CC BY
28
© В.В. Мельник, В.И. Медведков
2002
УДК 622.234.5.001.57
В.В. Мельник, В.И. Медведков
РЕЗУЛЬТАТЫ СТЕНДОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ ПОДВОДА ВЫСОКОНАПОРНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ВОДЫ К СКВАЖИННЫМ АГРЕГАТАМ
Ц
елью стендовых исследовании явилось определение технологичности, работоспособности и коэффициента сопротивления различных типов шарниров энергоподающих ставов и разработка рекомендации для их применения для подвода технологической воды к скважинным агрегатам.
Стендовые исследования проводились с тремя типами шарниров [1-8].
К первому типу относится разгруженный шарнир (рис. 1а) и двухзвенный трубопровод с тремя шарнирами Л-образной формы. Внутренний диаметр трубчатого звена данного шарнира 0,8 м, а длина 1,0 м. Минимальный центральный угол между звеньями, сдвинутыми до соприкос-
новения концевых обойм, составляет 2„
= 11.5
0
•шш
мальный угол растянутых в одну плоскость
макси-
звеньев
Яшах = 180
0
Расчетный коэффициент местного сопротив-
ления шарнира для атах = 1800 равен С, расч ?
Шарнир второго типа - прямоточный [1,2] полноповоротный (рис. 1в) и также пятишарнирный четырехзвенча-тый М-образной формы. Звенья расположены в двух параллельных плоскостях, расстояние между ними 0,03 м; диаметр трубчатого звена d =1,0 м, длина звена по осям шарниров £ = 1.2 м. Минимальный центральный угол между двумя звеньями, сдвинутыми до соприкосновения корпусов
шарниров, аш;п = 8,60; максимальный угол раздвижки
.0
¡2,52 [2].
= 8,6'
звеньев (при испытаниях) —шах
К третьей группе относится шарнир прямоточный (рис. 1б) ограниченного угла поворота с расположением звеньев в одной плоскости. Диапазон изменения углов отклонения осей смежных звеньев а = 0-33°. Диаметр трубчатого звена d = 0,8 м. Расчетный коэффициент сопротивления шарнира при соосном расположении звеньев £расч = 0,27.
Для шарнира второго типа получены расчетные значения коэффициента сопротивления для всех теоретически возможных значений угля а. При этом за основу приняты рекомендации о связи общего коэффициента сопротивления сдвоенных плавных колен с характером их сборки [3]. В соответствии с этими рекомендациями получена формула связи коэффициента сопротивле-ния одиночного шарнира £ш с коэффициентом сопро-тивления колена £к и углом разворота а колен друг относительно друга [4]:
Си
■■Ск (2 + —) 90
(1)
С учетом (1) коэффициент сопротивления пяти шарниров при развороте трех центральных шарниров от угла атт = 8,6° и двух концевых шарниров от угла атт = 98,6° равен:
С5и
— —
-2Сшк + 3Сшц = Ск [2(3 + —) + 3(2 + —)], (2)
180 90
где Сшк, Сшц - соответственно коэффициент сопротивления концевого и центрального шарниров.
С учетом потерь энергии по длине трубчатых звеньев (на трение) коэффициент сопротивления многозвенника в целом равен
У £
См = С5ш +
а
При С к ~ 0,9 ,
(3)
X % 0,03 , ^£ = 6,76 м и ^ = 0,1м имеет
расчетные значения:
Сш = 1,8 ^ 3,6; С5ш = 10,8 -И8; С = 12,8 20 (4)
= 180
а) одиночного шарнира
§ ш
(= А- /
=/ V \ і ££ /
. / —V ч/
J- zrz=-
б) шарнирного многозвенника
4
2
3
2
0
а
Из-за наличия в прямоточном шарнире (рис. 1в) спря-мителя потока отклонение фактических значений Сш и расчетных См при а = var должно быть незначительным.
Результаты стендовых исследований по установлению коэффициентов сопротивления трех типов шарниров приведены на рис. 2, и из анализа экспериментальных данных следует, что сопротивление одиночного разгруженного шарнира (шарнир первого типа) существенно зависит от угля а разворота его звеньев - коэффициент сопротивления Сш изменяется в 7-8 раз в диапазоне углов а=0-1800. При этом потери давления в шарнире, как в местном сопротивлении, также изменяются в 7-8 раз. Например, для Q = 20,8-10'3 м3/с эти потери составили Арш = 0,02 - 0,14 МПа. Поскольку, например, у гидромонитора ГМДЦ-3м имеются два шарнира, колена и трубчатые звенья, потери Аргм будут существенно зависеть от угла разворота шарниров. Это подтверждается практикой, поскольку на изменение производительности гидроотбойки при работе гидромонитора с одной точки, но в различные стороны значительное влияние оказывает изменение сопротивления его проточного тракта.
В испытанном двухзвеннике с тремя разгруженными шарнирами первого типа характер изменения коэффициента сопротивления См следующий (рис. 2б). За счет различного влияния на сопротивление центрального и двух концевых шарниров область максимальных значений коэффициентов Смшах находится при а = 40-1400, зоны Смшіп относятся к а = 0-400 и а = 160-1800 (здесь а - угол разворота центрального шарнира или центральный угол). Величина См возросла по сравнению с Сш в 1,8-4 раза, а диапазон значений Си умень-
Рис. 2. Экспериментальные зависимости коэффициента сопротивления от угла разворота центрального шарнира: 1 - для шарнира первого типа; 2 - для шарнира второго типа; 3 - для шарнира третьего типа; 4 -расчетная зависимость для шарнира второго типа
шился с 7-8 раз до 3,5-4 раза. Потери давления в таком соединении при Q = 20,8-10"3 м3/с составили А,рм=0,074-0,261 МПа.
Если использовать такие двухзвенники для энергоподающих ставов, то при тех же d, l, Q имеем потери ^ Арм
до 1,9 МПа, или снижение давления перед гидромонитором на 18-20 %, что недопустимо. Поэтому использовать шарниры первого типа в многозвенниках для подвода технологической воды к скважинным агрегатам не рекомендуется.
Сопротивление одиночного шарнира второго типа (прямоточно-полноповоротного) (рис. 2б) не зависит от угла его разворота, а в многозвеннике (рис. 2б) сопротивление зависит незначительно [1, 2].
Сопротивление шарнира второго типа меньше сопротивления шарнира первого типа во всем диапазоне углов а, при этом максимальное улучшение показателя составляет 6,4 раза.
Сравнивать между собой сопротивления шарниров первого и второго типов (рис. 2б) не совсем корректно, так как в первом случае испытан двухзвенник, во втором - четы-рехзвенник. Но поскольку опытные данные по соединениям второго типа хорошо согласуются с расчетными, за исключением установленного факта стабилизации Сш и См при a=var за счет спрямителей потока, можно с большой степенью достоверности предположить, что в соединении второго типа при уменьшении количества звеньев вдвое сопротивление См уменьшится примерно вдвое. Тогда получим, что в двух-звеннике первого типа сопротивление выше, чем в двухзвенни-ке второго типа примерно в 4 раза. Этот важный фактор следует учитывать при выборе типов шарниров для шарнирных трубопроводов скважинных агрегатов.
Для шарнира третьего типа расчетные (рис 1б) и опытные (рис. 2а) данные примерно одинаковы. Коэффициент сопротивления См мал и почти постоянен при изменении угла а в пределах 330.
Существенным недостатком скважинной выемочной техники (АГС-1, АГС-2, АГС, КБГ, КМД-72, КМД-72-01, БШУ и др.) явилась очень высокая трудоемкость наращивания одно- или двухлинейного водоподающего или подающего става. Производительность выемочной техники при этом из-за потерь времени на наращивание подающих штанг (трубча-тых звеньев) снижалась в 4-5 раз. Кроме того, как правило, применялось малотехнологичное резьбовое соединение штанг подающего става.
Для ликвидации указанных недостатков на основе проведенных стендовых исследований трех типов шарниров с учетом [1] нами рекомендуются для подвода технической воды к скважинным агрегатам следующие варианты подающеэнергопро-водящих ставов.
Первый вариант. Применение одноплоскостного трубопроводного шарнира с ограниченным углом поворота, имеющего малый коэффициент сопротивления. Шарнир дополнен специальным устройством, в нужный момент жестко соединяющим обойму и цапфу между собой (на прямолинейных участках), в другой момент разъединяющим их (на
криволинейном участке сопряжения подготовительной выработки с проводимой скважиной). На сопряжении устанавливается стартовая площадка со специальными направляющими, обеспечивающими указанное разъединение обойм и цапф шарниров.
Особенностью этого варианта подающе-энергоподводящего става (ПЭС) является возможность непрерывной подачи исполнительного или бурового органа на забой, что особенно важно при гидравлическом бурении скважин. Достигается это за счет сборки ПЭС на аккумулирующем штреке, то есть отсутствуют операции по наращиванию штанг, а следовательно, обеспечивается максимально
возможная производительность агрегата по бурению или добыче.
Область применения первого варианта ПЭС - при значительных размерах выемочных блоков (200-300 м), т.е. возможность единовременно смонтировать подающий став для проведения скважины на всю высоту этажа.
При ограниченных размерах выемочных блоков (не более 150 м) рекомендуется применять второй вариант ПЭС, позволяющий осуществить очистную выемку угля без значительных затрат времени на операции по наращиванию энергоподающего става и монтажно-демонтажные операции.
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лавров С.И., Медведев В.И., Михеев О.В. Совершенствование трубопроводной арматуры для шахт. - М.: МГИ, 1993. -57 с.
2. Медведков В.И., Косилов А.В., Михеев О.В. Провести комплекс поисковых исследований с целью создания агрегата механогидравлического для проходки скважин по углю: Отчет о НИР. - Новокузнецк: ВНИИгидроуголь, 1985.
3. Гейер В.Г., Дулин В.С. и др. Гидравлика и гидропривод. - М.: Недра, 1970.
4. Медведков В.И., Краюиин В.Г. Анализ конструкций и результаты испытаний элементов подающе-энергопроводящих ставов для гидравлических выемочных машин // Совершенствование технологических схем и оборудования гидравлической добычи угля. - Новокузнецк: ВНИИгидроуголь, 1987. - С. 45-58.
5. А.с. СССР №1164414. Установка для выемки угля. А.С. Бурчаков, А.Е. Гон-тов, В.А Ковалев, В.И. Медведков, О.В. Михеев и др.
6. Медведков В.И. Основные направления развития водяного привода забойного оборудования гидрошахт // Обзор. - М.: ЦНИЭИуголь, 1989.
7. Михеев О.В., Медведков В.И., Бурчаков В.А. Новая техника для безлюдной выемки угля на тонких пластах. - Киев/Уголь Украины, 1988, №8, - с. 26-28.
8. А.с. СССР №1364820. Шарнирное трубопроводное соединение. В.И. Мед-ведков.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Мельник Владимир Васильевич — доцент, кандидат технических наук, кафедра «Подземная разработка пластовых месторождений», Московский государственный горный университет
Медведков Владимир Игоревич - профессор, доктор технических наук, Санкт-Петербургский государственный горный институт.
