НАСАДОК ГИДРОМОНИТОРА Российский патент 1995 года по МПК E21C45/00 E21C25/60 

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для использования при подземной гидравлической добыче угля.

Известен насадок гидромонитора, изготовленный целиком из конструкционной стали, имеющий конфузорный проточный канал, состоящий из двух последовательно сопряженных участков: первого (по ходу движения потока) с профилем, описанным внешним радиусом, и второго конического с углом конуса 12-14^о [1] Лучшие результаты по качеству струи показали такие насадки, изготовленные из нержавеющей стали, шлифованные и полированные.

При сравнительной простоте конструкции данный аналог имеет два основных недостатка.

Коэффициент осевого динамического давления К_о не превышает значений 0,40-0,45 при требовании к гидромониторным струям: К_о > 0,5.

При этом К_о Р_гд.c/Р_гд.м, где Р_гд.с гидродинамическое давление в свободной струе на определенном расстоянии от насадка, измеренное трубкой полного напора (Пито) по всему сечению струи с последующим осреднением полученных результатов по диаметру данного сечения струи в двух взаимно перпендикулярных направлениях;
Р_гд.м гидродинамическое давление потока в пределах проточного тракта гидромонитора, например, непосредственно перед насадком.

При низком К_о производительность гидроотбойки неоптимальна из-за распада струи на близком расстоянии от насадка.

Срок службы насадка весьма низкий (из расчета снижения производительности гидроотбойки в результате износа насадка на 20%) и не превышает 100 ч при давлении технологической воды перед гидромонитором Р 8-12 МПа и массовой концентрации в воде твердых примесей ϕ≅4% (40 г/дм³).

Для увеличения срока службы использовались составные насадки [2] включающие стальной корпус и установленный в него на эпоксидной смоле вкладыш из сплава карбид титана-железо (твердосплавный вкладыш). Этот вкладыш имеет конфузорный канал (конический), сопряженный с цилиндрическим выходным участком, т.е. вкладыш имеет два последовательно сопряженных участка конический и цилиндрический.

Конструкция второго аналога существенно сложнее, а трудоемкость изготовления насадка существенно выше, чем первого аналога, но срок службы насадка возрос примерно вдвое.

Главными недостатками второго аналога являются: низкий коэффициент осевого динамического давления: К_о 0,40-0,45; недостаточно высокая износостойкость твердосплавного вкладыша (из 5-ти исследованных образцов только один служил 205 ч, остальные меньше); неудачная конструкция насадка, не гарантирующая отсутствия раздавливания давлением воды твердосплавного вкладыша.

Наиболее близким к предлагаемому является насадок [4] имеющий стальной корпус и установленный в него твердосплавный вкладыш со специальным профилем проточного канала.

Этот вкладыш имеет четыре последовательно сопряженных конических участка, образующих конфузорный канал (без цилиндрической части) с выходным диаметром d. Первый (по ходу потока) участок в силу сравнительно небольших скоростей потока изнашивается незначительно и может принадлежать либо вкладышу, либо корпусу, либо промежуточной детали, обычно называемой переходником. Конструкция этого участка существенной роли на структуру струи не оказывает при углах конусности до 80^о. Наибольшую сложность в изготовлении и наибольшую ценность по достижению высокой износостойкости и коэффициента К_о представляет остальная часть вкладыша, оптимальный профиль канала которого по данным Хойта и Тейлора [3] соответствует кривой Бэтчелора-Шоу. Вкладыш с профилем проточного канала по Бэтчелору-Шоу приводит к получению короткого насадка с высоким коэффициентом К_о (К_о 0,70-0,75). При изготовлении насадка с таким вкладышем из металлокерамики типа ВК (карбид вольфрама кобальт) повышен срок службы насадка до 2000 ч, что в 10 раз выше, чем срок службы (по износостойкости) второго аналога.

Короткий насадок высокого энергетического качества требует меньшего расхода дефицитного порошка ВК, чем длинный насадок по второму аналогу. Еще экономичнее короткий насадок был бы, если бы удалось избежать раздавливания тонкого вкладыша давлением воды, воздействующим из проточного канала вкладыша.

Недостатками насадка с твердосплавным вкладышем по Бэтчелору-Шоу являются сложность его изготовления, особенно, сложность шлифовки проточного канала вкладыша, при которой не исключены отклонения от заданного профиля, и соответствующее снижение качества струи (снижение К_о).

Насадок-прототип с толстым вкладышем, имеющим профиль проточного канала в виде последовательно сопряженных и легко шлифуемых нескольких конических участков, имеет не ниже энергетические и надежностные показатели, чем насадок по Бэтчелору-Шоу. Вкладыш (фиг.2) показал при стендовых испытаниях К_о 0,69-0,73 и срок службы (по износостойкости) более 2000 ч.

Недостатками насадка-прототипа являются: сложность расчета геометрии проточного канала вкладыша, неопределенность в выборе количества участков линейной аппроксимации кривой Бэтчелора-Шоу, отсутствие рекомендаций о целесообразности соблюдения упомянутой в статье точности расчетов, повышенный расход порошка ВК.

Целью изобретения является повышение технологичности изготовления твердосплавного вкладыша и насадка в целом и снижение материалоемкости твердосплавного вкладыша при сохранении достигнутого в прототипе гидравлического качества проточного канала вкладыша.

Цель достигается тем, что у насадка, включающего стальной корпус и твердосплавный вкладыш длиной l с входным диаметром d₁ и выходным d и имеющего конфузорный проточный канал из n последовательно сопряженных конических участков с входными диаметрами d₁,d₂,d_n и осевыми длинами l₁,l₂,l_n.

Количество n конических участков проточного канала вкладыша выбрано равным трем (n 3).

При этом между длиной l вкладыша и его входным d₁ и выходным d диаметрами установлено соотношение
l 3,32(d₁-d), (1) а промежуточные размеры трех конических участков конфузорного проточного канала вкладыша определены по формулам:
d₂ 0,329d₁+0,671d (2)
d₃ 0,097d₁+0,903d, (3)
при
l_i= , (4) где d₂ входной диаметр второго (по ходу движения воды) участка вкладыша;
d₃ входной диаметр третьего участка вкладыша;
l_i осевая длина соответствующего участка вкладыша;
a_i коэффициент длины соответствующего участка вкладыша;
а₁ 3, а₂ 4, а₃ 5.

Эта цель дополнительно достигается и тем, что вкладыш установлен в стальной корпус с радиальным кольцевым зазором, который сообщен гидравлически с проточным каналом вкладыша в области головного его участка с диаметром d₁ и отделен от окружающей среды уплотнением, установленным в области выходного участка вкладыша с диаметром d.

Из названных отличительных признаков вытекает ряд важных технических преимуществ в сравнении с прототипом.

Снижено количество подлежащих шлифовке конических участков вкладыша с n 4 до n 3 при соответствующем уменьшении длины l вкладыша, чем повышена технологичность изготовления, снижена материалоемкость и упрощен способ прессования материала вкладыша, т.е. дополнительно повышена технологичность.

Даны простые зависимости (1-4) для быстрого определения размеров каждого конического участка вкладыша, что позволяет повысить технологичность через: сокращение предзатрат и срока проектирования вкладыша и пресс-форм, упрощение средств и приемов контроля размеров вкладыша и пресс-форм, упрощение изготовления пресс-форм, упрощение способа прессования материала вкладыша, создание ряда типоразмеров вкладышей (типаж), что дополнительно может снизить материалоемкость.

Вкладыш установлен в корпус с кольцевым зазором, в котором организовано наличие давления воды, силы от которого сжимают вкладыш (центростремительно), в отличие от прототипа, где силы от давления воды в проточном канале вкладыша разрывали его (центробежно). Тот факт, что цилиндрическое тело лучше воспринимает центростремительные силы, чем центробежные, позволил сделать вкладыш тонким, настолько тонким, насколько это позволяют условия прессования порошка, а именно толщина стенок вкладыша достигнута 4-5 мм вместо 8-10 мм у прототипа, чем снижена материалоемкость вкладыша.

Кроме того отсутствие эпоксидной смолы, как составного (технологического) элемента насадка, повышает технологичность его изготовления, так как нет смолы, нет необходимости ее готовить, не нужен процесс заполнения технологических зазоров между вкладышем и корпусом смолой, нет стадий нагрева изделия и удаления наплывов после затвердения смолы.

Дополнительно: устраняется опасность растрескивания вкладыша под внутренним давлением воды, что повышает механическую надежность изделия и срок его службы по фактору износ.

На чертеже представлена схема насадка с твердосплавным вкладышем при соединении насадка со стволом гидромонитора через переходник, вид сбоку.

Насадок 1 гидромонитора включает стальной корпус 2 и установленный в него твердосплавный вкладыш 3 характерной длиной l, характерным водным диаметром d₁ и характерным выходным диаметром d. Вкладыш 3 имеет проточный канал 4, который является конфузорным и представлен тремя последовательно сопряженными коническими участками: первым по потоку (или головным) 5, вторым 6 и третьим (или выходным) 7.

Головной участок 5 имеет входной диаметр d₁ и длину l₁, второй участок 6, соответственно, d₂ и l₂, выходной участок 7, соответственно, d₃ и l₃ и выходной диаметр d.

Вкладыш 3 установлен в корпус 2 с радиальным зазором 8 на длине вкладыша L < l. На наружной поверхности вкладыша выполнены цилиндрические пояски: головной 9 на головном конце вкладыша и хвостовой 10 на выходном конце вкладыша. Посредством поясков 9 и 10 вкладыш 3 центрирован относительно корпуса 2. В области сопряжения хвостового пояска 10 вкладыша с корпусом установлено уплотнение 11, которое может быть радиальным (как показано на чертеже), торцовым или угловым.

На чертеже дополнительно обозначены: ствол гидромонитора 12, переходник 13, расточка 14 переходника, расточка 15 ствола, гайка 16 и бурт 17 ствола.

Поток воды из ствола 12 гидромонитора поступает через переходник 13 в проточный канал 4 вкладыша 3. В переходнике и вкладыше происходит преобразование гидростатического давления в скоростную составляющую давления. Поток в виде струи истекает из выходного отверстия d.

Поток, проходя последовательно конфузоры переходника 13 и участков 5, 6, 7 вкладыша, сопряженных последовательно между собой в виде конических поверхностей канала 4, теряет часть энергии на стыках этих участков. Опытным путем (на стенде) установлено, что эти потери, выражающиеся через коэффициент осевого динамического давления К_о, несущественно снижают последний по сравнению с К_о прототипа. По крайней мере на стенде не отмечено снижение К_о, что говорит об отклонениях этой величины в пределах погрешности стенда и о целесообразности сделанного упрощения методов расчета профиля канала 4.

Это упрощение состоит в жестком задании количества конических участков: три участка (участки 5, 6, 7). Испытания выполнены с двумя, тремя и четырьмя участками, а также с коноидальным вкладышем. Разница по К_о в насадках 1 с тремя, четырьмя коническими участками и коноидальным каналом 4 находится в пределах погрешности стенда. Применение вкладыша 3 с двумя коническими участками снижает К_о на 15-20% что недопустимо из-за снижения производительности гидроотбойки. Следовательно, три конических участка наиболее рациональное число таких участков, так как увеличение их удорожает насадок, равно как и выполнение канала 4 коноидальным.

Упрощение касается и задания характерных размеров канала 4 в форме соотношения с константой
l 3,32(d₁-d) (1)
Обычно заданным (из условий располагаемого расхода воды и желаемой производительности гидроотбойки) является выходной диаметр насадка (т.е. вкладыша) d. Диаметр же входного участка d₁ для гидромониторных струй (d 16-30 мм) составляет не менее 50 мм, что обусловлено величиной скорости потока, возрастающей до такого уровня, при котором сталь интенсивно изнашивается, и срок ее службы в начальном состоянии не превышает 1000 ч. Данное положение многократно подтверждено практикой. Но если принимать d₁≥50 мм, то стальной переходник 13 будет служить такой же период, что и вкладыш 3. Следовательно, к началу проектирования насадка 1 задан диаметр d и так или иначе известен диаметр d₁. И в соответствии с зависимостью (1) однозначно определяется характерная длина l вкладыша 3.

Промежуточные диаметры (d₂, d₃) конических участков среднего 6 и выходного 7 также однозначно определяются равенствами
d₂ 0,329d₁+0,611d, (2)
d₃ 0,097d₁+0,903d. (3)
И, наконец, длины (l₁, l₂, l₃) также однозначно определяются соотношениями
l_i= , (4) где l₁ осевая длина любого из трех участков;
a_i коэффициент длины соответствующего участка: а₁ 3, а₂ 4 и а₃ 5.

Так, например, при заданном d 20 мм и желательном d₁ 50 мм имеют согласно (1) l 99,6 мм, согласно (2) d₁ 29,9 мм, согласно (3) d₂ 22,9 мм и согласно (4) l₁ 24,9 мм, l₂ 33,2, l₃ 41,5 мм. Т.е. все необходимые размеры конфузорного проточного канала вкладыша 3 получены простыми вычислениями при простых способах контроля, что и отличает предлагаемый насадок от прототипа.

По соотношениям (1-4) рассчитаны и испытаны насадки с d 20, 22 и 27 мм. Переходник 13 имел коническую поверхность и осевую длину 100-300 мм. Разница в величине К_о не отмечена в сравнении с прототипом соответствующего диаметра d. Это также подтверждает целесообразность использования насадка 1 с заявляемыми соотношениями (1-4).

Насадок 1 с вкладышем 3 устанавливается по садке в расточку 14 переходника 13 и вместе с переходником в расточку 15 ствола 12. Гайкой 16 насадок 1 прижат к переходнику 13, а последний к бурту 17 ствола 12. При этом вкладыш 3 центрирован относительно корпуса 2 двумя поясками: головным 9 на длине l_цвх и хвостовым 10 на длине l_ц.вх.

Через неплотности прилегания вкладыша 3 к торцу переходника 13 и через посадочный зазор в соединении корпус вкладыш по головному пояску 9 на длине l_ц.вх. вода из проточного канала 3 в сечении с диаметром d₁ проникает в полость между корпусом и вкладышем, т.е. в радиальный зазор 8 на его длине L. Поскольку на хвостовом пояске 10 длиной l_ц.вых. или на торцевой поверхности вкладыша действует уплотнение 11, в полости с зазором 8 возникает избыточное гидростатическое давление, сжимающее вкладыш 3. Это давление больше разрушающего изнутри вкладыша давления, которое изменяется по длине вкладыша l по убывающей к выходу эпюре, в то время как из зазора 8 на вкладыш действует давление, эпюра которого прямоугольник.

В результате создания противодавления в полости с зазором 8 удалось предотвратить разрушение (растрескивание) тела вкладыша 3 при средней толщине этого тела 4-5 мм. Выполнение короткого (по прототипу) вкладыша из ВК тонким благодаря усовершенствованиям конструкции насадка 1 позволило снизить расход дефицитного материала более чем вдвое по сравнению с вторым аналогом и на 20% по сравнению с прототипом.

Кроме снижения массы вкладыша, снижения трудоемкости изготовления пресс-форм и насадков, упрощения метода их проектирования и контроля размеров изделий, созданные согласно заявке экспериментальные образцы насадков при эксплуатации под давлением Р 10-12 МПа и при массовой концентрации ϕ= 2,5-3% подтвердили высокую износостойкость вкладышей и надежность насадков в целом. Ни один из находящихся в эксплуатации экспериментальных насадков из 20-ти шт. не снизил начальный коэффициент К_о за 2000 ч эксплуатации. Только на одном насадке после 2500 ч эксплуатации на ш. "Инская" обнаружены нарушения на третьем участке 7 вследствие гидроабразивного износа. Эксплуатация экспериментальных насадков продолжается.

Изобретение относится к гидромониторным струям, насадки для которых создаются и эксплуатируются, т.е. для диаметров d 16-30 мм.

Использование: в гидромониторах при подземной гидравлической добыче угля. Сущность изобретения: насадок гидромонитора включает стальной корпус и установленный в него твердосплавный вкладыш с выходным диаметром, варьируемым в диапазоне 16-30 мм, и конфузорным проточным каналом из нескольких последовательно сопряженных трех конических участков. Определены соотношения между общей длиной вкладыша и его входным и выходным диаметрами, а также зависимости для промежуточных размеров конических участков. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. НАСАДОК ГИДРОМОНИТОРА, включающий стальной корпус и установленный в него твердосплавный вкладыш с выходным диаметром 16 30 мм и конфузорным проточным каналом из нескольких последовательно сопряженных конических участков, отличающийся тем, что количество участков проточного канала твердосплавного вкладыша равно трем, при этом между общей длиной l вкладыша и его входным d₁ и выходным d диаметрами установлено соотношение l 3,32 (d₁ d), а промежуточные размеры трех конических участков определены формулами
d₂ 0,329 d₁ 0,671 d;
d₃ 0,097 d₁ 0,903 d,
при

где d₂ входной диаметр второго (по направлению потока) участка вкладыша;
d₃ входной диаметр третьего участка;
l_i осевая длина соответствующего участка вкладыша;
a_i коэффициент длины соответствующего участка вкладыша, определяемый следующим образом: a₁ 3, a₂ 4, a₃ 5. 2. Насадок по п. 1, отличающийся тем, что твердосплавный вкладыш установлен в стальной корпус с радиальным кольцевым зазором, который сообщен гидравлически с проточным каналом вкладыша в области первого его участка и отделен от окружающей среды уплотнением, установленным в области третьего участка вкладыша.