Влияние гидравлических параметров струи воды на показатели процесса щелеобразования при резании горючих сланцев

The automated design engineering workstation of compression molds is developed in this work. The problems of constructioning of compression molds are analyzed. Construction-ing stages and the main features are described.The results of operation of automated system are represented. Consequently, the automated system which gives to the designer an opportunity of selection of the suitable form for overall dimensions of casting, it is design, search and adding of the automatic molding machine was developed. The convenient, intuitivelyunders-tandableinterface, allowing to pick up quickly a suitable compression mold, to construct its model, to show mass characteristics and find injection molding machineis designed.

Key words: CAD, Mold, Plate, SolidWorks, API, injection molding machine, TPA, database.

Karyshev Andrey Anatolievich, candidate of technical sciences, docent, a karyshev@mail.ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University (the Kaluga Branch),

Dorohov Jury Fedorovich, assistant, dorohov.47@mail.ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University (the Kaluga Branch),

Bagdoshvili Andrey Aleksandrovich, student, band994@,mail.ru, Russia, Kaluga, Moscow Bauman State Technical University

УДК 622.337.2

ВЛИЯНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СТРУИ ВОДЫ

НА ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА ЩЕЛЕОБРАЗОВАНИЯ ПРИ РЕЗАНИИ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ

А.Б. Жабин, А.В. Поляков, П.Н. Чеботарев, В.Г. Хачатурян

Рассмотрено влияние диаметра струеформирующей насадки и давления воды перед ней, определяющих расход воды, на показатели процесса щелеобразования при нарезании щелей в горючих сланцах.

Ключевые слова: горючие сланцы, струеформирующая насадка, давление воды, диаметр отверстия насадки, глубина щели.

Истощение запасов традиционных нефтяных и газовых месторождений, перемещение центров добычи в труднодоступные регионы с высокими инвестиционными затратами вызывают необходимость оценки возможностей развития сырьевой базы и организации добычи новых альтернативных источников углеводородного сырья, представленных, в первую очередь, сланцевыми месторождениями. Горючие сланцы можно рассматривать как комплексное органо-минеральное полезное ископаемое, являющееся сырьем для энергетики, химической, медицинской промышленности, стройиндустрии и сельского хозяйства [1].

239

Современные технологии разрушения твердых полезных ископаемых базируются на различных способах и видах физического воздействия на массив [2]. Одним из таких способов является разрушение различных материалов тонкими струями воды высокого давления (высокоскоростными струями). При этом наиболее распространенной и эффективной является щелевая схема [3]. И если для горных пород и углей влияние параметров процесса щелеобразования на его показатели изучено достаточно хорошо, то для горючих сланцев таких исследований в необходимом объеме еще не проводилось [2 - 7].

Таким образом, изучение влияния гидравлических параметров струи воды на показатели процесса щелеобразования при резании горючих сланцев является актуальной задачей.

Экспериментальные исследования по определению влияния давления воды перед струеформирующей насадкой и ее диаметра, определяющего расход воды, на показатели процесса щелеобразования проводились при нарезании щелей в горючих сланцах с пределом прочности на одноосное сжатие 9,9...12,4 МПа при скорости перемещения (резания) струи 0,35 м/с. При этом диаметр насадки составлял 2,0; 2,5 и 3,0 мм, а давление воды изменялось от 10 до 70 МПа с шагом 10 МПа. Результаты исследований приведены в таблице.

Влияние гидравлических параметров струи воды на показатели процесса щелеобразования

Давление воды перед на- Диаметр струеформирующей Глубина щели Ищ, Скорость приращения боковой поверхности щели м2/с Потребляемая гидравлическая мощ- Удельная энергоемкость процесса щелеобразования Ещ, МДж/м2

садкой Р0, МПа насадки ё0, мм мм ность струи Вт

10 2,0 11 0,0039 3329,9 0,86

10 2,5 12 0,0105 5202,9 1,24

10 3,0 16 0,0123 7492,2 1,34

20 2,0 41 0,0144 9418,3 0,66

20 2,5 37 0,0130 14716,1 1,14

20 3,0 50 0,0175 21191,2 1,21

30 2,0 60 0,0210 17302,6 0,82

30 2,5 70 0,0245 27035,2 1,10

30 3,0 90 0,0315 38930,8 1,24

40 2,0 80 0,0280 26639,0 0,95

40 2,5 100 0,0350 41623,5 1,19

40 3,0 120 0,0420 59937,8 1,43

50 2,0 92 0,0322 37229,2 1,16

50 2,5 118 0,0413 58170,6 1,41

50 3,0 162 0,0567 83765,6 1,48

Окончание

Давление воды перед насадкой Р0, МПа Диаметр струеформирующей насадки й?0, мм Глубина щели Ищ, мм Скорость приращения боковой поверхности щели Рщ, м2/с Потребляемая гидравлическая мощность струи Вт Удельная энергоемкость процесса щелеобразования Ещ, МДж/м2

60 2,0 113 0,0396 48939,0 1,24

60 2,5 158 0,0553 76467,2 1,38

60 3,0 185 0,0648 110112,8 1,70

70 2,0 155 0,0543 61670,2 1,14

70 2,5 172 0,0602 96359,7 1,60

2

Скорость приращения боковой поверхности щели Рщ, (м /с) рассчитывалась как произведение глубины щели на скорость перемещения струи [7], т.е.

Рщ = кщ¥п,

где Нщ - глубина щели; ¥п - скорость перемещения струи.

Удельная энергоемкость процесса щелеобразования Ещ (Дж/м ) определяется как отношение потребляемой гидравлической мощности струи N (Вт) к скорости приращения боковой поверхности щели Рщ, т.е.

Ещ = ^.

В свою очередь, потребляемая гидравлическая мощность рассчитывается по формуле

N г=т,

где Р0 - давление воды, Па; Q0 - объемный расход воды через струеформи-рующую насадку, м/с.

На рис. 1 и 2 представлены зависимости глубины щели от давления воды при различных значениях и диаметра струеформирующей насадки при различных значениях Р0. Анализ графиков, представленных на этих рисунках, показывает, что с увеличением давления воды и диаметра струеформирующей насадки глубина щели возрастает по прямолинейной зависимости. При этом, как и следовало ожидать, чем больше значения Р0 и ^о, тем больше значения глубины щели. Так, например, при давлении воды 10 МПа и диаметре насадки 2,0 мм глубина щели составляет 11 мм, а при давлении воды 70 МПа и том же диаметре насадки глубина щели возрастает до 155 мм, то есть увеличивается примерно в 13 раз (см. таблицу). В то же время при диаметре насадки 2,0 мм и давлении воды 60 МПа значение Ищ составляет 113 мм, а при й0 = 3,0 мм глубина щели равняется 185 мм, то есть возрастает примерно в 1,6 раза.

241

1гщ, мм

180

160 140 120 100 80 60 40 2U 0

5 20 35 50 65 Р01 МПа

Рис. 1. Зависимость Нщ - f(P0): 1 - при d0 = 2,0 мм; 2 - при d0 = 2,5 мм; 3 - при d0 = 3,0 мм

hm, мм

180

120

60

О

1,8 2,1 2,4 2,7 3 ,

а0 мм

Рис. 2. Зависимость Ищ = /№<>): 1 - при Р0 = 10 МПа; 2 - при Р0 = МПа; 3 - при Р0 = МЯя; 4-Р0= 40 МПа; 5-Р0= 50 МПа; 6-Р0= 60 МПа; 7-Р0= 70 МПа

Возрастание глубины щели с повышением Р0 и ¿/0 объясняется увеличением гидравлической мощности струи воды (см. таблицу).

242

Необходимо отметить, что этот вывод согласуется и с результатами исследований по резанию углей и горных пород тонкой струей воды высокого давления [7], где также с ростом давления воды и диаметра насадки глубина щели возрастает.

Анализ таблицы показывает, что с увеличением давления воды и диаметра отверстия струеформирующей насадки скорость приращения боковой поверхности щели взрастает, так как с ростом этих параметров увеличивается глубина щели.

На рис. 3 показана зависимость удельной энергоемкости процесса щелеобразования от давления воды при различных значениях диаметра отверстия струеформирующей насадки. Анализ графиков показывает, что величина Ещ изменяется по параболической зависимости с наличием минимума, характеризующим рациональное давление струи воды перед насадкой в зависимости от диаметра ее отверстия. Обработка экспериментальных данных позволила получить следующие зависимости Ещ =/(Р0): для зависимости 1

Ещ = 446,6Р02 - 31521Р0 +106;

для зависимости 2

Ещ =226,7Р02-1141Щ)+106;

для зависимости 3

Е^ =330,7Р02 -1514Щ) + Ю6.

Е„„ МДж/м2

1,50

1,00

0,Ь0

10

20

\

а

зо

40

-Л

50

60 г о->

Рп, МПа

Рис. 3. Зависимость Ещ = /(Р0): 1 - при с10 = 2,0 мм; 2 - при й0 - 2,5 мм; 3 - при с10 = 3,0 мм

В результате исследования зависимостей (4) - (6) на экстремум получены рациональные значения давления струи воды в зависимости от диаметра отверстия струеформирующей насадки, при которых значения

243

удельной энергоемкости будут минимальными и которые представлены на рис. 4. Анализ графика показывает, что с увеличением диаметра отверстия значения Р0рац уменьшаются по степенной зависимости, имеющий следующий вид:

Р0рац=72,63£/-1'08.

Р

1 оршп

МПа

32 30 28 26 24

22 20

1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 2,9 (10, ММ

Рис. 4. Зависимость Рорац = f

При этом коэффициент детерминации R" = 0,94. Такой характер зависимости (7) объясняется тем, что и давление воды, и диаметр отверстия струеформирующей насадки оказывают существенное влияние на глубину щели. Как было показано выше, с увеличением этих параметров глубина щели возрастает. Поэтому они как бы «взаимозаменяемы», то есть с увеличением одного из них для того, чтобы получить минимальное значение удельной энергоемкости, другой необходимо уменьшить, что и подтверждается графиком, представленным на рис. 4. Следовательно, для нарезания щелей в горючих сланцах с пределом прочности на одноосное сжатие 9,9... 12,4 МПа зависимость (7) справедлива.

Список литературы

1. Зафарова A.M. Экономический механизм развития горнопромышленного комплекса по освоению сланцевого углеводородного сырья: дис. ... д-ра экон. наук. Санкт-Петербург, 2015. 180 с.

2. Никонов Г.П., Кузьмич И.А., Гольдин Ю.А. Разрушение горных пород струями воды высокого давления. М.: Недра, 1986. 143 с.

3. Расчет и проектирование гидромеханических исполнительных

органов проходческих комбайнов / Н.М. Качурин [и др.]. М.: Изд-во

ММГУ, 2003. 293 с.

4. Жабин А.Б., Поляков Ан.В., Хачатурян В.Г. Обоснование и выбор критерия сопротивляемости горючих сланцев разрушению тонкой струей воды высокого давления // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. Вып. 1. С. 84-94.

5. Мерзляков В.Г., Бафталовский В.Е. Физико-технические основы гидроструйных технологий в горном производстве. М.: ННЦГП - ИГД им. А. А. Скочинского, 2004. 645 с.

6. Гидромеханическое разрушение горных пород / В. А. Бреннер, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, М.М. Щеголевский. М.: Изд-во АГН, 2000. 343 с.

7. Гидроабразивное резание горных пород / В. А. Бреннер, А.Б. Жабин, А.Е. Пушкарев, М.М. Щеголевский. М.: Изд-во ММГУ, 2003. 279 с.

Жабин Александр Борисович, д-р техн. наук, проф., zhabin.tula@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Поляков Андрей Вячеславович, д-р техн. наук, доц., Pokyakoff-an@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Чеботарев Павел Николаевич, канд. техн. наук, ассист., cheb-84@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Хачатурян Вильям Генрихович, асп., wil71@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

THE INFLUENCE HYDRA ULIC PARAMETERS OF WATER JET ON PERFORMANCE OF THE PROCESS CRACKING DURING CUTTING OF OIL - SHALE

A.B. Zhabin, A. V. Polyakov, P.N. Chebotarev, W.H. Khachaturian

The influence of diameter of the nozzle and water pressure in front of her, determining water consumption rates, on the performance of cracking process of oil shale are described.

Key words: oil shale, nozzle, water pressure, diameter of nozzle orifice, depth of the

cut.

Zhabin Aleksandr Borisovich, doctor of technical sciences, professor, Zhabin. tula@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Polyakov Andrey Vyacheslavovich, doctor of technical sciences, docent, Polyakoff-an@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Chebotarev Pavel Nikolaevich, candidate of technical sciences, assistant, cheb-84@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Khachaturian William Henrihovich, postgraduete, wil71@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University