих насадок с двухступенчатым профилем на давление воды до 250 МПа с выходным диаметром мм представлены в табл. 5.2.

Таблица 5.2

Параметры	Значения параметров
Диаметр насадки , мм	0,4	0,6	0,8
Давление воды , МПа	70...250	70...250	70...250
Диаметр входа , мм	6,0	6,0	6,0
Угол 1-й ступени , град.	30,0	45,0	60,0
Первый переходный диаметр	2,50	2,50	2,50
Длина первого цилиндра	5,0	3,33	2,50
Угол второй ступени , град.	12,0	12,0	12,0
Длина второго цилиндра	4,0	4,0	4,0

Геометрические параметры насадок с мм, приведенные в табл. 4.2, получены при условии, что длина насадки постоянная ( ). Параметры насадок следующего размерного ряда с мм могут быть определены с использованием безразмерных соотношений, также приведенных в табл.5.2.

Использование изложенного выше метода расчета позволяет проектировать малогабаритные струеформирующие устройства гидромеханических проходческих и очистных комбайнов с учетом различных вариантов свободного пространства на исполнительных органах для их размещения.