УДК 621.695 Нурмаганбетов А.С.

Разработка струйных гидромониторов

для противофильтрационных завес

Для защиты водоемов и питьевых водозаборов в грунте устраиваются противофильтрационные завесы (ПФЗ), которые препятствуют проникновению технических отходов производства в воду. ПФЗ представляет собой траншею, заглубленную на 1,5...2 м в водоупор и забутованную противофильтрационным материалом (чаще всего глиной). Разработка траншей осуществляется штанговыми грейферами. Предлагается струйная технология строительства ПФЗ [1].

Струйная технология сооружения ПФЗ и опор, основанная на использовании энергии высокоскоростной струи жидкости применяется для прорезания щелей и скважин в грунте, заполненных противофильтрационным материалом, и имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами, применяемыми в аналогичных целях. К общим преимуществам относятся высокая производительность и простота оборудования.

На кафедре «Строительно-дорожные машины» Карагандинского государственного технического университета спроектированы и внедрены струйные установки СУ-6 и СУ-7. В настоящее время на основе опыта эксплуатации СУ-6 и СУ-7 спроектировано оборудование навесное струйное ОНС, причем разрабатываются два варианта - ОНС-1 с традиционной конструкцией -гидромонитором, вращателем и вертлюгом, а также ОНС-2 - в этом варианте для вращения РО используется энергия сжатой жидкости.

1 - компрессор; 2 - емкость для воды; 3 - растворный узел; 4 - насос высоконапорный ; 5 - базовая машина; 6 - вертлюг с приводом вращения; 7 штанга; 8 - колонна; 9 - опора нижняя; 10 - гидромонитор

Рисунок 1 - Общий вид навесного оборудования струйного ОНС-1

а - сопло для бурения скважины; б - сопла для прорезания щелей

Рисунок 2 - Гидромонитор ОНС-1

Оборудование навесное струйное ОНС-1 состоит из следующих основных узлов (рисунок 1): гидромонитора, нижней опоры, рамы, вертлюга, штанги, лебедки, колонны, пульта управления. Колонна представляет собой конструкцию, сваренную из уголков и швеллеров, на которой имеются направляющие. Колонна разборная и включает четыре секции до 5 м длиной, в верхней части колонна имеет оголовок с блочками для направления каната. Привод вращения включает вертлюг, червячный редуктор; рама вертлюга состоит из колонки, корпуса, штуцера, уплотнения, подшипника и фланца [2].

На раме крепятся вертлюг и вращатель. Штанга - сварная конструкция из пяти секций. Каждая секция состоит из двух фланцев и четырех труб. Штанга предназначена для подачи воздуха, заполнителя и воды под высоким давлением к гидромонитору. Гидромонитор (рисунок 2) позволяет бурить скважины и прорезать щели. При вращении гидромонитора образуются скважины большого диаметра.

Оборудование навесное струйное ОНС-2 включает каретку, штангу, монитор, опору панелей, колонну, лебедку, пульт управления. Конструкция всех узлов, кроме монитора, аналогична таковой ОНС-1. гидромонитор (рисунок 3) состоит из нижнего ротора, подшипника, лопасти, статора, подшипника, верхнего ротора, лопасти, уплотнения, воздушного сопла, боковых сопел, торцевых уплотнений и торцевого сопла. Конструкция предложенного гидромонитора позволяет использовать энергию рабочей жидкости, в данном случае воды, для приведения во вращение подвижной части гидромонитора - ротора, оснащенного соплами, что исключает механический привод вращения штанги вертлюга и существенно упрощает конструкцию струйной установки. При подаче воды под высоким давлением по кольцевому каналу к торцевым соплам, поток воды воздействует на лопасти нижнего ротора, приводит его во вращение и затем истекает через торцевые сопла, размывая скважину для самопогружения гидромонитора. Неровности скважины прорезаются режущей кромкой нижнего ротора. По достижении проектной глубины поток воды переключают на боковые сопла, вода воздействует на лопатки верхнего ротора, приводит его во вращение и попадает в боковые сопла. Одновременно подаются воздух и заполнитель, воздух выходит через кольцевые отверстия между воздушными и боковыми соплами, образуя рубашку вокруг водяных струй. Заполнитель через центральный канал попадает в скважину, размытую боковыми соплами при вращении верхнего ротора и подъеме гидромонитора. Подача воздуха кроме образования воздушного чулка вокруг струи способствует образованию эрлифтного эффекта. Вращение ротора осуществляется по подшипникам. Для предотвращения перетекания рабочей жидкости в соседние каналы, утечки воздуха и засорения подшипниковых узлов гидромонитор снабжен уплотнениями [3].

Особенность конструкции гидромонитора ОНС-2 заключается в том, что рабочая жидкость, в данном случае вода, выполняет сразу две функции: вращает ротор и размывает грунт. При этом основной трудностью является правильный выбор значений угловой скорости вращения, которую в отличие от работы ОНС-1 нельзя задать регулированием редуктора.

1 - нижний ротор; 2 - подшипник; 3 - лопасть; 4 - статор; 5 -подшипник; 6 - верхний ротор; 7 - лопасть; 8 - уплотнение; 9 - воздушное сопло; 10 - боковое сопло; 11,12 — торцевые уплотнения; 13 - торцевые сопла

Рисунок 3 - Конструкция гидромонитора ОНС-2

Торцевые уплотнения (рисунок 3) служат как тормозные устройства, создавая момент от сил трения на контактирующих поверхностях за счет усилия, развиваемого пружинами торцевого уплотнения. Боковые сопла верхнего ротора наклонены к оси вращения под углом , образуя реактивный момент, направленный в сторону, противоположную моменту кручения.

Дифференциальное уравнение движения РО в момент разгона имеет вид

, (1)

где - приведенный момент инерции ротора; - угловая скорость вращения ротора; М_кр- крутящий момент на лопатках ротора; М_р - реактивный момент, создаваемый боковыми соплами; - момент трения.

Уравнение (1) составлено при условии мгновенной передачи давления на лопасти гидромонитора.

Продифференцировав уравнение (1) при граничных условиях t=0, =0, t=t_p, , получим

, (2)

. (3)

Полученные зависимости позволяют оценить взаимовлияние параметров нагружения в пусковой момент. Коэффициент динамичности к_д крутящего момента равен

. (4)

Оценим силы, действующие на лопасти верхнего и нижнего роторов, из уравнения количества движения

, (5)

где F - результирующие внешних сил, действующих на жидкость; - средняя скорость потока на входе к лопастям (сечения I -I и III - III, смотри рисунок 3); - скорость на выходе из сопел (сечения II - II и IV - IV).

При установившемся режиме

, (6)

где Q - расход рабочей жидкости.

Без учёта потерь средние скорости в сечениях имеем

, (7)

где S — площадь сечения.

Тогда сила, действующая на лопасти верхнего ротора,

, (8)

а сила, действующая на лопасти нижнего ротора,

. (9)

Соответственно крутящие моменты при установившемся движении равны:

, (10)

. (11)

Реактивная сила определяется по зависимости:

. (12)

Подставив полученные значения моментов в зависимость момента инерции ротора, получим для верхнего ротора:

, (13)

. (14)

На рисунке 3 показана зависимость от угловой скорости вращения РО. Полученные результаты послужили основой для разработки инженерной методики расчета гидромониторов новой конструкции.

Список использованных источников:

1. Мещеряков А.Н., Хейфец В.Б. Противофильтрационные и несущие стенки в грунте. – М.: Энергия, 1969. – 85 с.

2. Кадыров А.С., Нурмаганбетов А.С. Нагружение землеройных машин при работе в среде глинистого тиксотропного раствора. - Караганда, издательство «Санат», 2007. – 152 с.

3. Рогов Е.И., Кадыров А.С., Коркин А.А. Оптимизация горно-строительных работ. – Алма-Ата, «Наука» Казахской ССР, 1990. – 240 с.