Обоснование параметров и разработка средств формирования водяных струй для систем высоконапорного орошения горных машин

Общеизвестно, что в настоящее время в России около 70% угольных шахт относятся к опасным по газу (метану) и около 55% -к сверхкатегорным и выбросоопасным. При этом, угольные пласты, опасные по взрывам пыли, составляют порядка 90% от общего числа [1].

Как показывает статистика, одним из основных источников взрывов газа и пыли при подземной добыче угля является воспламенение пылегазовоздушной смеси в результате фрикционного контакта режущего инструмента с абразивными породами и их включениями в угольном массиве [2, 3]. Особую опасность представляют использовании проходческих комбайнов по крепким (ст> бОМПа) горным породам в забоях с выделением метана 2,7% и более. В этих условиях вероятность взрыва приближается к 1 [7].

Решение этой проблемы в конструкциях исполнительных органов наиболее конкурентоспособных зарубежных комбайнов ЕТ120 «Айкгофф», Е301 «Паурат», SM130 — фирма «IBS» (Германия), — RH22 «Андерсен» (Англия), и АМ65 — фирма «Фест-Альпине» (Австрия) и др. достигается применением систем внутреннего высоконапорного орошения. Например, в проходческом комбайне АМ65, выпускаемом фирмой «Фест-Альпине» (Австрия), используется система «Set-Jet» с давлением воды 15−20 МПа.

Комплексные исследования, проведенные в 1980;2000 гг. в пылевых лабораториях ИГД им. А. А. Скочинского, ВостНИИ и ПНИУИ, также показали, что наибольший эффект пы л епо давления наблюдается при применении оросительных систем с подачей жидкости на резцы, контактирующие с угольным массивом, под повышенным давлением [4−6, 8, 9,13].

Однако практика использования подобных систем показала, что требуемые органами Санэпиднадзора России уровни запыленности на рабочих местах при применении этих средств достижимы только на пластах 1-IV групп пыльности [36]. При этом, как показывает практика, не решается в полной мере задача обеспечения взрывозащиты исполнительных органов горных машин, а в забое остается значительная запыленность в составе которой преобладает мелкодисперсная фракция — до 10 мкм., которая не только создает угрозу здоровью шахтеров, но также отрицательно влияет на эффективность управления комбайном и способствует снижению его производительности.

Причина такого положения, на наш взгляд, носит системный характер. Разработчики систем высоконапорного пылевзрывозащитного орошения, как правило, используют два методических подхода. Первый из них заключается в попытке максимального использования опыта создания оросительных средств и критериев оценки эффективности работы систем низконапорного орошения, подавая воду на след резца в горной породе при повышенном давлении воды. Результатом такого подхода является избыточное распыление струи и вывод о нежелательности повышения давления воды свыше 4 МПа.

При другом подходе, в системах высоконапорного орошения используются струеформирующие средства, разработанные для гидромеханических исполнительных органов, и опыт их эксплуатации в безщелевых режимах разрушения. Недостатками этого подхода являются высокие энергозатраты, сложность конструктивных решений и недостаточная эффективность пылеподавления при подаче компактной водяной струи в зону позади резца.

Все это свидетельствует о необходимости проведения специальных дополнительных исследований, направленных на изучение физических процессов формирования плоских и осесимметричных водяных струй высокого давления с учетом специфики их использования в системах высоконапорного орошения горных машин, и разработку методов расчета их рациональных параметров на основе изучения реальных динамических и структурных характеристик струй воды высокого давления. При этом должны быть учтены специальные требования, связанные с необходимостью достижения одновременно надежной взрывозащиты горных машин и эффективного пылеподавления при рациональном использовании гидравлической энергии.

Цель работы. Обоснование параметров и разработка средств формирования водяных струй для систем высоконапорного орошения, обеспечивающих эффективное пылеподавление и взрывозащиту при работе исполнительных органов горных машин.

Идея работы заключается в выборе рациональных параметров новых типов струеформирующих устройств и насадок, позволяющих управлять шириной факела струи позади режущего инструмента в зоне его контакта с горным массивом и обеспечивающих за счет этого более эффективную взрывозащиту и пылеподавление при работе исполнительных органов горных машин.

Методы исследования включают в себя: анализ и обобщение опыта создания и использования средств орошения для проходческих и очистных комбайнов, а также результатов ранее выполненных работ по экспериментальному изучению структуры и динамики водяных струй высокого давленияаналитическое и экспериментальное моделирование процессов формирования гидравлических струй в насадках и малогабаритных струеформирующих устройствах (МСУ) — экспериментальные исследования с применением методов теории вероятности и математической статистики.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

— интенсивность расширения факела плоской струи, сформированной в двухступенчатых насадках с эллиптическим выходным отверстием, практически не зависит от давления воды, а определяется углом конусности второй ступени насадки, отношением большой и малой осей выходного отверстия и качеством изготовления. рациональные геометрические параметры струеформирующих элементов и насадок МСУ с тангенциальным и радиальным подводом воды определяются в зависимости от структурных и динамических характеристик водяных струй высокого давления с использованием разработанной математической модели процессов формирования осесимметричных водяных струй высокого давления, учитывающей расход воды под резец, давление воды, коэффициент поджатая потока в насадке, изменение диаметра струи по ее длине и длину начального участка, характеризующую качество струеформирования;

— длина начального участка тонких струй высокого давления, сформированных в новых типах МСУ, может быть определена с использованием обобщенной зависимости, установленной ранее для тонких струй высокого давления сформированных в полноразмерных струеформирующих устройствах, с учетом установленных зависимостей, отражающих влияние конструктивных особенностей МСУ в переходном и автомодельном турбулентных режимах истечения;

— при использовании МСУ с тангенциальным и радиальным подводом воды для определения осевого динамического давления может быть с высокой надежностью использована обобщенная закономерность изменения величины осевого динамического давления от расстояния до насадки, установленная для тонких струй высокого давления, сформированных в полноразмерных струеформирующих устройствах.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректностью поставленных задачпредставительным объемом экспериментальных данных, полученных в стендовых условиях с применением современных методов исследований и средств измерениякорректным применением методов теории вероятности и математической статистики, а также методов теории подобия и размерностей при обработке и анализе экспериментальных данныхустойчивостью корреляционных связей установленных зависимостей (значения индексов корреляции находятся в пределах 0,85 -н 0,99).

Научное значение работы заключается:

— в разработке математической модели и физической интерпретации процессов формирования плоских водяных струй высокого давления в насадках.

Я ! с круговой формой входного отверстия и эллиптической формой выходного отверстия, позволяющих повысить качество формирования плоских водяных струй за счет снижения уровня нестационарной турбулентности водяного потока в проточном канале насадки;

— в установлен&tradeаналитических зависимостей, отражающих влияние геометрических параметров проточной части насадок с двухступенчатым профилем и эллиптическим выходным отверстием на динамические и структурные характеристики плоских водяных струй высокого давления;

— в разработке физической интерпретации и математической модели процессов формирования осесимметричных водяных струй высокого давления в МСУ с тангенциальным и радиальным подводом воды и коэффициентом поджатия потока в насадке в пределах Кп= 4−10;

— в установлении расчетных зависимостей для определения основных динамических и структурных характеристик водяных струй высокого давления на различных расстояниях от насадки в зависимости от исходных гидравлических параметров, геометрических параметров МСУ с тангенциальным и радиальным подводом воды и параметров проточной части струеформирующих насадок с учетом качества их изготовления.

Практическое значение работы:

— разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров двухступенчатых насадок с эллиптическим выходным отверстием при их использовании в составе систем пылевзрывозащитного орошения горных машин. Разработана конструкция двухступенчатых насадок с эллиптическим выходным отверстием, обеспечивающая формирование плоских струй высокого давления с однородной структурой, и за счет изменения угла конусности второй ступени насадки в диапазоне (3= 20° - 45°, позволяющая эффективно изменять ширину факела на расстояниях до 400 мм от насадки;

— разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров проточной части МСУ с радиальным щелевым подводом воды для систем пылевзрывозащитного орошения горных машин. Разработана конструкция малогабаритного устройства с радиальным щелевым подводом воды, обеспечивающая за счет изменения геометрических параметров струеформирующих элементов возможность эффективного управления динамическими и структурными характеристиками струй воды высокого давления;

— разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров проточной части МСУ с тангенциальным подводом воды для систем пылевзрывозащитного орошения с коэффициентом поджатая потока в насадке в пределах Кп= 4−10 и безразмерной длиной успокоителей в пределах от 2,5 до 7,5 диаметров его проточного канала.

Реализация работы. Результаты исследований были использованы ННЦ ГП — ИГД им. А. А. Скочинского, фирмой НИТЕП и ОАО ЦНИИподземмаш при проектировании системы пылевзрывозащитного орошения СПЕЮ для проходческого комбайна КПА-150 и ООО «Скуратовский машиностроительный завод» при проектировании и изготовлении экспериментальных и опытных образцов систем высоконапорного орошения горных машин.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались:

— на международном научно-техническом симпозиуме «Неделя горняка -2010» вМГГУ;

— на 3-й Международной конференции «Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства» (г. Тула, ТГТУ, 8−10 июня, 2010) — I.

— на VIII Международной научно-технической конференции «Чтения памяти В.Р. Кубачека» (Екатеринбург, 14−16 апреля, 2010), а также на научных семинарах ННЦ ГП — ИГД им. А. А. Скочинского (2007;2010 гг.).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 научных статей, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 159 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков, 34 таблицы, список использованной литературы из 76 наименований и 6 приложений.

Выводы по главе.

1. Установлены безразмерные расчетные зависимости изменения ширины и толщины факела плоских струй по их длине в зависимости от угла конусности второй ступени насадки в диапазоне Р= 20°-45°и параметров эллипса выходного отверстия насадки. Рекомендуемое значение коэффициента эллипсности насадки составляет кэ= = 1,2−1,65.

2. Установлена правомерность использования установленных расчетных зависимостей, учитывающих конструктивные особенности и геометрические параметры струеформирующих элементов* МСУ 1 и МСУ-2 в переходном и автомодельном турбулентных режимах истечения водяной струи, в полученной ранее для полноразмерных струеформирующих устройств обобщенной безразмерной зависимости изменения безразмерной величины осевого динамического давления тонких струй высокого давления, от безразмерного расстояния до насадки —. Диапазон колебаний средних значений коэффициентов вариации расчетных данных относительно экспериментальных для МСУ-1 составил при давлении воды 10 МПа Квар= (2,14−6,9)%, а при давлении воды 40 МПа — Квар= (2,86−12,34)%. Для МСУ-2 диапазон колебаний средних значений коэффициентов вариации при давлении воды 10 МПа составил Квар= (3,68−6,9)%, а при давлении воды 40 МПа колебания средних значений коэффициентов вариации находились в диапазоне Квар= (3,87−8,68)%.

3. Получена обобщенная зависимость безразмерной величины диаметра тонких струй высокого давления от безразмерного расстояния до насадки, в структуру которой входит длина начального участка, определяемая с использованием установленных для МСУ-1 и МСУ-2 расчетных зависимостей, учитывающих конструктивные особенности и геометрические параметры их струеформирующих элементов в переходном и автомодельном турбулентных режимах истечения, что позволяет эффективно управлять диаметром струи по ее длине.

4. Для насадок с конусно-циллиндрическим профилем проточной части установлены расчетные зависимости, позволяющие за счет изменения угла конусности насадки в пределах а= 13°-К22°и длины ее цилиндрической части 1ц в пределах 1Ц= (1 — 4) do, управлять диаметром струи по ее длине в переходном и автомодельном турбулентных режимах истечения.

5. Для пылевзрывозащитных систем орошения горных машин разработан инженерный метод расчета рациональных параметров двухступенчатых насадок с эллиптическим выходным отверстием и формируемых в них плоских гидравлических струй высокого давления.

6. Разработан инженерный метод расчета рациональных параметров формирования осесимметричных водяных струй высокого давления в МСУ-1 и МСУ-2, рекомендуемых для использования в составе пылевзрывозащитных систем орошения горных машин.

7. Для системы высоконапорного пылевзрывозащитного орошения СПВО комбайна КПА-150, для технологически обоснованного расстояния 10= 100 мм и расходе воды под резец Qo=2 л/мин, выполнен расчет рациональных параметров струеформирующих насадок с двухступенчатым профилем проточной части и эллиптическим выходным отверстием. Установлено, что при изменении давления воды от р0= 4 МПа до ро= 15 МПа эквивалентный диаметр струи изменяется от d3= 0,89 мм до d3= 0,64 мм. При этом ширина факела плоской струи изменяется от Da= 33,9 мм до DA= 28,4 при угле конусности второй ступени насадки а=20° и от Da= 51,9 мм до DA= 45,6 мм при а=30°.

8. Для системы высоконапорного пылевзрывозащитного орошения СПВО комбайна КПА-150 при расходе воды под резец Qo=2 л/мин, давлении воды в пределах 15 МПа > ро ^ 4 МПа и технологически обоснованного расстояния lo= 100 мм, выполнены расчеты рациональных параметров МСУ нового технического уровня с радиальным щелевым подводом воды и определены основные структурные характеристики формируемых в них водяных струй.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработана математическая модель поверхности проточной части насадки с круговой формой входного отверстия и эллиптической формой выходного отверстия, позволяющая повысить качество формирования плоских водяных струй за счет снижения турбулентности водяного потока в проточном канале насадки.

2. Установлено, что интенсивность расширения факела плоской струи, сформированной в двухступенчатых насадках с эллиптическим выходным отверстием, практически не зависит от давления воды, а определяется углом конусности второй ступенинасадки, отношением большойи малой осей выходного отверстия и качеством изготовления насадки.

3. Для двух и одноступенчатых насадок с углами конусности второй ступени р= 20°- 30° и 45° и эллиптической формой выходного отверстия с коэффициентом эллипсности кэ = 1,2−1,65 получены обобщенные зависимости безразмерной ширины и толщины факела плоских струй от безразмерного расстояния до насадки, позволяющие за счет выбора угла конусности второй ступени и параметров выходного отверстия управлять шириной и толщиной факела струи на заданном расстоянии от насадки.

4. Выполнена физическая интерпретация и разработаны математические модели процессов формирования осесимметричных водяных струй высокого давления в МСУ с тангенциальным и радиальным подводом воды и коэффициентами поджатия потока в насадке в пределах Кп = 4 — 10, позволяющие определять рациональные геометрические параметры их струеформирующих элементов и насадок при использовании в составе систем пылевзрывозащитного орошения.

5. Установлено, что полученная ранее для полноразмерных струеформирующих устройств обобщенная безразмерная зависимость изменения безразмерной величины осевого динамического давления тонких струй высокого давления, от безразмерного расстояния до насадки —, может t быть с высокой надежностью использована в случае применения МСУ с тангенциальным и радиальным подводом воды. При этом длина начального участка определяется с использованием установленных расчетных зависимостей, учитывающих конструктивные особенности и геометрические параметры струеформирующих элементов МСУ в переходном и автомодельном турбулентных режимах истечения водяной струи.

6. Разработаны рекомендации и инженерные методы расчета рациональных параметров проточной части МСУ с тангенциальным подводом воды, коэффициентом поджатая потока в насадке в пределах Кп = 4−10 и безразмерной длиной' успокоителей в пределах (2,5−7,5)dK, а также основных динамических и структурных характеристик формируемых в них водяных струй высокого давления на различных расстояниях от насадки.

7. Разработаны рекомендации и инженерный метод расчета рациональных параметров малогабаритных струеформирующих устройств с радиальным щелевым подводом воды, а также основных динамических и структурных характеристик формируемых в них водяных струй высокого давления на различных расстояниях от насадки.

8. Для системы высоконапорного пылевзрывозащитного орошения СПВО комбайна КПА-150 при расходе воды под резец Qo~2 л/мин, давлении воды в пределах 15 МПа > р0 > 4 МПа и технологически обоснованного расстояния 1о= 100 мм, выполнены расчеты рациональных параметров двухступенчатой насадки с эллиптическим выходным отверстием и МСУ нового технического уровня с радиальным щелевым подводом воды и определены основные структурные характеристики формируемых в них водяных струй.