Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше проведені комплексні експериментальні дослідження гідродинамічних параметрів струменя високого тиску, що дозволило встановити основні параметри його гідродинамічної початкової ділянки та одержати критерії залежності, які дозволяють визначити її довжину;

- запропоновано метод підвищення ефективності руйнування об'єкту за рахунок накладення пульсацій заданої частоти та амплітуди на потік рідини, що приводить до виникнення додаткової гідродинамічної нестаціонарної сили, для визначення якої була отримана аналітична залежність і розроблена програма розрахунку;

- досліджено вплив реологічних властивостей робочої рідини з полімерними домішками на гідродинамічні параметри потоку, що дозволило розширити область її ефективного застосування;

- проведено математичне моделювання пульсуючої течії рідини в циліндричному каналі насадка для формування струменя, на підставі якого отримано закон розподілу швидкостей, що дозволяє визначити зміну кінетичної енергії на початковій ділянці струменя;

- запропоновано методику розрахунку параметрів конструкції насадка для формування струменя з урахуванням стисливості рідини у вигляді програмного продукту та надано рекомендації для його практичного використання;

- вперше на підставі комплексного аналізу системи «силовий пристрій-пристрій формування струменя насадок струмінь об'єкт руйнування» розроблено науково-обґрунтовану методику розрахунку гідродинамічних параметрів струменя високого тиску.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці методики розрахунку гідродинамічних параметрів струменя високого тиску, а також методики розрахунку параметрів конструкції насадка для формування струменя з урахуванням стисливості рідини. Розроблені методики реалізовані у програмних продуктах.

Результати роботи дозволяють:

- на підставі проведених експериментальних досліджень, з вивчення реологічних властивостей розчину поліакріламіда, регулювати параметри струменя та підвищувати його руйнівну здатність;

- за допомогою визначення раціональних параметрів струменя в системі «силовий пристрій - пристрій формування струменя - насадок - струмінь - об'єкт руйнування» підвищити ефективність застосування гідроструминних технологій;

- використовуючи запропонований спосіб накладення пульсацій на потік рідини із заданою частотою та амплітудою, а також пристрій для його реалізації, підвищувати ефективність руйнування об'єкту;

- здійснювати обґрунтований вибір раціональних параметрів конструкцій насадків.

Отримані результати можуть бути застосовані у різних галузях промисловості, зокрема:

- гірничій, при проектуванні техніки;

- металургійній, при розрахунку параметрів гідрозмиву пічної окалини в процесі роботи прокатного обладнання металургійних заводів;

- харчовій;

- легкий та ін.

Результати досліджень і запропонована методика рекомендовані шахтоуправлінням «Луганське» (м. Луганськ) для проектування гірничо-видобувної техніки, зокрема комбайна «МIR».

Основні теоретичні та експериментальні положення роботи використовуються у навчальному процесі Донбаського державного технічного університету (м. Алчевськ).

Результати впроваджень підтверджені відповідними актами.

Автентичність розробленого способу одержання пульсуючого струменя ударної дії та пристрою для його реалізації підтверджена патентом України.

Особистий внесок автора. Усі основні результати дисертації отримані особисто автором. Результати досліджень, які виконані в співавторстві, отримані при особистій участі дисертанта на всіх етапах роботи.

Автору належить аналітичний огляд літературних джерел, постановка мети роботи та формулювання завдань дослідження. Самостійно отримані наступні результати:

- побудована математична модель пульсуючої течії рідини в каналі;

- розроблена методика розрахунку гідродинамічних параметрів струменів високого тиску і методика розрахунку параметрів конструкції насадка для формування струменя з урахуванням стисливості рідини, складено програми розрахунків;

- запропоновані методи підвищення ефективності руйнування об'єкту.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертації доповідалися на восьми конференціях:

- 8-й Міжнародній конференції «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці» (м. Черкаси, 2003);

- 9-й Міжнародній конференції «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці» (м. Київ, 2004);

- Міжнародній науково-технічній конференції «Сучасні проблеми та перспективи розвитку дорожнього-будівельного комплексу України» (м. Київ, 2004);

- V-й Міжнародній науково-технічній конференції «Промислова гідравліка та пневматика» (м. Київ, 2004);

- 10-й Міжнародній конференції «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці» (м. Краматорськ, 2005);

- ІV-й Міжнародній науково-практичній конференції «Процеси механічної обробки, верстати та інструмент» (м. Житомир, 2005);

- VІІІ-й Міжнародній науково-технічній конференції «Промислова гідравліка та пневматика» (м. Мелітополь, 2007);

- 12-й Міжнародній конференції «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці» (м. Луганськ, 2007).

Публікації. За результатами дисертаційної роботи опубліковано 8 статей у спеціалізованих журналах, рекомендованих ВАК України, отримано 1 патент України.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних літературних джерел і додатків.

1. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, визначено зв'язок роботи з науковими програмами, темами, планами, сформульовані мета, завдання досліджень, наукова новизна та практична цінність отриманих у роботі результатів, зазначений особистий внесок здобувача, наведені відомості про апробацію результатів дисертації.

В першому розділі дисертації наведено аналіз теоретичних і експериментальних досліджень, присвячених вивченню гідроструминних технологій, які застосовуються в промисловості. Визначено галузь їх застосування, запропоновано класифікацію. На підставі аналізу робіт: Повха І.Л., Шавловського С.С., Ніконова Г.П., Гольдіна Ю.А., Войцеховського Б.В., Бафталовського В.Е., Гуєнка В.С., Тихомирова Р.А., Саленка О.Ф., Поздеєва В.А., Ракішева Б.А., Черменського Г.П., Коняшина Ю.Г., Атанова Г.А., Семка А.М., Тимошенка Г.М., Коломійця В.С., Подобєдова А.В., Українського Ю.Д., Лятхера В.М., Сігаєва Є.А., Hoyt J.W., Tаylor J.J., Heister S.D., Yoon S.S., Vigay M.M. сформовано наукове уявлення про способи створення, формування, структуру струменів високого тиску та характер процесів, які протікають в них.

Складено порівняльну характеристику струменів за методами впливу на матеріал, який обробляється. Визначено особливості формування та витікання нестаціонарних струменів, а також застосування ефект пульсацій при формуванні струменів у каналі.

Розглянуто вплив введення полімерних і абразивних домішок до робочої рідини на ефективність гідроструминних технологій.

Відповідно до досліджень Базілевича В.А. і Шавловського С.С. найбільш ефективною полімерної домішкою, для застосування в промисловості, є поліакриламід (ПАА), за незначних концентрацій якого (с=0,001...0,003%), ефективність силового впливу струменя на об'єкт руйнування, підвищуються майже у 2 рази. Визначено, що додатковий ефект руйнування обумовлений зниженням втрат енергії струменя, яка витрачається на утворення вихорів. Це також сприяє підвищенню компактності струменя та збільшенню довжини його ефективної ділянки.

Наведено аналіз конструкцій пристроїв для формування стаціонарних та нестаціонарних струменів високого тиску. Встановлено, що пристрій, який відповідає вимогам експлуатації та безпеки, дотепер не розроблений, що приводить до необхідності подальших досліджень в цьому напрямку.

На прикладі вугілля та порід різної міцності розглянуто процеси, які протікають при взаємодії струменя високого тиску з твердим матеріалом.

Встановлено, що при гідро-руйнуванні мають місце різні види деформації матеріалу. Це обумовлено:

- фізико-механічними властивостями порід (контактною міцністю, граничними опорами стисканню та розтягуванню, швидкістю пружної хвилі, модулем пружності, середньою щільністю, міцністю);

- складом, структурою, метаморфізмом порід;

- видом прикладених навантажень.

На характер процесу руйнування також істотно впливає кут атаки струменя. Визначено, що при куті атаки, що дорівнює 90, спостерігається найбільш ефективний ударний вплив струменя.

З'ясовано, що на сьогодні недостатньо повно досліджена структура струменя високого тиску, зокрема, його ефективна ділянка. Експериментальні дослідження носять частковий характер, що обумовлено складністю проведення експерименту. Відсутні дослідження впливу реологічних властивостей робочої рідини на гідродинамічні параметри потоку. Існуючі методики розрахунку параметрів струменя та пристроїв його формування недостатньо обґрунтовані. Все це обумовлює необхідність проведення додаткових досліджень.

В другому розділі проведено фізичне моделювання гідродинаміки струменів високого тиску на експериментальному стенді, розробленому Тульською науково-дослідною фірмою «НИТЕП».

Конструкція стенду забезпечує формування струменів тиском до 500 МПа за допомогою трьох насосних блоків.

Безпосереднє формування струменя високого тиску здійснюється в пристрої, основними елементами якого є ламінаризуючий канал 1 і насадок 2.

Для проведення експериментів використовувались циліндричні насадки фірми «НИТЕП», з вихідним діаметром d₀=10 мм.

За результатами проведених експериментальних досліджень побудовані графічні та визначені апроксимаційні залежності швидкості u_ф, маси m, імпульсу И_с та енергії Е струменя від величини підведеного тиску р₀ та відстані до перешкоди l.

Для вимірювання швидкості фронту струменя застосовувався безконтактний фотоелектричний метод. При цьому відносна похибка вимірювань не перевищувала 6%. Значення підведеного тиску р₀ змінювалось у межах від 100 до 500 МПа, а відстань від насадка до перешкоди l - від 0,5 до 2,5 м.

При обробці отриманих експериментальних даних для забезпечення однорідності фізичних величин у розмірному відношенні, значення тиску було зведено до безрозмірного вигляду:

Р= р₀ / р_п

Де:

р_п - тиск на виході насосного блоку низького тиску.

Наведені залежності дозволяють зробити висновок, що при збільшенні значення підведеного тиску спостерігається зростання швидкості фронту струменя, яка сягає максимуму на відстані 1,5 м.

Це пояснюється нерівномірністю руху частинок рідини за перерізом струменя.

Частинки з більшою швидкістю переміщуються вперед до ядра струменя, збільшуючи при цьому швидкість фронту струменя.

На відстані більше 1,5 м відбувається зниження швидкості фронту, що пояснюється наступним:

1) зіткненням між собою частинок рідини, що викликає виникнення зон підвищеного тиску в струмені;

2) збільшенням амплітуди хвильового профілю поверхні струменя та утворенням вихорів внаслідок динамічного впливу повітря, що спричиняє розпилювання струменя.

Апроксимуванням експериментальних даних отримано рівняння для визначення швидкості фронту струменя:

u_фі= u_вит.і ln(P)_i + u_і, (1)

Де:

u_вит.і - величина швидкості, яка залежить від величини підведеного тиску;

u_і - швидкість, яка характеризує зниження швидкості фронту струменя при збільшенні відстані.

За результатами проведених досліджень визначено розходження між швидкістю витікання та швидкістю фронту струменя. Отримано залежності відносної величини швидкості від відносної величини тиску. По вісі ординат відкладено відношення швидкості витікання и_вит на зрізі насадка, до максимального значення швидкості фронту струменя и_мф.

У відповідності до отриманої залежності, швидкість фронту струменя завжди менше за швидкість витікання, а із збільшенням величини підведеного тиску різниця між значеннями швидкостей зростає. Отже, при значному збільшенні тиску втрати швидкості за довжиною струменя зростають більш інтенсивно. Це пояснюється релаксацією пограничного шару, що призводить до формування вихорів у точці перегину профілю швидкості, що, в свою чергу, є причиною виникнення коливань і нестійкості течії в струмені.

Дослідження зміни маси робочої рідини за довжиною струменя l проводилося при різних значеннях підведеного тиску p₀. В результаті отримано графічну залежність.

Збільшення значення підведеного тиску спричиняє різке зменшення маси рідини за довжиною струменя. Це пояснюється наростанням в ньому збурень, виникненням зон підвищеного тиску, формуванням вихорів, зниженням стійкості струменя з подальшим його розпиленням.

У загальному вигляді залежність, яка відображає зміну маси рідини в струмені за довжиною може бути представлена у вигляді:

m_і = m₀ - m_i l / d (2)

Де:

m₀ - маса рідини в струмені при збільшенні значення підведеного тиску;

m_i - втрати маси рідини в струмені при збільшенні відстані.

Зниження маси рідини в струмені, за рахунок його розпилення в навколишнє середовище, зменшує кінетичну складову енергії та, відповідно, руйнівну здатність струменя на певній відстані від насадка до об'єкта руйнування. Найбільш значні втрати рідини в струмені мають місце при підведеному тиску 500 МПа. Відносна похибка вимірювань становила 5%.

Вимірювання повного імпульсу И_с і енергії струменя Е здійснювалося за допомогою балістичного маятника. Конструкція маятника аналогічна описаній в роботі Атанова Г.А. Особливістю цієї конструкції є рівномірне розподілення маси, що дозволяє розглядати маятник як фізичний.

При проведенні експериментів з використанням балістичного маятника змінювалося значення підведеного тиску, а також величина відстані від насадка до маятника. Відносна похибка вимірювань становила 1%. Значення імпульсу струменя визначалося згідно формули:

Де:

- маса маятника; h - відстань від центра мас до вісі обертання.

Розраховані значення імпульсу струменя наведені в табл. 1.

Таблиця 1. - Значення імпульсу струменя:

За отриманими значеннями И_с визначалися значення енергії струменя.

У загальному вигляді залежність, що визначає зміну енергії струменя при різних значеннях тиску, може бути представлена у вигляді:

E_i= Е₀ (р₀/p_п)_i - Е (3)

Де:

E₀ - значення енергії струменя в залежності від значення підведеного тиску. На підставі отриманих залежностей зроблено висновок про те, що енергія струменя набуває максимального значення на відстані 1,5 м від насадка.

Зменшення енергії струменя при зростанні відстані l відбувається інтенсивніше, ніж втрати швидкості, що пов'язано з втратами маси рідини в струмені. Використовуючи отримані експериментальні дані, в якості параметру оптимізації прийнято енергію струменя Е (кДж), а факторів впливу - підведений тиск р₀ (МПа), вихідний діаметр насадка d₀ (м), відстань від насадка до перешкоди l (м). Визначено лінійну модель параметра оптимізації, яка має такий вигляд:

E=126,5+1,52x₁-5,875x₂+25,875x₃ +2,125x₁x₃-3,625 x₂x₃ (4)

Де:

х₁, х₂, х₃ - кодовані значення факторів впливу, що визначаються із співвідношень:

x₁ = (l - 1,5) / 0,5

x₂ = (d₀ - 0,012) / 0,001

x₃ = (p₀ - 500) / 100

Адекватність моделі підтверджена на підставі визначення критерію Фішера. Аналіз значень розрахованих коефіцієнтів регресії показав, що максимальний вплив на параметр оптимізації має підведений тиск р₀.

Постійне збільшення підведеного тиску призводить до зростання втрат енергії та зменшення довжини ефективної ділянки струменя. Тому подальші дослідження були спрямовані на пошук і розробку способів підвищення ефективності процесу гідравлічного руйнування об'єкту при зниженні величини підведеного тиску. Підвищення руйнівної здатності струменя досягається введенням в рідину полімерних домішок, які сприяють поліпшенню гідродинамічних параметрів струменя. Так, у гірничій справі в якості домішки в робочу рідину використовують полімер поліакриламід. Реологічні властивості, розчину поліакріламіду у воді раніше не було досліджено, що звужувало область його ефективного застосування. В результаті проведених експериментів з розчинами поліакріламіду виявлені аномалії в'язкості. Встановлено, що у досліджуваному діапазоні градієнтів швидкостей такі розчини є не ньютонівськими рідинами, які можуть бути описані моделлю рідини Оствальда де Віля. Отримані залежності дозволяють визначати значення динамічної в'язкості розглянутого розчину поліакріламіду, залежно від його концентрації при заданих умовах витікання з насадка, що дозволяє регулювати гідродинамічні параметри струменя та покращувати його енергетичні характеристики.

Таблиця 2. - Залежність реологічних властивостей розчину поліакриламіду у воді від концентрації полімеру:

Підвищення ефективності руйнування при зниженні величини підведеного тиску можливе за рахунок накладання на потік рідини пульсацій заданої частоти та амплітуди, що дозволяє зменшити втрати енергії.

Для реалізації цього способу запропоновано пристрій, його конструкція дозволяє одержувати пульсуючий струмінь шляхом накладання поздовжніх коливань із заданою амплітудою та частотою на потік рідини постійного тиску. При розробці цього способу були враховані результати проведених досліджень, у ході яких визначена величина гідродинамічної нестаціонарної сили (5), що сприяє підвищенню руйнівної здатності струменя:

(5)

Де:

- кінематична в'язкість;

S - площа поверхні стінки, що контактує з потоком;

t - час.

Запропонований спосіб дає можливість регулювати амплітудно-частотну характеристику сформованого струменя, що має велике значення при його практичному застосуванні.

В цілому аналіз результатів проведених експериментів дозволив одержати уявлення про структуру струменя високого тиску та характеристики, які впливають на нього. Визначено наявність ефективної відстані (компактної частини струменя) від насадка до об'єкта руйнування в досліджуваному діапазоні значень р₀, l, d₀. Запропоновано способи підвищення руйнівної здатності струменя, що сприяють збільшенню стійкості та довжини ефективної ділянки струменя. Течія рідини на цій ділянці, а також фактори, які впливають на її параметри, вивченні недостатньо. Тому подальші дослідження були спрямовані на вирішення цієї проблеми.

У третьому розділі досліджено особливості течії рідини на ефективній ділянці струменя високого тиску, параметри якої, відповідно до проведеного аналізу літературних джерел, наближені до параметрів гідродинамічної початкової ділянки у каналі.

Аналіз експериментальних досліджень підтвердив, що довжина гідродинамічної початкової ділянки істотно залежить від геометрії каналів підведення і насадка. Плавне симетричне підведення рідини по каналу перед насадком дозволяє істотно зменшити виникнення вихороподібних, циркуляційних і вторинних течій. Цьому також сприяє використання стабілізаторів, які встановлюють перед насадком у стволі пристрою формування струменя.

Згідно з аналізом, проведеним автором, однією з найбільш раціональних конструкцій стабілізатора є радіальна ґрата, розділена на рівні сектори. Така конструкція дозволяє секціонувати потік, і тим самим, запобігти коловим перетіканням рідини по перерізу каналу.

Для визначення ступеня вирівнювання потоку в розглянутому стабілізаторі запропоновано використовувати залежність:

(6)

Яка дає можливість обчислити величину перепаду тиску у секторі стабілізатора, залежно від кута його розкриття, зведеного гідравлічного діаметра та довжини каналу. Так само визначені залежності, які дозволяють розраховувати геометричні параметри стабілізатора та регулювати опір течії по периметру каналу.

Застосування пристрою формування струменя з насадком, параметри якого сприяють забезпеченню ефективного перетворення підведеної потенціальної енергії в кінетичну енергію струменя, дозволяє знизити енергоємність процесу руйнування та підвищити руйнівну здатність струменя.

Компактність і довжина початкової ділянки струменя значною мірою залежать від геометрії профілю, матеріалу та якості виготовлення насадка. Найбільш ефективними є насадки з конічно-циліндричним профілем, які дозволяють за рахунок збільшення абсолютного значення градієнта тиску забезпечити ламінаризацію пограничного шару на вході до циліндричної ділянки насадка. У свою чергу, пульсації поперечної складової швидкості та інших турбулентних збурень, які виникають в процесі розгону потоку, частково осереднюються та розсіюються при проходженні потоком циліндричної ділянки. Розглянуто вплив геометричних параметрів профілю та кількості ступенів насадка на гідродинамічні характеристики потоку за його довжиною. Розроблено програмне забезпечення, яке дозволяє чисельно моделювати профіль проточної частини насадка. Встановлено, що для формування компактного струменя найбільш раціональною є двоступенева конструкція насадка.

Для визначення факторів, які впливають на геометричні параметри струменя високого тиску, виходячи з результатів проведених експериментів та ґрунтуючись на дослідженнях Шавловського С.С. побудовано графічні залежності. Аналіз наведених залежностей показав, що розширення струменя відбувається нерівномірно. Площа його поперечного перерізу більшою мірою залежить від відстані між насадком і об'єктом руйнування, ніж від підведеного тиску рідини. При значенні l/d₀ > 125 спостерігається режим течії рідини близький до автомодельного, за якого площа струменя практично не залежить від l/d₀.

В межах зміни l/d₀ від 0 до 125 справедлива наступна залежність:

S = - s₁l/d₀² + s₂l/d₀+ s_емп (7)

Де:

s₁, s₂, s_емп - емпіричні коефіцієнти.

Відповідно до проведених досліджень по визначенню факторів, які впливають на параметри початкової ділянки струменя, визначено, що її довжину l_н можна розглядати як функцію, що залежить від швидкості витікання робочої рідини u_вит, величини підведеного тиску р₀, густини , динамічної в'язкості робочої рідини , вихідного діаметра насадка d₀ та частоти накладення пульсацій n. На підставі аналізу розмінностей така функція може бути представлена у критерії вигляді:

(8)

Де:

l_н /d₀ - симплекс геометричної подібності;

Eu - критерій Ейлера;

Re - критерій Рейнольдса.

Числові значення коефіцієнта х і показники ступеня к₃, к₄, к₆ мають визначатися дослідним шляхом.

Виходячи з того, що параметри початкової ділянки струменя наближені до параметрів гідродинамічної початкової ділянки у каналі, проведено математичне моделювання пульсуючої течії на циліндричній ділянці довжиною l₀ та визначено закон розподілу швидкості.

Передбачалося, що:

1) рух рідини у насадку відбувається під дією перепаду тиску, який змінюється гармонічно за часом;

2) канал насадка розглядається у циліндричних координатах;

3) рідина в'язка, ньютонівська;

4) потік ізотермічний.

Для цього випадку рівняння руху рідини можна представити у вигляді:

(9)

Де:

U_z - швидкість течії потоку вздовж осі ОZ;

- напруження сили внутрішнього тертя;

, - довжина та радіус каналу, що розглядається.

Величину градієнта тиску:

- представлено у вигляді:

(10)

Де:

- градієнт тиску, обумовлений силами тиску сталої течії;

- градієнт тиску пульсації течії, який описує сталу пульсуючу течію, що відповідає гармонічному закону зміни перепаду тиску в розглянутому перерізі.

Для дотичних напружень, що входять у рівняння (9) маємо:

(11)

Враховуючи представлені залежності, одержуємо рівняння пульсуючого руху рідини:

(12)

З огляду на граничні умови:

.

При:

рівняння (12) можна переписати у вигляді:

 (13)

Розв'язання рівняння (13) дає можливість одержати закон розподілу швидкостей при пульсацій течії рідини по каналу у наступному вигляді:

(14)

Таким чином, у розглянутому випадку поле швидкостей може бути представлено як результат накладання пульсаційної складової на параболічний закон відповідної стабілізованої ламінарної течії. Визначаючи градієнт швидкості у вигляді:

На підставі виразу (12), можна знайти залежності, які характеризують напруження, що діють у рідині:

G (r,t) = G_ст+G_n

А отже, і зусилля, які виникають у потоці. Закон розподілу швидкостей (12), є необхідним для визначення кінетичної енергії основної гідродинамічної характеристики струменя при взаємодії його з об'єктом руйнування. У четвертому розділі наведено рекомендації і запропоновано методику розрахунку гідродинамічних параметрів стаціонарного і нестаціонарного струменів високого тиску. На підставі отриманих аналітичних і експериментальних даних про особливості формування струменя високого тиску і його витікання зроблено узагальнення результатів дослідження та запропоновано алгоритм і методику розрахунку основних гідродинамічних параметрів струменів, в системі «силовий пристрій формування струменя насадок струмінь об'єкт руйнування», з урахуванням впливу пульсацій на потік рідини, реологічних властивостей рідини, конструктивних параметрів стабілізатора і насадка, впливу на струмінь навколишнього середовища, міцності оброблюваних порід. За допомогою визначення раціональних параметрів струменя можливо підвищувати ефективність застосування гідроструминних технологій. Все це дозволяє вирішувати конкретні прикладні завдання, пов'язані з реальними технологічними процесами, а також впроваджувати нові прогресивні технології.

Для отримання величини градієнта тиску та гідродинамічної нестаціонарної сили, розрахунок яких ускладнений, розроблено методики і програми розрахунку.

Також запропоновано розрахунок параметрів конструкції насадка для формування струменя з урахуванням стисливості рідини у вигляді програмного продукту.

висновки

У дисертації наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення науково-технічної задачі вдосконалення гідроструминних технологій, які застосовуються для руйнування гірничих порід, на підставі врахування особливостей формування струменів високого тиску. Для розв'язання цієї задачі:

- проведено моделювання течії струменів високого тиску, що дозволило сформувати уявлення про фізичні процеси і явища, які протікають у струмені;

- досліджено гідродинамічні процеси та фактори, що сприяють підвищенню ефективності гідроструминних технологій;

- запропоновано способи, які дозволяють покращити енергетичні та руйнівні характеристики струменя.

За результатами досліджень розроблена комплексна науково обґрунтована методика розрахунку гідродинамічних параметрів струменя, яка впроваджена у науково-дослідні та проектно-конструкторські роботи зі створення видобувної техніки.

За результатами дисертаційної роботи сформульовано наступні висновки:

1. На підставі проведеного аналізу літературних джерел визначено, що ефективність застосування гідроструминних технологій залежить від особливостей формування та витікання струменів високого тиску, методу впливу на матеріал, який обробляється, і складу робочої рідини. Ці фактори впливають на параметри початкової ділянки струменя, які характеризують його далекобійність, компактність, стійкість і руйнівну здатність.

2. Проведено фізичне моделювання, за результатами якого отримано графічні та апроксимаційні залежності, які дозволяють охарактеризувати зміну основних гідродинамічних параметрів струменя, а саме: швидкості u_ф; маси води m; енергії Е та імпульсу И_с, від величини підведеного тиску р₀ та відстані до об'єкту руйнування l_і . В діапазоні досліджуваних значень р₀ =100…500 МПа, l_і =0,5…2,5 м визначено наявність ефективної відстані струменя, яка дорівнює 1,5 м.

Вперше достатньо повно розглянуто структуру струменя при високих тисках з позиції гідродинамічної початкової ділянки.

3. Встановлено, що при високих значеннях підведеного тиску (до 500 МПа) відбувається зменшення маси рідини по довжині струменя. Це сприяє зниженню кінетичної складової енергії струменя та, відповідно, зменшенню його руйнівної здатності на визначеній відстані.

4. Запропоновано способи, які дозволяють забезпечити збільшення компактності, стійкості та довжини початкової ділянки струменя при зниженні величини підведеного тиску, а саме, застосування домішок полімеру - поліакриламіду (концентрація якого не повинна перевищувати 2,510^-3 %), а також накладення на потік рідини пульсацій заданої частоти (до 300 Гц) та амплітуди.

За результатами дослідження реологічних властивостей розчинів поліакриламіду було виявлено прояв аномалії в'язкості та встановлено, що такі розчини є не ньютонівськими рідинами в дослідженому діапазоні градієнтів швидкостей, які можуть бути описані моделлю Оствальда де Віля (з індексом течії n_і > 1 та консистентної постійною k = 1,868...3,486 Па с^n-1 у діапазоні зміни концентрації полімеру с = (0,9... 2,5)10^-3 %. Отримані залежності дозволяють визначати величини динамічної в'язкості розглянутого розчину поліакриламіду, в залежності від його концентрації при заданих умовах витікання з насадка, що дозволяє регулювати параметри струменя та підвищувати ефективність руйнування твердого матеріалу.

Визначено, що накладення пульсацій спричинює виникнення у потоці додаткової нестаціонарної гідродинамічної сили, що сприяє збільшенню руйнівної здатності струменя. гідромеханіка струмінь тиск

Отримано аналітичну залежність і розроблено програму для розрахунку величини цієї сили.

5. Досліджено зміну гідродинамічних параметрів потоку рідини високого тиску (швидкості, градієнту тиску та ін.) в пристрою для формування струменя (стабілізаторі та насадку) від його геометричних параметрів. Визначено залежності, які дозволяють розрахувати раціональні параметри елементів пристрою для формування струменя.

6. Запропоновано методику розрахунку параметрів конструкції насадка для формування струменя з різною кількістю ступенів з урахуванням стисливості рідини і реалізовано її у вигляді програмного продукту.

7. На підставі експериментальних досліджень проведено узагальнення, що дозволило встановити наявність гідродинамічної початкової ділянки в струмені та визначити її основні параметри, а також одержати критерій залежність:

Яка визначає відносну довжину початкової ділянки струменя високого тиску з урахуванням властивостей робочої рідини, наявності пульсацій, тощо.

8. Розвиток існуючих математичних уявлень про пульсуючі потоки рідини дозволив провести моделювання нестаціонарної течії на початковій ділянці, а також описати кінематику та визначити параметри, які пояснюють підвищення ефективності руйнування при застосуванні нестаціонарних струменів високого тиску для руйнування порід з різними фізико-механічними властивостями.

9. На підставі отриманих аналітичних і експериментальних даних про особливості формування струменя високого тиску і його витікання зроблено узагальнення результатів дослідження та запропоновано методику розрахунку основних гідродинамічних параметрів струменів.

Враховано вплив пульсацій на потік рідини, реологічні властивості рідини, параметри конструкції стабілізаторів і насадків для формування струменя, вплив на струмінь навколишнього середовища та міцність оброблюваних порід.

10. Результати досліджень впроваджено у науково-дослідні та проектно-конструкторські роботи зі створення прохідницького комбайна нового технічного рівня «MIR», а також при розрахунку параметрів гідрозмиву пічної окалини у процесі роботи прокатного обладнання металургійних заводів.

Результати досліджень і запропонована методика рекомендовані шахтоуправлінням «Луганське» (м. Луганськ) для проектування видобувної техніки.

Основні теоретичні та експериментальні положення роботи використовуються у навчальному процесі кафедри прикладної гідромеханіки Донбаського державного технічного університету (м. Алчевськ).

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Савченко (Семинская) Н.В., Яхно О.М. Гидродинамические способы создания пульсирующих струй для гидроразрушения твердых материалов // Вісник Сумського державного університету. - 2003. - № 12. - С. 31-36.

2. Савченко (Семинская) Н.В. Влияние полимерных добавок на эффективность разрушения твердых материалов // Всеукраїнський науково-технічний журнал «Промислова гідравліка і пневматика». - 2004. - № 4 (6). - С. 33-37.

3. Савченко (Семинская) Н.В., Шкарабура Н.Г., Стась С.В. Генераторы пульсаций для создания пульсирующих потоков // Автомобільні дороги і дорожнє будівництво. - 2004. - вип.71. - С. 174-180.

4. Савченко (Семинская) Н.В., Ящук П.Ф., Шкарабура Н.Г. Анализ существующих методов создания импульсных струйных потоков // Всеукраїнський науково-технічний журнал «Промислова гідравліка і пневматика». - 2004. - № 2 (4). - С. 21-23.

5. Хоггас Башир, Савченко (Семинская) Н.В. Особенности течения вязких жидкостей в каналах с изменяющимся расходом по длине // Всеукраїнський науково-технічний журнал. Промислова гідравліка і пневматика.- 2005. - № 1 (7). - С. 31-34.

6. Яхно О.М., Савченко (Семінська) Н.В. Гідравлічні принципи струминевих методів різання матеріалів // Процеси механічної обробки в машинобудуванні - Ж.: ЖДТУ, 2005. - Вип. 1. - С. 250 - 259.

7. Кулинченко В.Р., Шкарабура М.Г., Савченко (Семинская) Н.В. Гідравлічна струминна техніка у технологічних процесах // Харчова промисловість - К.: НУХТ, 2005. - № 4. - С. 112-115.

8. Семинская Н.В., Яхно Б.О. Влияние геометрических и прочностных парамет- ров струеформирующих устройств на компактность струи // Вісник Східноукраїнського національного університету імені В. Даля. - 2007. - №3 (109). - Ч.2.- С.143-148.

9. Пат. 70854 А України, МКИ Е21В1/26. Спосіб одержання пульсуючого струменя ударної дії та пристрій для його реалізації / Савченко (Семінська) Н.В., Яхно О.М. / Заявл. 30.12.2003, Опубл. 15.10.2004. Бюл.№10. - 2 с.

Размещено на Allbest.ru