УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ НАПОРА СТРУИ Российский патент 1999 года по МПК E21C45/02 

Изобретение относится к устройствам для создания пульсаций струи жидкости, которые могут быть применены для эффективного динамического воздействия на горные породы с целью их разрушения и на другие материалы, в том числе и с другими целями (например, с целями упрочнения, очистки поверхности и пр.).

Известен воздушный пульсатор в составе гидромонитора, включающего ствол с насадкой и полой трубкой для подачи воздуха (А.с. СССР N 155784, Кл. E 21 C 45/00, 23.01.62).

Такая конструкция пульсатора не обеспечивает высокой частоты пульсаций, основан на принципе снижения расхода воды, ограничивающего производительность гидроотбойки, и не устраняет помех "водяной подушки") (на контакте с разрушаемым массивом) воздействию пульсаций на процесс разрушения.

Известны прерыватель струи, который выполнен в виде вращающейся решетки лопастей (Ляхтер В. И. , Дзугаев В.В., Зайцев Е.Н. Повышение эффективности действия гидроструй, Гидротехническое строительство, 1982, N 7, с. 40 - 43). Прерывистая струя формируется в результате пересечения истекающей из сопла стационарной струи металлическими лопатками, которые укреплены на роторе, приводимом во вращение электромотором.

Недостатком устройства является невозможность задания пульсаций высокой частоты, существенное ухудшение качества струи, а также взрывоопасность устройства (в шахтных условиях).

Близким к изобретению техническим решением является устройство для создания пульсаций напора, реализованное в составе насадки гидромонитора и выполненное в виде зубчатого колеса, которое закреплено на сопле с помощью кронштейна и установлено касательно к струе жидкости (А.с. СССР N 734421, Кл. E 21 C 45/00, 15.05.80). Струя жидкости приводит колесо во вращение, при этом окружная скорость зубчатого венца колеса близка к скорости струи. Такое исполнение обеспечивает высокую частоту пульсаций, взрывобезопасно, но не позволяет управлять частотой прерывания, не изменяя давление жидкости, и вызывает снижение динамических характеристик струи из-за частичного разбрызгивания ее при взаимодействии с зубчатым венцом.

Задачей изобретения является создание пульсатора, позволяющего повысить эффективность динамического воздействия струи на преграду, в частности, применительно к гидроразрушению горных пород и других материалов, путем снижения потерь качества струи и управления частотой пульсаций.

Задача решается следующим образом: для формирования пульсирующей струи используется колесо с лопатками, имеющими упругую связь с колесом, причем жесткость последней выбирается так, чтобы минимизировать потри мощности струи при взаимодействии ее с лопаткой в широком диапазоне скоростей вращения колеса, а также тормозное устройство (тормоз колеса), позволяющее при необходимости менять скорость вращения прерывателя и варьировать, тем самым, частоту пульсаций струи.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства, вид сбоку, на фиг. 2 - то же, вид сверху. К струеформирующему устройству 1 при помощи кронштейна 2 прикреплена ось 3, на которой посажено колесо 4 с лопатками 5, имеющими упругие связи 6 с колесом (например, в виде витых цилиндрических пружин), ограничитель хода 7, а также регулятор 8 жесткости упругой связи (например, винтового типа, для изменения поджатия пружины). К кронштейну 2 также прикреплено тормозное устройство 9, позволяющее прикладывать к колесу тормозящий момент, что может быть реализовано, например, с помощью колодки 10, имеющей механический привод подачи, производимой дистанционным регулятором (условно не показаны).

Устройство работает следующим образом.

Струя жидкости из сопла 1, попадая на лопатку 5, отклоняет лопатку из исходного положения, передавая при этом часть своей энергии пружине 6, которая сообщает момент вращения колесу 4. По завершении фазы контакта лопатки 5 со струей, упругий элемент 6 возвращает лопатку в исходное состояние, фиксируемое ограничителем хода 7. По мере роста угловой скорости вращения колеса ход лопатки в контакте со струей будет уменьшаться (в системе отсчета, связанной с основанием лопатки), струя при этом будет терять все меньше своей энергии при взаимодействии с лопаткой. При значительных скоростях вращения (частота прерывания струи 500 - 1000 Гц, при среднем числе лопаток N < 10), к упругой возвращающей силе, действующей на лопатку, добавится квазиупругая, источником которой явится центробежная сила, стремящаяся установить лопатку в радиальное положение. При установившейся скорости колеса (линейная скорость обода при этом будет близка к скорости струи, если тормоз 9 не приведен в действие), частота прерывания струи определяется числом лопаток N и напором P₀ жидкости, что дает возможность при напорах порядка 10 МПа, производить пульсирующее воздействие жидкости на преграду в килогерцевом диапазоне частот. Разбрызгивание жидкости, и следовательно, потери качества струи, минимизируются в силу сравнительной легкости смещения лопаток под действием струи, что обеспечивается соответствующим подбором жесткости упругих связей 6 с помощью регулятора 8 или путем установки сменного комплекта этих пружин с другим коэффициентом жесткости.

При необходимости снизить частоту прерывания струи осуществляется прижим тормозной колодки 10 к вращающейся поверхности колеса. Регулируя усилие этого прижима и варьируя тем самым тормозной момент, действующий на колесо, можно установить любую скорость вращения прерывателя в диапазоне скоростей от нулевой до предельной. Большой запас свободного хода лопаток дает при любых скоростях вращения колеса режим, благоприятный для минимизации потерь энергии струи (снижая разбрызгивание жидкости), сохранения ее динамических характеристик, в сравнении с вариантом прерывателя с лопатками, жестко связанными с колесом. При необходимости повысить скорость вращения прерывателя тормозную колодку 10 отводят от поверхности колеса, снимая тем самым действие момента торможения, благодаря чему, в условиях продолжающегося взаимодействия струи и лопатками, вращение колеса ускоряется и, соответственно, возрастает частота пульсаций струи, прошедшей через прерыватель.

Приведем приближенное математическое описание процесса движения колеса с лопатками, соединенных упругими связями с колесом, под действием напорной струи жидкости.

Будем полагать, что движение лопаток происходит в плоскости, составляющей острый угол α < 45 с осью струи. Пусть скорость жидкости в струе V₀; V - линейная скорость обода колеса радиуса R; N - число лопаток на колесе; k - коэффициент жесткости упругой связи лопатки с колесом; m - масса лопатки с учетом 1/3 массы упругого элемента (Нестеренко А.Д., Орнатский П.П. Детали и узлы приборов (расчет и конструирование) - Киев, Техника, 1965 - 428 с): d - длина пробега лопатки в условиях контакта ее со струей (в лабораторной системе координат).

Полагая, что лопатка подвергается воздействию двух сил: F_с - силы удара (давление на нее) струи и F_у - силы упругой реакции пружины, соответственно, имеем
F_с - F_у = ma_л, (1)
где a_л - ускорение, которое получает лопатка. При этом, F_у = kx. Для установившегося движения, ввиду малости упругой силы, примем
(2)
причем время t нахождения лопатки в контакте со струей находится из условия
(3)
Знак приближенного равенства поставлен здесь по причине того, что лопатка должна оказывать весьма умеренное сопротивление струе и поэтому упругая связь лопатки с колесом имеет достаточно малый коэффициент жесткости, чтобы выполнялось
(4)
в исходном неподвижном состоянии колеса, причем x_max ≈ d
Из (4) следует приближенная оценка требуемого значения коэффициента жесткости:
(5)
которая подлежит затем уточнению проведением экспериментов с конкретным устройством.

Вращение колеса определяется уравнением:
(6)
где упругая сила связей колеса с лопаткой, усредненная по времени (с учетом переменного характера действия в течение контакта лопатки со струей и числа лопаток N); M_сопр - момент сопротивления среды (воздуха) и трения в подшипнике вращения колеса; запишем последний как:
M_сопр = CV + fV², (7)
где C и f - постоянные.

Учитывая линейный характер нарастания F_у с x, имеем:
(8)
где t' = d/V.

Вводя в (6) момент торморжения M_торм, искусственно создаваемый с целью понижения угловой скорости вращения колеса и, соответственно, частоты пульсаций струи, который будем определять как:
M_торм= PμR, (9)
где P - нормальное усилие, приложенное к тормозной колодке; μ - коэффициент трения; получим окончательно
(10)
Рассмотрим установившееся вращение колеса ( ε = 0), для простоты примем C = 0, тогда из выражения (10) имеем для скорости:
(11)
В случае P = 0 формула (II) упрощается к виду
(12)
Заметим, что из (II) также следует, что V = 0 при
(13)
Используя (5), можно переписать (12) в виде
(14)
Минимальные потери мощности струи будут отвечать значению V ≈ V₀, требования к f, соответствующие этому условию, вытекают из (14).

Изобретение относится к устройствам для создания пульсаций струи жидкости. Изобретение позволяет повысить эффективность динамического воздействия напорной струи жидкости на горные породы и другие материалы (с целью их ослабления, разрушения, очистки поверхности, упрочнения или др.) путем сообщения струе пульсационного режима и управления частотой пульсаций в широком диапазоне без существенного ухудшения качества струи. Устройство для создания пульсаций напора струи выполнено в виде колеса с лопатками и кронштейна для закрепления оси колеса к струеформирующему устройству, при этом лопатки имеют упругие связи с колесом, а на кронштейне установлен также тормоз колеса. 2 ил.

Устройство для создания пульсаций напора струи, включающее колесо с лопатками, кронштейн для закрепления оси колеса к струеформирующему устройству, отличающееся тем, что лопатки имеют упругие связи с колесом, при этом на кронштейне установлен тормоз колеса.