Тепловой режим работы гидросъемника высокого давления на установках гидроструйной цементации

УДК 622.232.5.05:532.525.6:622.026

ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ГИДРОСЪЕМНИКА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ НА УСТАНОВКАХ ГИДРОСТРУЙНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ

К.А. Головин, А.А. Маликов, А.Е. Пушкарев

Рассмотрены виды гидросъемников. Представлен стенд и описаны испытания по определению зависимостей, характеризующих режимы работы и позволяющие обосновать рациональные параметры гидросъемника высокого давления. Проанализированы результаты стендовых испытаний гидросъемника и установлены зависимости потери мощности на трение от возрастающего давления.

Ключевые слова: гидроструйная технология, стендовые испытания, гидросъемник, потери мощности, давление.

В настоящее время в горной отрасли и строительстве большое внимание уделяется развитию технических средств для бурения и технологий разрушения породного массива, повышающих эффективность и безопасность производства работ.

К числу таких технологий относятся технологии, основанные на энергии высокоскоростных струй: гидроструйное и гидромеханическое бурение, гидроструйная цементация неустойчивых пород и др. [1, 2]. При этом задача подачи воды под высоким давлением в буровую колонну осуществляется с помощью гидросъемника (рис.1). Такая компоновка бурового оборудования позволяет успешно реализовывать как гидромеханическое бурение, так и гидроструйную цементацию.

Гидросъемник предназначен для передачи высоконапорной воды от питающего трубопровода внутрь вращающейся буровой колонны [2, 3, 4].

Одним из недостатков гидросъемника является относительно невысокий ресурс работы узла, передающего высокоабразивный материал - во-доцементную суспензию под значительным давлением во вращающуюся буровую колонну. Возникающее трение внутри гидросъемника является определяющим фактором теплообразования. Нагрев уплотняющих элементов приводит к значительному износу оборудования. Важной задачей является обеспечение режима работы гидросъемника, при котором температура в области трения уплотнения и вала не достигла предельно допустимой для материала уплотнения величины.

Оценка теплового режима работы манжетных уплотнений включает определение тепловыделения Qf и отвода тепла от зоны контакта через тело вала QB и потока рабочей жидкости (вода, цементный раствор и т.п.) через уплотнение Qu. С учетом этого уравнение теплового баланса будет иметь вид

Qf = Qв + Qu.

Рис. 1. Конструктивная схема гидросъемника: 1 - манжетное уплотнение; 2 - механизм предварительного поджатия; 3 - штуцер подвода суспензии; 4 - буровой вал; 5 - корпус гидросъемника; 6 - шпиндель вращателя

Принято считать, что в манжетном уплотнении вала основной теп-лоотвод происходит через вал [5]. В стационарном состоянии, когда температура в каждой точке во времени не меняется, температура в сечении вала под кромкой манжеты составляет Ту. От поверхности вала теплота отводится с одной стороны (длиной Ь\) в рабочую жидкость с температурой Тв, с другой (длиной Ц2) - в воздух с температурой Т0. Температура Ту в зоне контакта зависит от длины вала. Минимальная длина теплоотдающей части определяется тепловой характеристикой вала т: Ь1 > 2,5/т1; Ь2 > 2,5/ т2. В зоне контакта температура повышается до Ту в соответствии с уравнениями

ДТ —_4QB1_

у1 Вт1^Н(т1, Ц) Э2

ДТ — _4QB 2_

у2 кквтЧ^АР2

где QB1 и Qв 2 - тепловые потоки от вала соответственно в рабочую жидкость и в воздух, Вт; т1 и т2 - тепловые характеристики вала, м-1

т1 =

V

4а,

4а

т2 =

(ХвОУ 2 \(1вЭ) где а1 и а2 - коэффициенты теплоотдачи вала к среде, Э - диаметр вала, м.

Для гидросъемников характерным является режим работы с весьма значительным расходом. В связи с этим становится актуальным учет охлаждающего воздействия потока рабочей жидкости на манжетах [6].

Уравнение теплового баланса для манжет при установившейся температуре рабочей жидкости

ам = свЧвОв

где св - теплоемкость рабочей жидкости, ккал/(кг-град); дв - плотность рабочей жидкости, кг/дм ; ав - расход рабочей жидкости в теплообменнике, л/ч; Тв0- начальная температура рабочей жидкости, °С; Тв1- конечная

температура рабочей жидкости, °С.

Для определения зависимостей, характеризующих режимы работы гидросъемника высокого давления, был разработан стенд, представляющий собой конструкцию, размещенную на массивной сварной раме и состоящую из электродвигателя, соединенного посредством кулачковой муфты с трехступенчатым редуктором, выходного вала, который через цепную муфту и промежуточный вал соединен с входным фланцем гидросъемника (рис. 2).

Рис. 2. Конструктивная схема стенда

В качестве объекта испытаний был выбран гидросъемник ГИС, изготовленный ООО «БЕЛРА-Центр» по заказу фирмы Оео&Беа (рис. 3). Гидросъемник работает в макроклиматических районах с морским климатом на открытом воздухе при температуре рабочей жидкости и окружающей среды от + 5 до + 45 о С.

Рис. 3. Гидросъемник ГИС

Гидросъемник установлен на опоре, при этом его корпус жестко зафиксирован относительно рамы стенда. На выходном фланце гидросъемника закреплено стальное кольцо, на внешней поверхности которого навариваются профилированные кулачки. Кольцо опирается на подшипниковую опору, установленную на кронштейне, закрепленном на фундаменте.

В процессе работы стенда обеспечивается вращение выходного вала гидросъемника с частотой 15 об/мин, что соответствует рабочей частоте при бурении. Для имитации динамической нагрузки рама стенда помещается на шарнирную опору, размещенную в непосредственной близости от центра масс стенда таким образом, чтобы выходной фланец гидросъемника с кольцом опирался на подшипниковые опоры с возможностью вертикального перемещения вокруг оси шарнира (см. рис. 2). При вращении поверхность кольца взаимодействует с подшипниковой опорой и при прохождении кулачка происходит моделирование боковых колебаний оси гидросъемника под действием радиальной нагрузки. Роль радиальной нагрузки выполняет вес стенда относительно шарнира. Вода к гидросъемнику подается под давлением по гибкому рукаву. Привод вращения вала осуществляется от редуктора привода буровой колонны.

В ходе испытаний был произведен контроль тока в цепи электродвигателя (с помощью амперметра) и температуры рабочей жидкости в гидросъемнике с помощью электрического термометра (см. рис. 2).

В табл. 1 и на рис. 4 представлены результаты замеров силы тока от возрастающего давления в гидросъемнике.

Таблица 1

Результаты замеров

Давление Р, МПа Сила тока I, А Потери мощности Ыг, кВт

0 5 0,0

2 7 0,8

4 8 1,1

6 10 1,9

8 11 2,3

10 12 2,7

12 13 3,0

14 15 3,8

16 16 4,2

18 18 4,9

20 20 5,7

22 22 6,5

24 23 6,8

26 24 7,2

28 24 7,2

30 24 7,2

32 24,5 7,4

34 25 7,6

36 25 7,6

I, А

Э 2 4 0 6 10 12 14 10 18 20 22 24 28 30 32 34 30 Р, Мпа

Рис. 4. График зависимости силы тока от давления

Потери мощности, расходуемой на преодоление возникающих нагрузок, определяются по формуле

Иг = и

где U - напряжение, равное 380 В; 10 - сила тока при холостом ходе, А; 1р - сила тока при максимальном рабочем давлении, А.

При аппроксимации результатов замеров с помощью прикладной программы Microsoft Office Excel была получена расчетная формула для определения потери мощности от повышающегося давления внутри гидросъемника

Nr = 3,11п

где Р - давление.

Индекс корреляции для данного выражения составил R = 0,91, что подтверждает адекватность аппроксимации данных.

Анализ результатов экспериментальных исследований позволяет охарактеризовать возникающие потери мощности на трение от давления, что, в свою очередь, позволяет оценить режимы работы и определить рациональные параметры уплотняющих элементов гидросъемника высокого давления.

Список литературы

1. Гидроструйные технологии в промышленности. Гидроабразивное резание горных пород / В.А. Бреннер [и др.]. М.: Изд-во МГГУ, 2003. 279 с.

2. Гидроструйные технологии в промышленности. Гидромеханическое разрушение горных пород / В. А. Бреннер [и др.]. М.: Изд-во АГН, 2000. 343 с.

3. Головин К. А., Жабин А.Б., Поляков А.В. Разрушение горных пород импульсными высокоскоростными струями воды // Горные машины и автоматика. Вып. 4. 2006. С. 43 - 45.

4. Бреннер В.А., Пушкарев А.Е., Головин К.А. Исследование гидроабразивного разрушения горных пород // Известия Тульского государственного университета. Сер. Экология и безопасность жизнедеятельности. Вып. 3. Тула, 1997. С. 342 - 345.

5. Уплотнения и уплотнительная техника: справочник / Л. А. Кондаков [и др.]. М.: Машиностроение, 1986. 464 с.

6. Гидросистемы высоких давлений / Ю.Н. Лаптев [и др.]. М.: Машиностроение, 1973. 152 с.

Головин Константин Александрович, д-р техн. наук, проф., ecology@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Маликов Андрей Андреевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, ecology@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Пушкарев Александр Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., ecology@tsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

51

THERMAL REGIME OF FUNCTIONING HIGH PRESSURE HYDRO-PULLER DEVICE AT HYDRODYNAMIC CEMENTATION MACHINE

K.A. Golovin, A.A. Malikov, A.E. Pushkarev

Different types of hydro-puller devices were considered. The test bench was shown and experiments by determining dependences, which characterizing regimes of functioning and substantiating rational parameters of high pressure hydro-puller device were described. Results of test bench experiments for hydro-puller device were analyzed and dependences of power loss from pressure were gotten.

Key words: hydro-jet technology, test brunch experiments, hydro-puller device, power loss, pressure.

Golovin Konstantin Alexandrovich, doctor of sciences, professor, ecology @tsu. tu-la.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Malikov Andrei Andreevich, doctor of sciences, professor, head of chair, ecology @tsu.tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Pushkarev Alexander Evgenievich, doctor of sciences, professor, ecology @tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.9.06.229

СТРУКТУРНЫЙ И МАТЕМАТИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ

МНОГОМАССНЫХ ВИБРАЦИОННЫХ ЗАГРУЗОЧНЫХ УСТРОЙСТВ С РАЗДЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ КОЛЕБАНИЙ

Н.А. Усенко, Х.Х. Фам, А.А. Свиридов

Рассмотрено многообразие конструктивных схем многомассных вибрационных загрузочных устройств с раздельными возбуждениями колебаний. Представлены новые динамические модели и их описания.

Ключевые слова: вибрационное загрузочное устройство, динамическая модель.

В последнее время в теории и практике автоматической загрузки штучных предметов обработки в технологические машины автоматического действия большое внимание уделяется вибрационным загрузочным устройствам (ВЗУ) с раздельным возбуждением колебаний в горизонтальном и вертикальном направлениях. В ВЗУ с раздельным приводом создаются колебания бункера со сдвигом фазы, и тем самым реализуются траектории материальной точки бункера в виде фигур Лиссажу, в том числе и траектория эллипса, что расширяет возможности ВЗУ по величине относительной скорости вибротранспортирования и в итоге повышает производительность и обеспечивает реверс.