К вопросу о проектировании средств герметизации для ударных горных машин

© Л.Н. Гильянова, 2002

УДК 622.023:621.542

Л.Н. Гильянова

К ВОПРОСУ О ПРОЕКТИРОВАНИИ СРЕДСТВ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ДЛЯ УДАРНЫХ ГОРНЫХ МАШИН

Экспериментально изучена и доказана перспективность лабиринтных уплотнений особого профиля для повышения герметизации цилиндропоршневого соединения пневмоударных горных машин [1]. Получены регрессионные зависимости, описывающие перепад давлений и изменение скорости истечения воздуха от количества, размеров лабиринтных уплотнений и величины ударной нагрузки бурильной машины.

Предлагаемые лабиринтные уплотнения разрабатывались для повышения герметизации цилиндропоршневого соединения пневмоударных горных машин, отличительной особенностью которых является высокочастотный характер приложения импульсной нагрузки. Однако полученные результаты при известной доработке могут иметь гораздо более широкое применение. Но отсутствие надежных методик расчета и конструирования лабиринтных уплотнений, вытекающих из основных уравнений газодинамики, вынуждает затрачивать большие усилия на экспериментальную доводку опытных образцов.

Проведенные исследования позволили определить наиболее эффективную форму лабиринтного уплотнения для цилиндропоршневого соединения, а также размеры лабиринтов, при которых достигается высокое гидравлическое сопротивление. Однако остается невыясненным вопрос, почему при увеличении глубины лабиринта свыше пяти допустимых зазоров в соединении происходит снижение гидравлического сопротивления поршня, и как объяснить тот факт, что при уменьшении расстояния между лабиринтами коэффициент сопротивления также падает. Представляют интерес полученные экспериментальные данные

о том, что при увеличении перепада давлений, а также при возрастании износа соединения эффективность работы лабиринтных уплотнений повышается.

Очевидно, для ответа на эти и другие вопросы необходимо рассмотреть динамику сжатого воздуха в лабиринтных уплотнениях и дать теоретическое обоснование происходящим процессам. Если бы в каждом случае заранее были известны скорости течения, то нетрудно было бы определить по заданным значениям коэффициентов сопротивления потерю полного давления. Но при течении воздуха с большими скоростями необходимо учитывать термодинамический характер процесса. При высоких значениях числа М качественно меняются характеристики течения, большое влияние оказывает изменение плотности в потоке воздуха. В некоторых случаях может проявляться действие сил инерции, обусловленных изменением скорости течения по длине уплотнения [2].

В общем случае при учете различных факторов, влияющих на дросселирование воздуха, расчет процесса оказывается крайне сложным. Однако в ряде случаев возможна идеализация этого процесса, существенно упрощающая решение задач, связанных с исследованием протекания, характеристик расхода и других характеристик.

Предложена система дифференциальных уравнений, описывающая динамику сжатого воздуха в зазоре цилиндропоршневой системы с лабиринтными уплотнениями. Рассматривается нестационарное движение сжимаемой среды в непризматическом канале. Не-призматичность канала обусловлена формой профиля лабиринтного уплотнения и наличием сжатого сечения.

Движение сжатого воздуха в гидравлическом приближении описывается с помощью следующих дифференциальных уравнений:

- w(г

1 др . V2

=-------w------------Л\р--------------

Р дх 4Н

4Н

др 1 д

— +--------(рwv) = 0 ;

дґ w дх

Р = Ра

Ра

где V - средняя скорость; р - плотность, р - гидродинамическое давление; w = w(x) - площадь живого сечения потока; Н(х) - ширина зазора; Л - коэффициент

гидравлического сопротивления; д - коэффициенты местных потерь при резком сужении канала на лабиринтном участке; ра - плотность при атмосферном

давлении ра; X- показатель адиабаты.

В результате решения системы дифференциальных уравнений (1-3) определяются расход и средняя скорость сжатого потока. При этом устанавливается степень влияния геометрического очертания лабиринтного пространства на расход воздуха.

Для установления газодинамической картины движения воздуха в лабиринтном пространстве производится пересчет по двумерным дифференциальным уравнениям газодинамики:

Vx

Vx

дVx + V, дVx = 1 др

дх у ду Р дх

дVу + V, дVу 1 др

дх у ду Р ду

2

V

1

где V Vх (х,у),Ку (х,у}) - поле скоростей; р(х,у) - гидродинамическое давление в лабиринтном пространстве.

Для представленной системы дифференциальных уравнений ставятся начальные и граничные условия. Необходимо разработать численный метод решения данной системы. Расчеты на ЭВМ позволят установить степень влияния геометрической формы лабиринтных на перепад давления.

В результате постановки и решения начальнокраевой задачи, представляющей механикоматематическую модель движения сжатого воздуха в

лабиринте предполагается получить расчетные зависимости для аэродинамических характеристик потока сжатого воздуха. Эти зависимости позволят установить степень влияния геометрической формы лабиринта на динамические характеристики потока, что позволит дать практические рекомендации по разработке и применению лабиринтных уплотнений. Установление оптимального варианта геометрического очертания профиля лабиринта в зависимости от назначения цилиндропоршневого соединения и условий эксплуатации повысит мощность и КПД цилиндропоршневых систем на 15-20 % без существенных затрат.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гильянова Л.Н. Эффективность лабиринтных уплотнений в пневмоударных горных машинах: Диссертация на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Владикавказ, 1998.

2. Аэрогидромеханика/Е. Н. Бондарев, В. Г. Дубасов, Ю. А. Рыжов и др. - М.: Машиностроение, 1993. - 607 с.

«НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА-2002» СЕМИНАР № 17