Гідромонітор

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано при про ходе горных выработок и разработке месторождений полезных ископаемых. Уровень техники характеризуется сведениями об аналоге и прототипе Известен гидромонитор, включающий ствол с водоподводящим трубопроводом, насадку и механизм управления [1] Недостаток известного устройства состоит в том что оно не обеспечивает достаточной дальнобойности струи, так как ее качество резко ухудшается по мере удаления от насадки из-за сопротивления, оказываемого воздухом. Известен гидромонитор, включающий ствол с излучателем ультразвука на торце и насадкой, водоподводящий трубопровод и рабочую жидкость, при этом ствол снабжен сфокусированным вдоль его оси зеркальным рефлектором или линзой [2]. Однако фокусирующие концентраторы ультразвука не лишены целого ряда недостатков Во-первых, такие концентраторы эффективны преимущественно в средне- и высокочастотном ультразвуковом диапазоне Однако излучатели таких волн относительно маломощны, следовательно, практически не пригодны для разрушения горных пород. С другой стороны, наиболее мощными в настоящее время являются генераторы излучатели ультразвука низких частот. Однако низкочастотные ультразвуковые волны в значительной мере поглощаются материалом рефлектора и плохо фокусируются (чем длиннее волна тем больше наблюдаемые отклонения от законов геометрической акустики). Поэтому авторы данного технического решения пришли к выводу, что фокусирующие ультразвук устройства в конструкции гидромонитора можно использовать лишь частично, скорее всего, как сугубо вспомогательные элементы. Основное и наиболее перспективное техническое решение состоит в том, чтобы не снабжать ствол гидромонитора какими-то фокусирующими ультразвук дополнительными устройствами, а сам ствол выполнить в виде стержневого концентратора ультразвука, который обеспечил бы увеличение амплитуды колебательного смещения частиц в низкочастотном ультразвуковом диапазоне. Это можно осуществить, если ствол гидромонитора выполнить в виде стержня переменного сечения или переменной плотности, присоединяемого к излучателю ультразвука более широким концом или частью с большей плотностью материала. Ствол гидромонитора как концентратор ультразвука состоит из цилиндра большого диаметра, отрезка стержня конической или экспоненциальной формы и цилиндра малого диаметра, снабженных цилиндрической полостью, соединенной с водоподводящим трубопроводом. Принципиальные схемы конструкции заявленного устройства показаны на фиг. 1 и 2. На фиг. 1 представлен ствол гидромонитора в виде составного концентратора ультразвука. На фиг. 2 представлена более сложная конструкция ствола гидромонитора, представляющая собой комбинированный вариант, так как включает элементы и с переменным сечением, и с переменной плотностью (металл, вода), а также фокусирующую ре флекторную поверхность. На фиг. 1 позициями обозначены: 1 -цилиндр большого диаметра: 2 - отрезок стержня конической формы; 3 - цилиндр малого диаметра (насадка); 4 - водоподводящий трубопровод; 5 - камера; 6 - излучатель ультразвука с торцевым щитком 7; 8 - камера охлаждения излучателя. Стрелками показано направление движения воды. На фиг. 2 позициями обозначены: 1 -отрезок стержня конической формы; 2 - цилиндр большого диаметра: 3 - второй отрезок стержня конической формы (малого диаметра); 4 - насадка; 5 -- водоподводящий трубопровод; 6 камора с рефлектирующей торцевой частью 7 8 - излучатель ультразвука с торцевым щитком 9 10 - камера охлаждения излучателя. Стрелками показано направление движения воды. Охарактеризованные выше конструкции гидромониторов работают следующим образом. Излучающая поверхность электроакустических преобразователей, генерирующих ультразвук (фиг. 1, позиция 6; фиг. 2, позиция 8), значительно превышает поперечное сечение насадки гидромонитора (фиг, 1, позиция 3; фиг. 2. позиция 4) и струи жидкости. Выполнение стволов гидромонитора в виде концентраторов ультразвука повышается эффективность использования ультразвукового излучения, так как обеспечивает его концентрацию на относительно небольшой площади поперечного сечения насадки и струи. При этом увеличивается амплитуда колебательного смещения частиц ствола (стержня и жидкости) вследствие уменьшения его поперечного сечения или плотности в соответствии с законом сохранения количества движения. Увеличение амплитуды тем больше, чем больше различие диаметров или плотностей противоположных сторон стержня. Особенно эффективны такие концентраторы в диапазоне частот 18-100 кГц. Предложенные устройства можно рассматривать как акустические волноводы, в которых распространяется одна нулевая мода колебаний с постоянной амплитудой по сечению. Расчет предложенных стволов-концентраторов осуществляется исходя из следующих нижеприведенных зависимостей. Максимальный линейный размер широкого конца концентратора должен соответствовать условию: где l -длина волны в материале концентратора. Так как концентраторы работают на резонансной частоте, то длина концентратора также должна быть резонансной, т, е. кратная числу полуволн: где n=1, 2,3,... При этом l зависит от формы концентратора вследствие дисперсии скорости распространения ультразвуковых волн в волноводах с переменным сечением. Коэффициент усиления К стержневого концентратора может быть определен по формуле: где x1 и x2 - амплитуды смещения соответственно на его узком и широком концах Для ступенчатого концентратора действительна зависимость: где R1 и R0 - радиусы узкого (выходного и широкого (входного) торцов соответственно Лучшим материалом для ствола-концентратора являются титан и его сплавы. При использовании этих материалов на частоте 20 кГц получено V ~ 10 cv/c при x=1 мм (здесь V - колебательная скорость). Предлагаемый гидромонитор характеризуется новизной, так как не является частью уровня техники и на дату подачи заявки не описан в научно-технической и патентной литературе, а также не известен из других первоисточников. Как уже отмечалось выше, в известь« конструкциях гидромониторов используются фокусирующие концентраторы ультразвука, которым присущ целый ряд недостатков В заявленном техническом решении сам ствол гидромонитора исполнен таким образом, что он одновременно является и концентратором ультразвука. Это позволяет, с одной стороны, отказаться от фокусирующих элементов, и, с другой стороны, резко повышает эффективность использования энергии ультразвука Следовательно, данное устройство для специалиста явно не вытекает из уровня техники, т е оно соответствует критерию изобретательского уровня Наконец, предложенное устройство промышленно пригодно, так как может быть использовано в области одного дела, в частности, при гидродобыче полезных ископаемых