obschee

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

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

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

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

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)

Глубинный режим заключается в погружении наконечника в

слой породы и всасывании пульпы, которая образовывается благодаря

68

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

где μ – коэффициент скорости; Q – расход жидкости; ρ – плотность жидкости; pв – вакуум во всасывающей трубе; ωз – площадь зазора всасывания:

Pвс, Dвс – периметр и диаметр всасывающего наконечника; hз – высота зазора всасывания.

Для всасывающего отверстия круглой формы

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

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:

- формула В. Н. Гончарова и И. И. Леви:

- формула Д. Т. Рощупкина для однородных песков:

и для разнозернистых песков