![](/user_photo/2706_HbeT2.jpg)
obschee
.pdf![](/html/2706/1201/html_o_E9jGt6el.1A9W/htmlconvd-DjoBqt61x1.jpg)
гидроимпульсные генераторы колебаний давления без его повышения;
поршневые мультипликаторы.
Наиболее простым принципом получения импульсных струй является принцип перекрытия большего сечения выходного сопла. В
этом случае течение осуществляется следующим способом: через сопло с большим выходным сечением совершается течение жидкости с некоторой скоростью. В некоторый момент времени мгновенно перекрывается часть большого сечения, оставляя малое выходное сечение. При этом происходит торможение жидкости и за счет гидравлического удара повышается давление в зоне торможения, что приводит к увеличению скорости течения через малое отверстие.
На основе этого принципа разными авторами предложен ряд гидромониторных насадок. На рисунке 3.21 изображена насадка А.В. Бричкина, В.Б. Потоцкого, В.С. Бондаревского и В.Д. Морозова.
Выходное сопло выполнено в виде соосно расположенных патрубков 1
и 2, которые образуют кольцевой канал 3. На внутреннем патрубке
1 – внешний патрубок (сопло); 2 – внутренний патрубок; 3 – кольцевой канал; 4 – клапан; 5 – пружина Рисунок 3.21 – Насадка А.В. Бричкина, В.Б.
Потоцкого, В.С. Бондаревского и В.Д. Морозова
установлен клапан 4, который давлением жидкости сдвигается влево,
сжимая пружину 5, и перекрывает канал 3. Вследствие резкого замедления скорости происходит гидравлический удар с повышением давления жидкости и скорости ее истечения через центральный патрубок. После распространения удара до насоса или успокоителя и его отражения, волна сниженного давления дойдет до клапана и пружина 5 отведет клапан в исходное положение.
61
![](/html/2706/1201/html_o_E9jGt6el.1A9W/htmlconvd-DjoBqt62x1.jpg)
Последующее усовершенствование этой конструкции привело к разработке гидроимпульсатора (рис. 3.22). Принцип действия гидроимпульсатора подобный к описанному выше, но в данном случае колебательные движения совершает внутренняя насадка 6, которая штоком 3 соединена с пружиной 1. Совершая движение вправо до упора во внешнюю насадку 5, внутренняя насадка перекрывает кольцевой канал, что уменьшает проходное сечение потока, и в результате гидравлического удара формируется скоростная импульсная струя.
После прихода обратной волны и уменьшения давления пружина 1
отводит шток 3 с насадкой 6 в исходное положение. Варьируя натяжение пружины 1, можно достичь необходимого режима импульсов.
1 – пружина; 2 – ствол гидроимпульсатора; 3 – шток; 4 – крыльчатка; 5 – внешняя насадка; 6 – внутренняя насадка Рисунок 3.22 – Схема гидроимпульсатора
Разработанный в ДонНТУ двуствольный импульсный гидромонитор ГИ-4, общая характеристика которого дана в п. 3.3.1,
преобразовывает стационарный поток на два пульсирующих путем переключения проходных каналов. Переключатель потока (рис. 3.23)
состоит из поршня-клапана 2 и воздушных колпаков 1 и 8, и
смонтирован в поворотной головке гидромонитора (см. рис. 3.17).
Рабочая жидкость поступает в камеру 11, с которой, в зависимости от положения поршня-клапана 2, буртики которого прижаты к левому или
62
![](/html/2706/1201/html_o_E9jGt6el.1A9W/htmlconvd-DjoBqt63x1.jpg)
правому седлу 5, поступает в левый 4 или правый 6 ствол. Полости 10 и 12, расположенные за поршнями, соединены со стволами 4 и 6
переводными трубками 3 и 7. Одна из полостей (например, 10)
соединена с атмосферой через вентиль 9.
1, 8 – воздушные колпаки; 2 – поршень-клапан; 3, 7 – переводные трубки; 4, 6 – стволы; 5 – седло; 9 – вентиль управления;
10, 11, 12 – полости Рисунок 3.23 – Принципиальная схема импульсного
гидромонитора ГИ-4
Для введения переключателя в режим автоколебаний закрывают вентиль 9. Жидкость по трубке 3 поступает в полость 10 и через отверстия заполняет воздушный колпак, отжимая его мембрану.
Давление в полости повышается и поршень-клапан 2 перемещается вправо (по схеме), переключая направление движения жидкости,
которая поступает теперь не к левому 4, а к правому стволу 6. Давление в левом стволе падает до атмосферного и жидкость начинает по трубке
3 выходить из полости 10. Поскольку в воздушном колпаке 1 находится некоторый объем жидкости, а трубка 3 имеет значительное
63
![](/html/2706/1201/html_o_E9jGt6el.1A9W/htmlconvd-DjoBqt64x1.jpg)
гидравлическое сопротивление, давление в полости 10 остается
повышенным и равняется давлению воздуха в колпаке 1, пока мембрана
колпака не будет прижата к решетке.
Одновременно, повышение давления в правом стволе приводит
к заполнению жидкости через трубку 7 полости 12 и воздушного
колпака 8. Когда давление в полости 12 превысит давление в полости
10, поршень-клапан 2 снова передвинется в левое (по схеме) положение.
Теперь жидкость поступает к левому стволу 4, давление в правом
стволе 6 упадет до атмосферного. Жидкость заполнит полость 10 и
колпак 1, а из полости 12 и колпака 8 будет вытекать. Когда давление в
полости 10 станет выше, чем в полости 12, поршень-клапан вновь
передвинется вправо и т.д.
Выведение переключателя из режима автоколебаний
совершается открытием вентиля 9, который соединяет полость 10 с
атмосферой.
Для разрушения прочного угля и пород разработано импульсные
водометы сверхвысокого давления ИВ-1, ГБ-1, ИВ-5 и ИВ-15. Схема
водомета, поясняющая принцип получения импульсных струй, показана
на рисунке 3.24.
Рисунок 3.24 – Схема импульсного водомета сверхвысокого давления:
1 – золотник; 2, 10 – ресиверы;
3 – поршень; 4 – цилиндр;
5 – плунжер; 6 – ствол;
7 – насадка; 8 – заглушка;
9 – механическая связь;
11 – распределитель;
12 – патрубок сброса воды;
13 – напорный патрубок
64
Импульсный водомет состоит из цилиндра 4, соединенного со стволом 6, который заканчивается конической насадкой 7. С другой стороны цилиндр герметично закрыт дном, в котором закреплен золотник 1. Цилиндр 4 соединен патрубками с ресиверами 2 и 10. В
цилиндре 4 перемещается поршень 3 со штоком 5. Через патрубок 13
подается вода, поступление которой в водомет начинается при соответственном положении распределителя 11, который через патрубок 12 соединяет полость водомета с атмосферой. Отверстие конической насадки водомета закрывается специальной заглушкой 8.
Золотник 1, распределитель 11 и заглушка 8 связаны между собой специальными автоматическими приборами, схематично показанными в виде связи 9.
Импульсный водомет работает следующим способом. Ресиверы заполняются сжатым воздухом, поршень 3 отжимается в крайнее правое положение, показанное пунктиром. После того, как через патрубок 13 в
водомет начинает поступать вода, поршень начинает отодвигаться в левое исходное положение, сжимая воздух в ресиверах. Дойдя до крайнего положения, поршень нажимает на выступающий шток золотника 1, который приводит в движение систему автоматического управления распределителя 11 и заглушки 8. При этом заглушка открывается, а распределитель 11 перекидывается и соединяет полость цилиндра 4 с атмосферой; при этом давление на поршень уменьшается до атмосферного. Под действием сжатого в ресиверах воздуха поршень
3 разгоняется, и его шток 5, двигаясь по стволу 6, выталкивает цилиндрический объем води через насадку 7. По окончанию цикла водомет начинает работать в автоматическом режиме. Частота выстрелов определяется производительностью насоса, который подает
65
воду в водомет, и может быть доведена до 100 и более выстрелов в минуту.
Проведенные исследования показали, что водометы ИВ-1 и ГБ-1
способны развивать давление, близкое к расчетному. Из водомета ИВ-1
удалось получить импульсные водные струи давлением до 130 МПа при частоте 13…14 выстрелов в минуту и объеме воды около 550…600 см3.
3.4 Разработка пород всасыванием
3.4.1 Общие сведения Всасыванием называют процесс, который заключается в
приобщении потоком воды твердых частиц грунта или породы во всасывающий трубопровод грунтового насоса (или другого способа гидротранспорта).
Процесс всасывания может применяться для первичной или
вторичной разработки. В первом случае используются землесосные снаряды – плавучие землесосные установки, которые предназначены для извлечения горной массы, что находится под слоем воды в природных или искусственных водохранилищах, и транспортирование ее на отвалы, обогатительные установки или промежуточные емкости.
Спектр применения земснарядов очень широкий: строительные,
гидротехнические, дноуглубляющие работы, создание выемок, каналов;
в горной промышленности земснаряды выполняют вскрышные и добычные работы в затопленных карьерах. Совмещение в одной установке способов разработки и гидротранспорта обеспечивает высокую производительность, малую трудоемкость и непрерывность добычи, способствует включению землесосных снарядов к системам комплексной гидромеханизации горных работ. Использование
66
земснарядов исключает проблему осушения котлованов и позволяет разрабатывать полезные ископаемые в условиях повышенной влажности грунта или даже со дна природного водохранилища.
Вторичная разработка всасыванием совершается стационарными или плавучими землесосными установками, который обеспечивает гидравлический транспорт горной массы, отбитой гидромонитором или вынутой экскаватором. В этом случае всасывание ведется из зумпфа или бункера, куда горная масса поступает уже разрушенной.
3.4.2 Размыв пород в процессе всасывания
Процесс всасывания происходит вследствие создания машиной для гидротранспорта (это может быть грунтовой насос, эрлифт,
гидроэлеватор) разницы давлений за пределами и внутри всасывающей трубы. В результате во всасывающую трубу гидротранспортной машины поступает жидкость. Вокруг наконечника всасывающей трубы образуется зона, в которой происходит движение жидкости к отверстию наконечника, – зона всасывания. При работе на чистой воде она имеет форму сферы, в которой скорости подхода равномерно убывают во всех направлениях. При всасывании не связных горных пород происходит экранирование сферы поверхностью забоя, поэтому подтекающие струи искривляются и получают сложное очертание, которое зависит от расположения наконечника в забое (рис. 3.25).
При приближении всасывающей трубы к поверхности забоя скорость движения воды в кольцевом зазоре между породой и трубой возрастает. Движение воды при некоторой скорости вызывает движение частиц породы и вынос их в направлении к осевой линии всасывающей трубы (рис. 3.26).
67
![](/html/2706/1201/html_o_E9jGt6el.1A9W/htmlconvd-DjoBqt68x1.jpg)
Существует два режима всасывания пород: поверхностный и глубинный. При поверхностном режиме между всасывающим
наконечником и слоем породы остается зазор, через который движется
вода, захватывая частицы породы с поверхности слоя. Такой режим не
позволяет обеспечить высокую консистенцию пульпы.
1 – всасывающий трубопровод; 2 – линии течения; 3 – линии равных скоростей; 4 – зона завихрения
Рисунок 3.25 – Схема распределения скоростей в зоне всасывания при работе на чистой воде (а) и при всасывании грунта (б)
Рисунок 3.26 – Схема вовлечения |
Рисунок 3.27 – Схема воронки |
породы во всасывающий |
граничного размыва |
трубопровод |
|
Глубинный режим заключается в погружении наконечника в
слой породы и всасывании пульпы, которая образовывается благодаря
68
![](/html/2706/1201/html_o_E9jGt6el.1A9W/htmlconvd-DjoBqt69x1.jpg)
фильтрации жидкости через породу. Этот режим позволяет получить более высокую консистенцию пульпы, но осложняет работу насоса,
который должен создавать большую разницу давлений.
Размыв породы зависит, в основном, от средней скорости движения воды, которая поступает через кольцевой зазор. При постоянном расстоянии между всасывающей трубой и забоем средняя скорость движения воды
v |
|
Q |
|
2 pв |
, |
(3.33) |
ср |
|
|
||||
|
|
|
|
|
||
|
|
з |
|
|
|
|
где μ – коэффициент скорости; Q – расход жидкости; ρ – плотность жидкости; pв – вакуум во всасывающей трубе; ωз – площадь зазора всасывания:
з Pвс hз |
Dвс hз ; |
(3.34) |
Pвс, Dвс – периметр и диаметр всасывающего наконечника; hз – высота зазора всасывания.
Для всасывающего отверстия круглой формы
v |
v |
|
пр |
v |
|
Dвс |
; |
(3.35) |
|
|
вс 4 h |
||||||
ср |
вс |
|
|
|
|
|||
|
|
|
вс |
|
|
з |
|
|
где ωпр – площадь проходного |
сечения всасывающего |
отверстия; |
vвс – скорость движения воды на входе во всасывающее отверстие.
Процесс размыва породы в зоне всасывания можно рассматривать как процесс переноса частиц русловым или напорным
69
![](/html/2706/1201/html_o_E9jGt6el.1A9W/htmlconvd-DjoBqt70x1.jpg)
потоком при высоком насыщении взвешенных частиц. При этом необходимо учитывать форму и размеры воронки, которая образуется.
Основной характеристикой при разрушении несвязных пород всасыванием является размывная скорость, то есть средняя скорость потока, при которой начинаются отрыв и перемещение частиц породы.
Размывная скорость определяется следующими эмпирическими формулами:
- формула В. С. Кнороза:
vр2 |
0,001 k h0,24 |
d n |
; |
(3.36) |
|
||||
2g |
п |
ср |
|
|
|
|
|
|
- формула В. Н. Гончарова и И. И. Леви:
vр2 |
|
hп |
2 |
|
||
0,001 k dср ln |
; |
(3.37) |
||||
2g |
d |
ср |
||||
|
|
|
|
- формула Д. Т. Рощупкина для однородных песков:
vр2 |
0,001 14 dср |
5 |
, |
(3.38) |
|
2g |
d |
ср |
|||
|
|
|
|
и для разнозернистых песков
vр2 |
0,001 14 di |
5 |
Pi |
, |
(3.39) |
2g |
di |
||||
|
|
|
|
|
|
|
70 |
|
|
|
|