Развитие теории дроссельных пневмоударных механизмов с наддувом навесных молотов для разработки мерзлых грунтов
На правах рукописи
Кутумов Алексей Анатольевич РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ДРОССЕЛЬНЫХ ПНЕВМОУДАРНЫХ МЕХАНИЗМОВ С НАДДУВОМ НАВЕСНЫХ МОЛОТОВ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ Специальность 05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины
Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Омск – 2010
Работа выполнена в Государственном образовательном учрежде нии высшего профессионального образования «Новосибирский госу дарственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)» доктор технических наук, профессор
Научный консультант:
Абраменков Эдуард Александрович доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Смоляницкий Борис Николаевич доктор технических наук, профессор Галдин Николай Семенович доктор технических наук, профессор Гилета Владимир Павлович Государственное образовательное уч
Ведущая организация:
реждение высшего профессионального образовании «Томский государствен ный архитектурно-строительный уни верситет»
Защита состоится «22» апреля 2010 г. в 1400 часов на засе дании диссертационного совета ВАК РФ Д 212.250.02 при Госу дарственном образовательном учреждении высшего профессио нального образования «Сибирская государственная автомо бильно-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5, зал заседаний.
Тел. для справок: (3812) 65-01-45;
факс (3812) 65-03-23.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государст венного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)».
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направить по адресу диссертационного совета.
Автореферат разослан « » 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор Иванов В.Н.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Производство земляных работ в зимнее время при строительстве новых промышленных и граж данских объектов, а также ведение аварийных работ по ремонту подземных коммуникаций требует применения все более со вершенного специализированного оборудования для разработки мерзлых грунтов.
Из всего многообразия разрабатываемых грунтов большие трудности возникают в процессе разрушения мерзлых грунтов, разработка которых является трудоемким и малопроизводитель ным процессом. Стоимость разработки чрезвычайно высока и во много раз превышает стоимость разработки грунтов в летний период, поскольку прочность мерзлого грунта в десятки раз вы ше прочности немерзлого грунта.
Почти все типы землеройных машин мало используются в зимний период. Если бы были созданы методы и средства, по зволяющие осуществлять разработку мерзлых грунтов с произ водительностью, близкой к производительности в летних усло виях, общий объем земляных работ, выполняемых ежегодно в стране, значительно бы возрос.
Непосредственная эффективность разработки мерзлого грунта землеройными машинами существующих типов практи чески невозможна, поэтому для успешной разработки таких грунтов требуется создание новых специальных конструкций машин типа экскаваторов с ковшом активного действия и на весных молотов, среди которых пневматические молоты даже в сравнении с гидравлическими являются предпочтительными.
Данная работа выполнялась по научному направлению гос.
рег. №01940009360 Новосибирского государственного архитек турно-строительного университета «Разработка на основе им пульсных систем новых и повышение эффективности сущест вующих ручных машин и инструментов, применяемых в про мышленном, гражданском и сельскохозяйственном строитель стве в условиях Сибири».
Идея исследований: использование положительных ка честв дроссельных пневмоударных механизмов (конструктивная простота и высокая надежность) c центральной воздухоподво дящей трубкой (ДПУМ(Т)) при разработке навесных пневмати ческих молотов.
Цель работы: повышение эффективности навесных моло тов за счет создания дроссельных пневмоударных механизмов с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Объект исследований: дроссельные пневмоударные меха низмы навесных молотов.
Предмет исследований: закономерности, связывающие показатели рабочих процессов навесных молотов с дроссельным пневмоударным механизмом с центральной воздухоподводящей трубкой и присоединенным объемом камеры наддува рабочего хода (ДПУМ(ТН)).
Задачи исследований:
- разработка классификации признаков стабилизации пара метров энергоносителя;
- разработка классификации признаков трубки пневматиче ских ударных механизмов;
- разработка принципиальных схем пневматических моло тов с ДПУМ(ТН);
- обеспечение параметров физико-математической модели ДПУМ(ТН) с предкамерой сетевого воздуха;
- установление баро- и термодинамических зависимостей ДПУМ(ТН);
- установление рациональных соотношений между основ ными размерами и энергетическими параметрами создаваемых ДПУМ(ТН);
- установление параметров рабочего процесса механизма и уточнение методики его инженерного расчета;
- создание экспериментального образца навесного пневма тического молота с ДПУМ(ТН) с присоединенным объемом ка меры рабочего хода и предкамерой сетевого воздуха, исследо вание и испытание его в лабораторных условиях;
- разработка типоразмерного ряда навесных молотов для разрушения всех категорий мерзлых грунтов.
Методы исследования. Применен комплексный метод, включающий аналитический обзор и обобщение известного опыта;
теоретические разработки с использованием методов ме ханики;
математическое и физическое моделирование рабочих процессов ПУМ с целью установления рациональных соотно шений между геометрическими и энергетическими параметра ми, экспериментальные исследования созданного навесного пневматического молота в лабораторных условиях и сопостав ление полученных результатов с результатами других исследо ваний.
Основные научные положения, защищаемые в работе:
- дополнения к классификации пневматических механизмов и машин ударного действия классификации признаков стабили зации параметров энергоносителя, признаков трубки, позво ляющей осуществить анализ, синтез и прогнозирование качеств ДПУМ(ТН) с использованием формализованной записи их структуры;
- физико-математические модели пневмоударных механиз мов с ДПУМ(ТН) и конструктивными признаками камер средств стабилизации параметров энергоносителя процесса над дува (перепуска, утечек, форсажа, присоединенных объемов), дающие возможность качественно и количественно изменять рабочий процесс пневмоударного механизма;
- баро- и термодинамическая теория наддува в камерах ра бочего и холостого ходов, позволяющая определить основные удельные показатели качества – расхода сжатого воздуха, мощ ности, теплоемкости, энтропии, энтальпии и показателя процесса;
- системы уравнений, описывающие процессы в камерах наддува рабочего и холостого ходов в молотах с ДПУМ(ТН) с учетом средств стабилизации параметров энергоносителя (пере пуска, утечек, форсажа, присоединенных объемов);
- результаты исследования ДПУМ(ТН) с различными на стройками по определению рациональных соотношений пара метров.
Достоверность научных положений обоснована:
- анализом физико-математических моделей, которые ис пользовались ранее при создании ПУМ (за период 1900-2008 гг.);
- сопоставлением параметров рабочего цикла ДПУМ(ТН), полученных при аналогичных исследованиях другими авторами;
- анализом результатов моделирования рабочих процессов в камерах наддува с применением апробированных методик мо делирования;
- всесторонним исследованием на ЭВМ и в лабораторных условиях спроектированного и изготовленного навесного моло та с ДПУМ(ТН).
Научная новизна заключается:
- в разработке и создании классификации признаков труб ки, дополняющей существующую классификацию пневматиче ских механизмов и машин ударного действия, позволяющей осуществить анализ, синтез и прогнозирование качеств ДПУМ(ТН) с использованием формализованной записи их структуры;
- в разработке принципиальных схем навесных молотов с использованием классификации дроссельных пневмоударных механизмов с трубкой, имеющих новые признаки средств над дува, перепуска и форсажа, позволяющих качественно и количе ственно улучшить рабочий процесс ДПУМ(ТН);
- в разработке баро– и термодинамической теории дрос сельных пневмоударных механизмов с наддувом на основе за кономерностей трансформации энергии сжатого воздуха в рабо ту;
- в разработке физико-математических моделей рабочих процессов в камерах наддува навесных молотов с ДПУМ(ТН) с учетом процессов в камерах присоединенных объемов, перепус ка, утечек и форсажа, направленных на совершенствование энергетических параметров;
- в установлении соотношений геометрических размеров от энергетических параметров навесных молотов с ДПУМ(ТН), позволяющих получить рациональные габариты и массы пнев моударного узла молота.
Практическая ценность работы заключается:
- в разработке новых принципиальных схем дроссельных пневмоударных механизмов с трубкой, позволяющих создавать навесные молоты с улучшенными эксплуатационными характе ристиками;
- в разработке удобной для практического использования методике инженерного расчета и выбора основных параметров навесного пневматического молота с ДПУМ(ТН);
- в разработке и изготовлении навесного пневматического молота с ДПУМ (ТН) для разрушения мерзлых грунтов;
- в создании экспериментального образца навесного пнев матического молота с дроссельным воздухораспределением на энергию единичного удара 600 Дж, не имеющего аналогов в РФ и за рубежом, выгодно отличающегося по металлоемкости на единицу ударной мощности от зарубежных аналогов и не усту пающий отечественным образцам;
- в использовании навесного пневматического молота с ДПУМ(ТН) в учебном процессе в качестве наглядного пособия по учебным дисциплинам «Строительные машины» и «Механи зация и автоматизация строительства» в НГАСУ (Сибстрин).
Личный вклад автора заключается:
- в формулировании основных принципов и подходов тео ретических и экспериментальных исследований, направленных на выполнение задач исследований;
- в разработке новых признаков стабилизации параметров энергоносителя и их классификации;
- в создании классификации признаков трубки и примене нии ее при анализе, синтезе и прогнозировании новых пневмо ударных механизмов;
- в создании принципиальных схем навесных молотов с ДПУМ(ТН), имеющих новые признаки средств стабилизации параметров энергоносителя, позволяющих качественно и коли чественно улучшить рабочий процесс пневмоударного механиз ма;
- в развитии метода назначения структуры ударной мощно сти в зависимости от единичного усилия нажатия на корпус на весного молота с ДПУМ(ТН);
- в разработке баро– и термодинамической теории наддува дроссельного пневмоударного механизма на основе закономер ностей трансформации энергии сжатого воздуха в работу;
- в создании и исследовании физико-математических моде лей рабочих процессов в камерах наддува навесных молотов с ДПУМ(ТН) с учетом камер средств стабилизации параметров энергоносителя (перепуска, утечек, форсажа, присоединенных объемов), направленных на совершенствование энергетических параметров;
- в разработке методики инженерного расчета и выбора ос новных параметров навесного пневматического молота для раз рушения мерзлых грунтов;
- в разработке типоразмерного ряда навесных молотов с ДПУМ(ТН) с энергией удара 600, 1000, 1600 и 2500 Дж.
Апробация работы. Основные научные положения и ре зультаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались, обсуждались и получили положительную оцен ку на Международной конференции к 60-летию Горно геологического института ЗСФ АН СССР – Института горного дела СО РАН «Проблемы и перспективы развития горных наук» (г. Новосибирск, 2004 г.), Международной научной конферен ции «Наука и образование» (г. Белово, 2006 г.), Международной научно-практической конференции «Интерстроймех-2009» (г.
Бишкек 2009 г.), Всероссийских научно-технических конферен циях «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г.
Рубцовск, 2002, 2004 гг.), Всероссийских научно-технических конференциях «Актуальные проблемы строительной отрасли» (г. Новосибирск, 2008-2009 гг.), Научно-технических конферен циях Новосибирского государственного архитектурно строительного университета (г. Новосибирск, 2002-2007 гг.).
Публикации. По результатам исследования опубликованы 46 печатных работ, в том числе 2 монографии, 12 статей – в ре комендованных ВАК РФ изданиях, получено 4 патента на изо бретения РФ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, заключения, списка литературы, приложений и включает стр. машинописного текста, в том числе 143 рис., 29 табл. и спи сок литературы из 338 наименований. Приложения содержат стр., в том числе 13 рис. и 30 табл.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, показаны научная новизна и практическая ценность по лученных результатов.
Первая глава посвящена анализу существующих машин и технологий разрушения мерзлых грунтов, а также аналитиче скому обзору исследований по данной проблеме.
В настоящее время исследования в нашей стране и за рубе жом показывают, что общее количество способов разработки мерзлых грунтов непрерывно растет. Появляются новые техно логии, основанные на последних достижениях механики, физи ки, химии, электротехники и др. В связи с этим возникает задача оценки этих технологий и определения областей их применения.
Рассмотрены различные технологии: термическое и электриче ское разрушение, предохранения грунтов от промерзания, от таивания, взрывной способ и т.п. Показано, что наиболее эф фективным способом разработки мерзлых грунтов является ударный, с использованием навесных устройств.
Широкие исследования по ударному разрушению мерзлых грунтов, скальных пород и углей проведены во ВНИИСтройдормаше, МАДИ, ИГД СО РАН, МИСИ, ИГД им.
А.А. Скочинского, ЦНИИСе, УПИ, Карагандинском политехни ческом институте и других организациях. При этом руководите лями и исполнителями были видные ученые А.Н. Зеленин, Ю.А.
Ветров, М.И. Гальперин, В.Д. Абезгауз, Л.И. Барон, В.И. Балов нев, Д.П. Волков, Л.И. Федоров, И.А. Недорезов, А.И. Федулов, Г.В. Родионов, В.С. Никифоровский, Е.И. Шемякин и др. Ана лиз выполненных работ показывает, что большая часть из них посвящена изучению влияния только отдельных факторов и па раметров на эффективность процессов рыхления и отбойки, а за основной показатель процесса ударного разрушения мерзлого грунта принята удельная энергоемкость. Исследованиями уста новлено, что на величину удельной энергоемкости разрушения и производительность при данных грунтовых условиях оказывают влияние следующие факторы: энергия единичного удара, эф фективность передачи энергии при ударе, частота ударов, форма и размеры рабочего органа, расстояние установки рабочего ин струмента от кромки забоя или толщины разрушаемого слоя, расстояния между зубьями при разработке грунта группой инст рументов, угол наклона рабочего органа, величина статической пригрузки. При этом, учитывая направленность исследования, сле дует отметить возрастающее внимание к использованию в качестве ударных устройств – пневматических ударных механизмов.
Эффективность применения той или иной технологии раз работки грунтов зависит от научно обоснованного выбора кон структивных и технических параметров ударных устройств, схем средств навески и перемещения их в технологическом про странстве относительно разрушаемого объекта.
Во второй главе рассматривается классификация пневматиче ских механизмов и машин ударного действия как систематизация и распределение соответствующих признаков объекта (машины) по присущим только ему качествам. Классификация позволяет прово дить разделение (анализ) машин по отдельным специфическим при знакам и их совокупностям, а также объединение (синтез) отдельных признаков и их совокупностей с предпочтительными качествами.
В данной главе получает развитие группа В (средства стабили зации параметров энергоносителя). Совершенствование положи тельных качеств процессов камеры группы В позволило расширить их номенклатуру: ввести в классификацию признаков пневмоудар ных механизмов новые признаки камер форсажа проточные Вс и непроточные Вd;
предкамеры Be;
камеры проточные наддува не управляемые Bf и управляемые Bg;
камеры непроточные с присое диненным объемом неуправляемые Bh и управляемые Вi. Камеры Bf, Bg, Bh, и Bi разработаны при непосредственном участии автора данной работы, внесены в классификацию и представлены в табл. 1.
Их принципиальные исполнения для ДПУМ представлены на рис. 1, где (а, б) иллюстрирует камеры Bh и Bi, (в, г) иллюстрирует камеры Bf и Bg, а (д, е) представляют варианты камер Bf и Bg с центральной трубкой воздухоподвода в ДПУМ(ТН). Рассматриваемые принци пиальные исполнения рис. 1 (а, б, в, г, д, е) предусматривают приме нение предкамер Be, (а, б, в, г) – применение канала перепуска воз духа из предкамеры Ве в камеры холостого хода, (в, д) - применение канала впуска воздуха из предкамеры Ве в камеры проточные над дува неуправляемые Bf, (г, е) - применение канала впуска воздуха из сети в камеры проточные наддува управляемые Bg, (а, в, д) – приме нение неуправляемых камер Bh и Bf. Геометрические формы кана лов управления впуском воздуха из камер с присоединенным объе мом в камеры рабочего хода (б, г, е) (на рис. 1 не показаны) могут быть любыми.
Таблица Классификация признаков пневматических ударных механизмов (для группы В) ОСНОВНОЙ ПРИЗНАК ГРУППА ПРИЗНАКОВ ДИНАМИЧЕСКИЙ КОНСТРУКТИВНЫЙ Код Наименова- Код Наименование Код Наименование ние В Средства a Камера ресивер 1 Вынесены стабилизации 2 На (в) цилиндре параметров 3 На (в) ударнике энергоноси 4 На (в) стержне теля 5 На (в) трубке 6 На (в) другом кинематическом звене b Камера перепуска То же(1-6) c Камера форсажа проточная То же(1-6) d Камера форсажа непроточ- То же(1-6) ная e Предкамера То же(1-6) f Камера проточная с присое- То же(1-6) диненным объемом не управляемая g Камера проточная управ- То же(1-6) ляемая h Камера непроточная с при- То же(1-6) соединенным объемом не управляемая i Камера непроточная с при- То же(1-6) соединенным объемом управляемая Предложена классификация признаков трубки, дополняю щая существующую классификацию пневматических механиз мов и машин ударного действия. Она сохраняет принципиаль ную схему построения: динамические и конструктивные при знаки развивались в сторону как основных, так и дополнитель ных, а также уточняющих признаков без нарушения схемы клас сификации.
б) а) Сеть Сеть Be Be Bi Bh Сеть Сеть г) в) Be Be Bg Bf Сеть Сеть д) е) Be Be Bf Bg Рис. 1. Принципиальные исполнения ДПУМ: а) камера непро точная с присоединенным объемом неуправляемая, б) камера непроточная с присоединенным объемом управляемая, в) камера проточная с присоединен ным объемом неуправляемая, г) камера проточная с присоединенным объемом управляемая, д) камера проточная с присоединенным объемом неуправляемая с центральной воздухоподводящей трубкой, е) камера проточная с присоеди ненным объемом управляемая с центральной воздухоподводящей трубкой Рассматривается развитие классификации в части основного ди намического признака: средств управления впуском воздуха в рабо чие камеры, при этом уделено внимание только дополнительному динамическому признаку - дроссель постоянного геометрического сечения впуска воздуха из сети. Этот признак может быть использо ван для всех средств: запуска, впуска, перепуска, задержки, вытесне ния, продувки, выпуска и др. При формализации записи признаков сохранены обозначения кодов основных динамических и конструк тивных признаков существующей классификации. Для примера огра ничимся исполнением динамических и конструктивных признаков средств управления впуском (табл. 2) для дросселя в трубке.
Таблица Выборка из классификации признаков пневматических ударных механизмов (для группы С) КОНСТРУКТИВНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРИЗНАКИ ПУМ ПРИЗНАКИ ПУМ Код Основной Код Дополнитель- Код Основной признак ный а С Средства Дроссельные 5 На (в) трубке управления с постоянным впуском проходным энергоносителя сечением в камеры из сети Отдельные классификации (выборки) для трубки представ лены табл. 3 и 4. Данные в табл. 3 содержат отдельную класси фикацию динамических признаков трубки, обозначенных через С', а в табл. 4 - ее конструктивных признаков, обозначенных че рез 5' с целью сокращения записи.
Таблица Динамические признаки трубки (С') для группы С (выборка) ОСНОВНОЙ ПРИЗНАК ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ Код Код ПРИЗНАК а С'а Подвод воздуха в камеру неподвижные стенки b подвижные стенки (телескопические) с коаксиальное расположение стенок d аксиальное расположение стенок Признак С' определяется аналогом С: управление впуском, подводом, перепуском и т.п. и вводится в качестве определите ля: канала, дросселя и т.п., то есть признака С'а. В данной клас сификации признак С'а функционально шире в сравнении с при знаком Са, поскольку канал пропуска может быть использован для пропуска жидкости для орошения забоя с целью подавления пыли;
пропуска мелко кусковых или пылеватых материалов (продукта разрушения грунтового или иного забоя);
пропуска анкеров, штанг, жестких или гибких стержней приводов (шаро шек, буровых головок и т.п.). Таким образом, признак а при С'а следует относить к конструктивному признаку канала трубки 5', также отличающегося от признака 5 базовой классификации.
Таблица Конструктивные признаки трубки (5') для группы С (выборка) ОСНОВНОЙ ПРИЗНАК ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ Код Код ПРИЗНАК Сквозной геометрический а 5'1 прямой с гладкими стенками канал b наклонный с гладкими стенками с с радиальными отводами d винтовой e лыска прямая Пример записи динамических признаков трубки согласно табл.3 с учетом табл. 2, в которой сочетание Са5 обозначает сред ства управлением впуском воздуха, представим для условий:
трубка обеспечивает подвод воздуха по сквозному каналу, распо ложенному продольно оси ПУМ и имеет неподвижные стенки:
Са5(С'аа). (1) При усложнении условий исполнения: внутренняя часть ка нала трубки должна быть бесступенчатой с винтовыми стенками с целью придания им шероховатости (или закручивания потока воздуха, или других целей) запись формулы будет с учетом табл.
2-4, иметь вид:
Са5(С'аа5'1d). (2) Таким образом, формализованная запись (1) функций труб ки в виде совокупности ее признаков достаточно полно описы вает как динамические, так и конструктивные ее особенности.
Технические решения исполнения и размещения трубок, предназначены для целей получения новых эффектов теоретиче ского и практического значения, а также для осуществления анализа, синтеза и прогнозирования качеств ДПУМ(Т) с исполь зованием формализованной записи их структуры.
В третьей главе излагаются методы обеспечения основных параметров ПУМ и рассматриваются различные типы приводов.
Энергия единичного удара, приходящаяся на единицу массы маши ны, по имеющимся материалам, у пневматических и гидравлических ударных устройств, в среднем, имеет одинаковое значение. При этом преимуществ гидроударных устройств по производительности не обнаружено. При равной мощности гидромолоты тяжелее пнев момолотов на 22% и дороже в 2,5 раза. Необходимо отметить, что в каждом конкретном случае вопрос выбора типа привода ударного устройства должен решаться, исходя из условий применения. Учи тывая, что создаваемая машина будет эксплуатироваться в условиях Сибири, наиболее целесообразным, будет использование пневмати ческого ударного устройства.
Основным параметром, определяющим производительность машин, является энергия единичного удара. Наиболее рациональ ным обоснованием выбора величины энергии единичного удара яв ляется расчетный путь, так как при этом можно учесть физико механические свойства обрабатываемой среды. При таком подходе производительность обеспечивается за счет частоты ударов, которая вводится в соответствии с допускаемым (оптимальным) усилием нажатия. Было установлено, что для различных категорий мерзлых грунтов необходимая и достаточная величина энергии единичного удара будет находиться в диапазоне (600 … 2400) Дж.
В современных конструкциях ПУМ применяются различ ные типы воздухораспределения, которые условно можно раз делить на дроссельное, золотниковое, клапанное, беззолотнико вое, струйное, бесклапанное, комбинированное.
Крупные теоретические и экспериментальные исследования по созданию ПУМ посвящены работы Б.В. Суднишникова, О.Д. Али мова, А.М. Ашавского, А.Д. Костылева, А.И. Федулова, Х.Б. Ткача, Б.Н. Смоляницкого, Э.А. Абраменкова, В.П. Гилеты, Д.Г. Суворова, К.К. Тупицына и их учеников и последователей. Исследования по созданию ДПУМ проводятся с 1964 года в Новосибирском государ ственном архитектурно-строительном университете и Институте горного дела СО РАН совместным коллективом: Э.А. Абраменков, Н.А. Клушин, А.М. Петреев, А.А. Липин, Г.Ф. Тимофеев, В.Ф. Кор чаков и др. Исследования и разработки машин с ДПУМ продолжают Д.Э. Абраменков, А.Г. Богаченков, Т.Ю. Виговская, Р.Ш. Шабанов, А.А. Кутумов, В.В. Чичканов, С.В. Гаршин, А.А. Надеин и др.
В дроссельном механизме отсутствуют такие недостатки: зави симость длины ударника от величины его хода (беззолотниковые и бесклапанные ПУМ), малая надежность воздухораспределителей (клапанные и золотниковые ПУМ). Выбор дроссельного распреде ления предопределен самой высокой надежностью запуска при от рицательных температурах, чего нельзя отметить для клапанных и золотниковых ПУМ, а также устойчивостью в широком диапазоне свойств обрабатываемого материала, от дерева до металла. Приме нение в ДПУМ центральной подвижной воздухоподводящей трубки позволяет уменьшить габариты механизма и его массу. Также пред ставляется возможным реализовать бесканальный дроссельный ме ханизм с уменьшенным числом посадочных поверхностей, выпол нение которых с одной установки крайне затруднительно (рис. 2).
Рис. 2. Дроссельный пневматический ударный механизм с под вижной трубкой: 1-камера сетевого воздуха;
2-камера рабочего хода;
3-дроссель впуска кольцевой;
4-крышка;
5-трубка воздухоподводящая;
6-камера холостого хода;
7-дроссель впуска в трубке;
8-канал выпуска отработавшего воздуха;
9-корпус;
10-ударник;
11-хвостовик рабочего инструмента;
12-буртик Предлагается в качестве средства виброзащиты использо вать два торообразных или овалообразных пневмобаллона, рас положенных в двух ярусах между ударным узлом и навеской, с возможностью регулирования жесткости в зависимости от из менения физико-механических свойств обрабатываемой среды.
В качестве носителя для размещения предлагается исполь зовать гусеничное шасси, выпускаемое ОАО «Рубцовский ма шиностроительный завод», в разработке которого принимал участие автор. Данная машина предназначена для выполнения различных народно-хозяйственных задач, на платформе которой возможна установка необходимого оборудования (компрессора, манипулятора, кабины оператора и т.п.). Эта машина может экс плуатироваться в условиях бездорожья, заболоченности, распу тицы, пересеченной местности, глубокого снежного покрова при температуре воздуха от +40 С до – 40 С.
В четвертой главе рассматриваются допущения и ограни чения при физико-математическом описании модели пневмо ударного механизма навесного молота и представлены баро- и термодинамические уравнения в камерах.
Используя свойства классификации признаков для средств стабилизации параметров энергоносителя В с учетом средств формирования силового импульса А, были записаны уравнения изменения давления и температуры воздуха:
- для предкамер (ресиверов) со стороны камер наддува ра бочего и холостого ходов с учетом средств запуска и форсажа;
- для непроточных камер форсажа со стороны камер надду ва рабочего и холостого ходов, сообщенных с сетью сжатого воздуха;
- для непроточных камер форсажа со стороны камер надду ва рабочего и холостого ходов, сообщенных с предкамерой;
- для камер наддува рабочего и холостого ходов, сообщен ных с предкамерой дросселем запуска;
- для камер наддува рабочего и холостого ходов, сообщен ных дросселем запуска с сетью сжатого воздуха;
- для управляемых проточных камер с присоединенным объемом, сообщенных с камерами наддува рабочего и холостого ходов и сетью сжатого воздуха;
- для управляемых проточных камер с присоединенным объемом, сообщенных с камерами наддува рабочего и холостого ходов и предкамерой со стороны рабочего и холостого хода;
- для камеры присоединенного объема неуправляемой со стороны камеры наддува рабочего (аналогично для камеры над дува холостого хода);
- для камеры присоединенного объема управляемой со сто роны камеры наддува рабочего (аналогично для камеры наддува холостого хода);
- для камер рабочего и холостого ходов, сообщенных с ка мерами форсажа, средствами впуска, запуска и выпуска, каме рами проточными и непроточными, управляемыми и неуправ ляемыми, с учетом перетечек и утечек при наличии центральной трубки воздухоподвода;
- для камеры рабочего хода (ДПУМ(ТН));
- для камеры холостого хода (ДПУМ(ТН))с учетом утечек через зазор пары: хвостовик инструмента – букса корпуса.
Расчетная схема ДПУМ(ТН) с камерой присоединенного объема со стороны камеры наддува рабочего хода представлена на рис. 3. В данном случае общий вид уравнений баро- и термо динамики ДПУМ(ТН) можно представить системой (3).
Рис. 3. Расчетная схема ДПУМ(ТН): 1- трубка воздухоподводящая, – корпус пневмомолота, 3 – ударник, 4 – инструмент м dpпро k = [W (wпроjпро - wзрпjзрп - wхп j хп - wдрупjдруп )], п п dt Vпро п dp п друп = k [W (wдрупjдруп - wрд ( ху )jрд )], п dt Vдруп п п dpр dxу k п dt = V - х S [W (wзрпjзрп + wрд ( ху )jрд - m ар eар ) + рр dt S у ], р уу п п dp dxу k п х= [W (wхп j хп - mах eах ) - рх S у ], dt Vх + х у S у dt п п п dqпро = qпро [W (w j W - w j W - w j W п про про про хп хп хп зрп зрп зрп (3) н dt pпроVпро п п- wдрупjдрупW друп )], п dq qдруп п друп = [W (wдрупjдрупW друп - wрд ( ху )jрд W рд )], п dt pдрупVдруп п п dq р qр = [W (wзрпjзрпW зрп + wрд ( ху )jрд W рд - mар e арW ар ) + п п dt рр (Vр - ху S у ) п dx п+ ( k - 1) рр у S у ], dt п п dq dxу qх п х= [W (wхп j хп W хп - m ах e ах W ах ) - (k - 1) рх S у ].
п dt рх (Vх + ху S у ) dt о Данную систему дополним уравнениями движения под вижных частей ДМУМ(ТН) в виде (4):
м d 2 х у S у ( p х - pр ) + signFт + signFу п = при х у 0, п dt 2 mу п пж d х у ц ж ц ч = -k з d х у ч пз при х у Ј 0, уз з dt ч ч и dt ш у пи ш п п d 2 хк ( S у - S и )( p х - pр ) + signFт + signFу + Fн п 2= при хк 0, п dt mк ( 4) н пж d хк ц ж ц ч = -k к з d хк ч пз при хк Ј 0, з dt ч з dt ч пи ш0 и шк п п d х т S т ( p х - p р ) + signFт + signFу п 2= при х т 0, mт п dt пж d х ц ж d хт ц тч пз = -k т з ч при х т Ј 0.
пз dt ч 0 з dt ч ои ш и шт Рассматриваемый дроссельный пневмоударный механизм с центральной воздухоподводящей трубкой ДПУМ(ТН) и предка мерой сетевого воздуха содержит средства формирования им пульса ударника - в виде камер наддува, средства впуска – по стоянно открытые дроссели, средства выпуска – каналы выпуска отработавшего воздуха. Любое положение центральной возду хоподводящей трубки в радиальном направлении не изменяет площадь сечения дросселя запуска в камеру рабочего хо да w зрп (А-А). При физико-математическом описании принято дополнительное допущение, не меняющее принципиальной фи зической картины процесса, но упрощающее ее описание: труб ка в осевом положении неподвижна.
В (3, 4) приняты следующие обозначения:
2kR, где R, k – газовая постоянная и показатель W= k - процесса;
w про, w друп, w зрп, w рд, w хп - проходные сечения дрос селей впуска в предкамеру, камеры присоединенного объема, запуска, рабочего и холостого ходов;
р про, р друп, р р, р х р о, р а давления воздуха в предкамере, в камерах присоединенного объема, рабочего и холостого ходов, в сети и атмосфере;
Vпро, Vдруп, Vр, Vх – объемы предкамеры, камер присоединенно го объема, рабочего и холостого ходов;
jпро, j друп, j зрп, j рд, j хп - бародинамические функции впуска воздуха в предкамеру, камеры присоединенного объема, запус ка, рабочего и холостого ходов;
e ар, e ах - бародинамические функции каналов выпуска воздуха из камер рабочего и холосто го ходов в атмосферу;
m ар,m ах - функции проходных сечений каналов выпуска воздуха из камеры рабочего и холостого ходов;
q про, q друп, q р, q х q о, qа - температура воздуха в предкамере, в камерах присоединенного объема, рабочего и холостого ходов, в сети и атмосфере;
W про, W друп, W зрп, W рд, W хп - термодинамиче ские функции каналов впуска воздуха в предкамеру, камеры присоединенного объема, запуска, рабочего и холостого ходов;
W ар,W ах - баро – и термодинамические функции расхода возду ха в зависимости от изменения температуры на выпуске в атмо сферу из камер рабочего и холостого ходов;
k у, k к, k т - коэффи циенты «отскока» ударника и корпуса от буртика инструмента и трубки от крышки корпуса, подсчитываемые как отношения ж dx ц ж dx ц скоростей после U 0i = з i ч и до соударения U уi = з i ч со и dt ш0 и dt ш у U0у ответственно для ударника, корпуса и трубки;
k у =, Uу U 0к U, kТ = 0Т, F у, FТ - силы трения ударника о корпус и kк = UТ Uк трение трубки об ударник в направлении оси перемещения кор пуса;
FН - сила нажатия на корпус;
x у, xк, xТ - перемещение ударника, корпуса и трубки;
S у, S и, SТ - площади диаметральных сечений ударника, инструмента и трубки;
t- время;
m у, mк, mТ - масса ударника, корпуса и трубки.
Баро – и термодинамические функции впуска и выпуска представлены известными зависимостями, применяемые при физико-математическом описании рабочих процессов пневмо ударных механизмов и имеют вид (например, для функций jij, W ij ):
0,2588 Ч pi q j при 0,5283 рi р j, ( рi ) ( ) - рi р j (1+ k ) k (5) 2k pj qj Ч рj при 0,5283 Ј рi р j, j ij = - 0,2588 Ч pi q i при 0,5283 р j рi, (1+k ) k (р j ) ( ) 2k - pi qi Ч рi - р j рi при 0,5283 Ј р j рi.
k - (qi /q j ) при jij 0, (6) W ij = при jij Ј 0.
k - Для получения правдоподобного решения системы (3), (4) и суждения о процессе, близком к реальному, достаточно фор мировать впуск воздуха в камеры рабочего и холостого ходов непосредственно из предкамеры с варьированием значения дав ления воздуха на входе дросселей впуска.
Поскольку большой интерес представляет экономичность ДПУМ(ТН), то систему (3, 4) необходимо дополнить выражени ем, позволяющим определить расход сжатого воздуха. Это тем более целесообразно, так как при исследовании нового цикла ДПУМ(ТН) необходимо знать его экономические показатели, например, по удельному расходу сжатого воздуха, определяе мому отношением расхода к ударной мощности механизма. Те кущее значение расхода воздуха, поступающего в единицу вре мени в ДПУМ(ТН) через впускные каналы, питающие камеры рабочего и холостого хода, запишется так:
жn ц Gр (t ) = W з е ( Rq1рi ) -1/2 (w'эpi (c)W р ( k1i )) ч, (7) и i =1 ш жn ц G х (t ) = W з е ( Rq1хi ) -1/2 (w'эxi (c)W х ( k1i )) ч. (8) и i =1 ш В (7), (8) символами е обозначены суммарные приходы воздуха из сети в каждую из камер, обеспечивающих соответст венно рабочий и холостой ходы ударника, в зависимости от функций проходных сечений впускных каналов w эi (c) и пере паде давлений в рабочей камере и сети W( k i ). Если w э1...w эn не изменяются в зависимости от перемещения ударника, то про ходные сечения каналов впуска следует рассматривать как дис кретные. Не нарушая физической сути в определении расхода воздуха, можно воспользоваться подсчетом его на выпуске из рабочих камер:
жn ц Gра (t ) = W з е ( Rq1рi ) -1/2 ( y 'эpiYр ( k арi )) ч, (9) и i =1 ш жn ц G ха (t ) = W з е ( Rq1хi ) -1/2 ( y 'эxi Yх ( k ахi )) ч. (10) и i =1 ш В (9), (10) символами е обозначены суммарные расходы воздуха из камер, обеспечивающих рабочий и холостой ходы ударника, в зависимости от функций проходных сечений выпу скных каналов y эi (c) и перепада давлений в камерах и атмо сфере Y ( k аi ). Такая запись расхода воздуха позволяет выделить отдельные части расходов камер рабочего и холостого ходов.
Текущие расходы, подсчитанные по (7)-(10) для одного момента времени, не равны. Однако равны их общие расходы за цикл на впуске и выпуске. Таким образом, секундный массовый расход воз духа ДПУМ(ТН) за цикл равен:
G = GпT -1, (11) где Gп = Gр + Gх. (12) Обычно на практике оперируют не мгновенным расходом воздуха, а средним значением - Gс, которое определяют за дос таточно большой (по сравнению с T ) интервал времени t :
1 t0 +t Gс = т Gdt, (13) t t где t T.
Сравнение расходов воздуха на впуске и выпуске позволяет контролировать сходимость их и, следовательно, точность фи зических представлений о рабочем процессе пневмоударного механизма.
Баро- и термодинамические параметры могут быть опреде лены в объеме камер во времени. Для указанных целей доста точно применить, например, прием определения расхода возду ха камерами, изменения его давления и температуры, которые позволяют получить зависимости: ( р - V ) - давление – объем;
(q - t ) - температура – время;
(q - S ) - температура – удельная энтропия;
(G - t ) - расхода воздуха – время;
(n - t ) - показатель процесса – время;
(S - t ) - удельная энтропия – время, (Н - t ) удельная энтальпия – время, (q - Н ) - температура – удельная энтальпия.
В соответствии с объектом исследований, примем в качест ве оценочных критериев:
- удельный съем мощности с единицы площади ударника e N = N ( p0 u S S ) ;
(14) - удельный расход воздуха gG = G N ;
(15) - амплитуду перемещения корпуса x K = h mK ;
(16) - звуковое давление воздуха на выпуске W p = 20 lg ( p B - p a ), (17) где N - ударная мощность;
G - расход воздуха за цикл;
( ) F цж 2m у 1 + k у N ц ж h = з1 - Н чз ч - коэффициент пропорцио з р0 S чз ч ip0 S и ши ш нальности между подводимой и отводимой энергией к корпусу, вызывающей его перемещение;
FН - сила нажатия на корпус;
i - частота ударов;
1ц ж ( ) р В = (2 3)з ( р0 - рс ) + рс + 3 рс р0 2 ч - давление воздуха в з ч и ш начале выпуска из камеры, полученное из выражения зависимо сти для среднего давления рс по пути ударника.
Предварительные исследования рабочего процесса ДПУМ показали, что для оценки этих процессов на инженерном (при кладном) уровне можно воспользоваться параметрами, пояс няющими причину и следствие кинетики процессов во времени и пространстве. Для указанных целей приняты закономерности изменения параметров:
- давления воздуха рi = p(t ), рi = p (V ) ;
- расхода воздуха Gi = G (t ) ;
- температуры q i = q(t ) ;
- удельных теплоемкостей c pi = c p (t ), cVi = cV (t ) ;
- удельной энтропии процесса S рV = S (q), S рV = S (t ) ;
- удельной энтальпии процесса Н рV = Н (q), Н pV = Н (t ), - показателя процесса ni = n(t ), где рi - давление воздуха в камере с объемом Vi, qi - темпера тура воздуха в камере;
c pi, сVi - удельные теплоемкости воздуха в камерах соответственно при р =const и V=const, t – время.
Расчет термодинамических параметров и построение зави симостей срi=ср(t), сvi=сv(t), осуществлялся по следующим урав нениям:
( ) мс р (р, х ) = R + R nр, х - 1, п (18) н ( ) псV (р, х ) = R nр, х - 1 ;
о пS p (р, х ) = c p( px ) dq р, х q р, х + dVр, х dpр, х dq р, х, м (19) н пSV (р, х ) = c p (р, х ) dq р, х q р, х + dVр, х dpр, х dq р, х ;
о м Н p (р, х ) = q р, х (c p (р, х ) + R ) п (20) н п Н V (р, х ) = q р, х (cV (р, х ) + 2 R) о nр, х = c p (р, х ) cV (р, х ). (21) Контроль решений системы (3), (4) осуществлялся сближе нием ( ± 10 % результатов расчета расхода), а соответствие па раметров (19-22) – по графическому представлению функции x у = х (t ), которое «накладывалось» на временные зависимости других параметров одновременно.
Отметим, что для ДПУМ(ТН) графическое представление функции x у = х (t ) является весьма важным, поскольку суммар ный объем камер рабочего хода сохранялся и выполнялось ус ловие Vр Vх = l = const.
Использование двух критериев оценки qV и e N позволяет избавиться от односторонней оценки анализа выходных пара метров ДПУМ(ТН). При этом задача моделирования сводится к отысканию безразмерных параметров:
( ) мa = w хVр wрVх -1, п п -1 - (22) нl = VрVх = lр lх, п - н -1 н н - пhх = Lх lр = Lх (l Ч l х ) = Lх S уVх, о В пятой главе рассматриваются взаимозависимости между энергетическими и геометрическими параметрами пневмоудар ного механизма молота при исследовании рабочего цикла ДПУМ(Т), а также определяются его рациональные значения при различных давлениях воздуха, поступающего из сети, на пример, при р0=(0,4;
0,5;
0,6;
0,7) МПа.
Расчет и уточнение геометрических параметров выпускно го тракта выполнено по уравнениям (6). По результатам иссле дований можно рекомендовать рациональные значения безраз мерных параметров: a рац = 6, l = 7, hх рац = 0,6.
При исследовании новых пневмоударных машин большой интерес представляют баро- и термодинамические особенности рабочего цикла, знания о которых могут способствовать усо вершенствованию механизма.
Зависимости изменения давления воздуха в камерах рабо чего и холостого ходов в данном разделе рассматриваются с уточнением тенденций изменения зависимостей баро- и термо динамики ДПУМ(ТН). В результате решения системы (3), (4) получены зависимости во времени для давления воздуха рi=р(t) в камерах наддува рабочего и холостого ходов. На рис. 4, представлены осциллограммы моделирования рабочего процесса - давления рi=р(t), температуры qi = q(t ) параметры расхода Gi=G(t), удельных теплоемкостей срi=ср(t), сvi=сv(t) и показателя процесса ni=n(t) в камерах ДПУМ(ТН).
Указанные зависимости на рис. 5 и рис. 6 совмещены с гра фиком пути движения ударника (зависимость ху=х(t) и принци пиальной схемой ДПУМ(ТН) с отметками его характерных уча стков движения. Зависимость ху=х(t) является также взаимокон тролирующей для других параметров, изменяющихся во времени.
На осциллограммах обозначены: tp, tx,T- время рабочего, холостого ходов и полное время цикла;
рр, рх, - давления воздуха в камерах рабочего и холостого ходов;
qр, qх – температура в камерах рабочего и холостого ходов;
сpp, сvp, срх, сvх – соответст венно удельные теплоемкости воздуха по давлению и объему для камер рабочего и холостого ходов;
np, nx – показатель про цесса в камерах рабочего и холостого ходов.
На графических зависимостях ху=х(t) цифрами обозначены характерные точки цикла. Текущие значения параметров и их графические зависимости, полученные для р0 = 0,4;
0,5;
0,6;
0,7 МПа, хорошо корреспондируются между собой.
Также получены изменения давления в объемах камер ра бочего и холостого ходов (рис. 6), параметры температуры и удельной энтропии (рис. 7, 8), параметры удельной энтальпии и температуры (рис. 9, 10).
Точка А (на рис. 6 – 10) соответствует концу рабочего и на чалу холостого хода ударника, то есть периоду соударения.
px, МПа pp, МПа 0,6 0, IV IV A III III 0,5 0, II 0, II 0, I 0, 0, 0, 0, 0,1 A 0 0 0,002 0,004 0,006 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0, I – po=0,4 МПа;
II – po=0,5 МПа;
III – po=0,6 МПа;
IV – po=0,7 МПа.
а) б) Рис. 6. Параметры изменения давления в объемах камер:
а) холостого хода, б) рабочего хода Р, К Р, К О О О2 2 О2 2 3 a a 300 С 6 54 Б БS, 250 250 1 SРР, VР 7А 7А Дж/(кг·К) Дж/(кг·К) -50000 0 50000 100000 150000 -50000 0 50000 100000 а) б) Рис. 7. Параметры температуры и удельной энтропии в камере рабочего хода: а) при постоянном объеме, б) при по стоянном давлении НРР, НVР 4,5Е+10 Дж/кг 3,5Е+ 2,5Е+ 1,5Е+ А 1 5-О 5Е+9 Р, К А О -5Е+9 220 240 260 290 300 320 -1,5Е+ Рис. 9. Параметры удельной энтальпии и температуры в камере рабочего хода Х, К Х, К А SVX,SPX (Дж/кг·К ) Рис. 8. Параметры температуры и удельной энтропии в камере холостого хода НРХ,НVX Дж/кг 2Е+ С А 1Е+ 4 8 Х, К 5-О3 6 О4 О 2 О2 О 250 270 290 310 330 350 370 390 410 -1Е+ 7 3 А -2Е+ -3Е+ -4Е+ -5Е+ Б -6Е+ Д Рис. 10. Параметры удельной энтальпии и температуры в камере холостого хода В шестой главе рассматриваются взаимозависимости энер гетических и вибрационно-силовых параметров модели пневмо ударного механизма молота, а также влияние формы силовой диаграммы ПУМ на его вибрационные и силовые характеристи ки, влияние геометрических очертаний силовой диаграммы на вибрационные и силовые характеристики ПУМ, влияние коэф фициента отскока и длительности холостого и рабочего ходов ударника на вибрационные и силовые характеристики ПУМ, изменение вибрационных и силовых характеристик ПУМ в зави симости от структуры его мощности, а также вибрационные и силовые характеристики модели пневматического молота.
Результаты исследований подтверждают предложение, за ключающееся в том, чтобы не назначать к эксплуатации маши ны с энергией удара превышающей более чем на 10... 15 % их необходимое значение. Повышение производительности машин, при этом, обеспечивается увеличением частоты ударов. Эти предложения предопределяют уменьшение габаритов и массы, энергоемкости и вибрации машин.
Ранее была сформулирована задача гашения колебания ударного механизма применительно к мощным машинам удар ного действия. Снижение уровня вибрации, передаваемой на манипулятор, должно быть достигнуто без ухудшения энергети ческих показателей механизма. Перемещение корпуса влияет на характер рабочего цикла механизма несущественно, если отно шение размаха колебаний корпуса sк к ходу ударника sу меньше 0,085. В пневмомолотах эта величина обычно меньше ввиду до вольно большого хода ударника. Следовательно, при исследова нии гашения колебаний амортизатором достаточно использовать импульсную диаграмму ПУМ, а затем, на основе ее информа ции, рекомендовать тип виброгасящих устройств. Естественным ограничением на полученное решение данной задачи будет ог раничение на размах колебаний корпуса sк Ј аsy, где а - коэффи циент пропорциональности.
Были определены параметры силового воздействия пневма тического молота с ДПУМ(ТН) в основном предельном режиме при наличии между корпусом и манипулятором амортизатора выполненного в виде пневмобаллонов. В результате проведен ных расчетов получена оптимальная собственная частота коле баний w opt =62,8, которая обеспечивает минимум вибрации, при условии, что амплитуда колебания корпуса 5·10-3 м, при этом амплитуда силы, передаваемой на манипулятор в процессе ра боты пневмомолота, должна снизиться после введения подвески примерно до 3 раз.
В седьмой главе рассматриваются взаимозависимости па раметров шумоизлучения пневмоударного механизма молота, а также сведения о моделях шумоизлучения и шумоподавления, модель шумоизлучения рабочих камер дроссельного пневмо ударного механизма, также влияние формы диаграммы давления воздуха в рабочей камере пневмоударного механизма на его шумовые характеристики.
Источниками шума пневматической машины ударного дей ствия являются:
- выпуск отработавшего сжатого воздуха из рабочих камер - аэродинамический шум;
-соударения между инструментом, ударником, корпусом и другими узлами соединений, а также между инструментом и обрабатываемой средой – механический шум.
Эффект снижения шума выпуска в ПУМ от реализации ме тодов изменения давления воздуха на выпуске и рациональных размеров тракта.
Реализация метода рациональных размеров тракта выпуска характеризуется увеличением времени формирования звуковых импульсов (уменьшением длительности пульсаций давления на выпуске), уменьшением давления воздуха на выпуске из рабо чей камеры.
Совершенствования шумовых характеристик, обусловлен ные назначением и условиями работы ДПУМ, наиболее четко прослеживаются в конструктивных решениях, направленных на получение бесканального корпуса (уменьшение габарита по диаметру) и осуществление направленного выпуска отработан ного воздуха. Распространенным решением при получении бес канального корпуса являются механизмы с центральной трубкой ДПУМ(ТН), входящей своим свободным концом в канал удар ника и взаимодействующей с ним. Отсекающие кромки выпол няются, как правило, на боковой поверхности ударника и на трубке. В результате взаимодействия ударника с трубкой осу ществляется впуск сетевого воздуха в каждую из рабочих камер.
У ряда механизмов с трубкой подвод сетевого воздуха произво дится в полость (камеру) ударника, которая выполняет одновре менно функции камеры рабочего хода.
Восьмая глава посвящена исследованию эксплуатационных по казателей молота и разработке типоразмерного ряда, а также содер жит результаты экспериментальных исследований. По полученным данным численных исследований был изготовлен лабораторный об разец навесного пневматического молота с ДПУМ(ТН), рис. 11.
Рис 11. Навесной пневматический молот с ДПУМ(ТН): а) общий вид: 1 - пневмомолот, 2 - узел крепления;
б) составные части пневмо молота: 1 - камера присоединенного объема, 2 - камера холостого хода, 3 - корпус, 4 - ударник, 5 - инструмент, 6 - воздухоподводящая трубка, 7 - пружина, 8 - предкамера Экспериментальные исследования вибрационных и шумо вых характеристик проводились комплектом аппаратуры фирмы «Брюль и Кьер» (Дания).
Сопоставление осциллограмм рабочего процесса показало хорошее качественное совпадение исследуемых процессов. Ха рактер изменения давления воздуха в камерах пневматического молота с ДПУМ(ТН), как показало изучение осциллограмм при р0 = 0,4;
0,5;
0,6 и 0,7 МПа, указывает на стабильность (устойчи вость и надежность) рабочих циклов. На рис. 12 представлены осциллограммы, полученные при р0=0,6 МПа.
.
Рис. 12. Осциллограммы рабочих процессов в камерах рабочего и холостого ходов пневматического молота с ДПУМ(ТН): а) лабора торный образец;
б) физико-математическая модель При расчетных размерах выпускных трактов обеспечивает ся практически полное опорожнение рабочих камер ДПУМ(ТН).
Максимальное расхождение абсолютных значений давления воздуха в характерных точках его изменений не превышает 2, % для камеры рабочего хода, 3 % - для камеры холостого хода.
Анализ полученных сравнительных результатов по энергетиче ским характеристикам (табл. 4) показывает их хорошее количе ственное соответствие. Так, расхождение в значениях по энер гии удара не превышает 3 %, по частоте ударов 2,5 %, а по рас ходу воздуха 10 %, что находится в пределах возможной по грешности приборов и обработки результатов измерений Таблица Основные сравнительные характеристики физико математической модели и пневмомолота с ДПУМ(ТН) Давление воздуха, р0, МПа Объект ис Параметр следования 0,4 0,5 0,6 0, Модель 343 493 605 Энергия удара А, Дж Пневмомолот 338 485 601 Модель 7,99 8,55 8,99 9, Частота ударов i, Гц Пневмомолот 7,8 8,3 8,7 Модель 0,24 0,314 0,385 0, Расход воздуха G, м3/с Пневмомолот 0,26 0,33 0,41 0, По уровню вибрации и шуму изготовленный пневматиче ский молот с ДПУМ(ТН) не превышает значений существую щих навесных машин. Отмечается тенденция снижения уровней звуковой мощности на частоте 500-1000 Гц, что обусловливает ся более низким давлением воздуха в камерах к началу выпуска, несмотря на повышенную частоту ударов (выпусков) в сравне нии с аналогами, а на частоте более 4000 Гц имеет место пре вышение звуковой мощности (до 5 дБ), а затем ее снижение.
В результате всего комплекса проведенных исследований был разработан ряд навесных пневмомолотов оптимальных ти поразметров по диаметру и длине корпуса с различной необхо димой и достаточной величиной энергии единичного удара, со ответствующей всем разрабатываемым категориям мерзлых грунтов (рис. 13).
Рис. 13. Типоразмерный ряд навесных пневмомолотов с ДПУМ(ТН) с энергией удара от 600 до 2500 Дж Анализ приведенных данных показывает, что наиболее предпочтительными для внутренних диаметров корпусов мм являются пневмомолоты с энергией удара 600 и 1000 Дж;
для внутренних диаметров корпусов 125 мм пневмомолоты с энергией удара 600, 1000 и 1600 Дж;
для внутренних диаметров корпусов 160 мм пневмомолоты с энергией удара 1600 и Дж;
для внутренних диаметров корпусов 200 мм пневмомолоты с энергией удара 2500 Дж.
В девятой главе рассматриваются перспективные ПУМ, прогнозирование их энергетических параметров и исполнений, а также прогнозирование типов навески и носителя.
В части исполнений молотов перспективным является при менение дроссельного пневмоударного механизма с централь ной подвижной воздухоподводящей трубкой ДПУМ(Т), с обес печением ее радиальной и продольной подвижностью. Для по вышения экономичности навесных пневматических молотов с ДПУМ(ТН) и улучшения энергетических характеристик целесо образным будет использование механизмов с перепуском, вы теснением, наддувом и форсажем.
Наличие демпфирующего устройства между пневмомоло том и поддерживающей его навесной системой будет обязатель ным в последующих разработках навесных ПУМ, так как увели чение энергетических параметров неизбежно приведет к ухуд шению вибрационных характеристик. Предпочтение будет от дано тем, которые будут иметь возможность изменения жестко сти в процессе работы без остановки и переналадки. Использо вание пневмобаллонной системы в качестве демпфирующего устройства с регулируемым давлением в баллонах позволит варьировать жесткостью системы в диапазоне изменения физи ко-механических свойств разрабатываемого мерзлого грунта, не прерывая технологического процесса.
В качестве носителя наиболее целесообразным будет ис пользование такого транспортного средства, на котором имеется возможность размещения всего необходимого оборудования (компрессора, манипулятора, кабины оператора и т.д.). Такими возможностями обладает гусеничное шасси, выпускаемое ОАО «Рубцовский машиностроительный завод». Применение этого шасси перспективно с той точки зрения, что при разработке ти поразмерного ряда на нем можно разместить в дальнейшем бо лее тяжелые пневмомолоты с энергией удара до 2500 Дж.
В настоящее время на земле растет число различных техно генных катастроф, которые требуют немедленного реагирования и кратчайших сроков начала аварийно-восстановительных ра бот. Также актуальным является сохранение окружающей сре ды. Непрерывно повышаются требования экологической безо пасности к вновь создаваемой технике. Гусеничная и колесная техника наносит непоправимый урон растительности крайнего Севера и Сибири. Поэтому весьма актуальным является приме нение мерзлоторазрушающего оборудования на воздушной по душке, а также с использованием вертолетов и др.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 1. В результате выполненных исследований получены на учно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны, за ключающиеся в развитии теории дроссельных пневмоударных механизмов с наддувом и разработке типоразмерного ряда на весных молотов для разрушения мерзлых грунтов. Совокуп ность полученных результатов теоретических и эксперимен тальных исследований открывает новые направления совершен ствования навесных молотов.
2. Обоснована и разработана классификация признаков трубки, дополняющая существующую классификацию пневма тических механизмов и машин ударного действия позволяющая осуществить анализ, синтез и прогнозирование качеств ДПУМ(ТН) с использованием формализованной записи их структуры.
3. Разработаны принципиальные схемы навесных молотов с использованной классификации дроссельных пневмоударных механизмов с трубкой, имеющие новые признаки средств над дува, выпуска, перепуска и форсажа, позволяющие качественно и количественно улучшить рабочий процесс ДПУМ(ТН).
4. Разработана баро– и термодинамическая теория дрос сельных пневмоударных механизмов с наддувом на основе за кономерностей трансформации энергии сжатого воздуха в рабо ту.
5. Разработаны и исследованы физико-математические мо дели рабочих процессов в камерах наддува навесных молотов с ДПУМ(ТН) с учетом перепуска, вытеснения, утечек и форсажа, направленные на совершенствование энергетических парамет ров. Система уравнений, описывающих рабочий процесс ДПУМ(ТН) дополнялась зависимостями, позволяющими опре делить расход воздуха. Запись расхода воздуха позволила выде лить отдельные части расходов камер рабочего и холостого хо дов. Общие расходы за цикл на впуске и выпуске использова лись в качестве контроля соответствия баро – и термодинамиче ского процесса, качественного и количественного представле ния физико-математической модели ДПУМ(ТН), а также степе ни точности ее описания и решения всей системы уравнений.
6. Установлены рациональные соотношения геометриче ских размеров от энергетических параметров навесных молотов с ДПУМ(ТН), позволяющие получить наивысший съем мощно сти с единицы площади ударника. Предложены зависимости, позволяющие уточнить основные геометрические размеры ДПУМ(ТН) с дополнительными признаками впуска. Экспери ментально показано, что увеличение камеры рабочего хода ДПУМ(ТН) предопределяет «улучшенные» очертания диаграмм давления, однако, обусловливает увеличение удельного расхода воздуха и уменьшение съема мощности с единицы объема каме ры. Отмеченное указывает на необходимость установления ра циональных структур ударной мощности ДПУМ(ТН) для пнев матических молотов.
7. Осуществлен подбор взаимно соответствующих структу ры ударной мощности молота и типа его носителя с учетом ус ловий эксплуатации в климатической зоне Сибири. Также вы полнен выбор необходимых и достаточных признаков и уравне ний ДПУМ(ТН) для оценки (в первую очередь – экономичности и мощности, во вторую – силовых, вибрационных и шумовых характеристик) механизма.
8. Методика инженерного расчета ДПУМ(ТН) и представ ленные рекомендации позволяют рассчитать основные геомет рические размеры механизма с любым сочетанием энергетиче ских параметров, при заданном ограничении по расходу воздуха и усилию нажатия на корпус молота.
9. Создан экспериментальный образец навесного пневмати ческого молота с дроссельным воздухораспределением на энер гию единичного удара 600 Дж. Молот не имеет аналогов в РФ и за рубежом. По металлоемкости на единицу ударной мощности молот выгодно отличается от зарубежных аналогов и не уступа ет отечественным образцам. Вибрационные и шумовые характе ристики нового молота без защитных устройств предпочтитель нее аналогичных серийно выпускаемых.
10. Установлено, что работоспособность молота в условиях низких температур в первую очередь зависит от типа воздухо распределительного устройства. Для ДПУМ(ТН) следует ожи дать, что, чем больше отношение массы ударника к площади его контакта с корпусом молота и воздухоподводящей трубкой, тем более надежной будет его работа при низких температурах. Ла бораторные испытания молота с ДПУМ(ТН) показали, что он обладает надежным запуском и работой. Пневматические моло ты с ДПУМ(ТН) работают устойчиво и надежно при всех воз можных давлениях сжатого воздуха и в большом диапазоне из менения коэффициента отскока ударника от инструмента.
11. Простота конструкции и высокая надежность молота с ДПУМ(ТН) могут с избытком компенсировать затраты по экс плуатации, обусловленные повышенным расходом воздуха в группе пневматических навесных молотов с ударной мощно стью до 30 кВт.
12. Себестоимость изготовления молотов с ДПУМ(ТН) бо лее чем в 2 раза ниже существующих. Годовой экономический эффект от создания и использования одного навесного молота с дроссельным пневмоударным механизмом и наддувом камеры рабочего хода на энергию удара 600 Дж составляет 196 822 руб.
Ожидаемый экономический эффект от создания и использова ния навесных молотов с ДПУМ(ТН) на энергию удара 1000, 1600 и 2500 Дж составляет 307 015, 478 707 и 731 401 руб. соот ветственно (в ценах 2009 г.).
13. Техническая информация о навесном пневматическом молоте с ДПУМ(ТН) и его конструктивное исполнение исполь зуется в учебном процессе в НГАСУ (Сибстрин).
Основные положения диссертации опубликованы в сле дующих работах:
1. Смирных И.В. Пневмоударные устройства с повторным использованием воздуха в рабочих камерах / И.В. Смирных, С.В. Гаршин, А.А. Кутумов и др. // Труды НГСАУ. – Новоси бирск, 2002. – Т. 5, №6 (21). – С. 126-135.
2. Кутумов А.А. Аналитический обзор исследований раз рушения мерзлых грунтов ударной нагрузкой / А.А. Кутумов, Э.А. Абраменков, В.В. Коробков // Труды НГАСУ. – Новоси бирск, 2002. – Т. 5, №6 (21). – С. 6-20.
3. Гаршин С.В. Предварительная оценка тенденций изме нения энергетических параметров машин ударного действия / С.В. Гаршин, Ю.Э. Малышева, А.А. Кутумов и др. // Труды НГАСУ. – Новосибирск, 2002. – Т. 5, №6 (21). -С. 136-145.
4. Кутумов А.А. Обоснование типа воздухораспредели тельного устройства пневмоударной машины для разрушения мерзлых грунтов / А.А. Кутумов, Д.Э. Абраменков, Э.А. Абра менков и др. // Труды НГАСУ. - Новосибирск: НГАСУ, 2004. Т. 7, № 1 (28). – С. 38-55.
5. Кутумов А.А. Взаимное влияние геометрических и энер гетических параметров навесного пневмомолота с дроссельным воздухораспределением. / А.А. Кутумов, Д.Э. Абраменков, Р.Ш.
Шабанов и др. // Труды НГАСУ. - Новосибирск: НГАСУ, 2004.
– Т.7, № 2 (29). – С. 5-17.
6. Кутумов А.А. Взаимозависимости вибрационных харак теристик навесного пневмомолота / А.А. Кутумов, Е.П. Гайслер, Э.А. Абраменков и др. // Труды НГАСУ. – Новосибирск:
НГАСУ, 2004. – Т.7, № 3 (30). – С. 5-14.
7. Кутумов А.А. Параметры пневматического механизма машины ударного действия для разработки мерзлых грунтов / А.А. Кутумов, Э.А. Абраменков, С.В. Гаршин и др. // Труды НГАСУ. – Новосибирск, 2004. – Т.7, № 2(29). – С. 18-30.
8. Абраменков Д.Э. Пневматический механизм ударного действия с продувкой и форсажем камеры рабочего хода / Д.Э.
Абраменков, Э.А. Абраменков, А.А. Кутумов и др. // Изв. вузов.
Строительство. 2004, №9. - С. 74-82.
9. Пат. № 2246616 RU, Е 21 С 37/00. Виброзащитное сред ство молота навесного. Д.Э. Абраменков, И.А. Горшков, А.А.
Кутумов и др. Опубл. 20.02.2005. Бюл.№5.
10. Пат. № 2256545 RU, В 25 D 9/04. Пневматический мо лот с дроссельным воздухораспределением. Д.Э. Абраменков, Э.А. Абраменков, А.А. Кутумов и др. Опубл. 20.07.2005.
Бюл.№20.
11. Пат. № 2256544 RU, В 25 D 9/04 Пневматический моло ток с дроссельным воздухораспределением. Д.Э. Абраменков, Э.А. Абраменков, А.А. Кутумов и др. Опубл. 20.07.2005.
Бюл.№20.
12. Кутумов А.А. Выбор типа навески и носителя пневмо ударной машины для разработки мерзлых грунтов /А.А. Куту мов, И.А. Горшков, В.Е. Ладнов // Международная конференция «Проблемы и перспективы развития горных наук» 1-5 ноября 2004 г. Новосибирск: ИГД СО РАН, 2005. – С 104-109.
13. Абраменков Э.А. Геометрические и энергетические па раметры навесного пневмомолота с дроссельным воздухорас пределением / Э.А. Абраменков, А.А. Кутумов, М.Н. Ноздренко, Р.Ш. Шабанов // Международная конференция «Проблемы и перспективы развития горных наук» 1-5 ноября 2004 г. Новоси бирск: ИГД СО РАН, 2005. – С 110-115.
14. Кутумов А.А. Предварительная оценка размещения на весного оборудования на гусеничном шасси / А.А. Кутумов, Д.Э. Абраменков, М.Н. Ноздренко // Международная конферен ция «Проблемы и перспективы развития горных наук» 1-5 нояб ря 2004 г. Новосибирск: ИГД СО РАН, 2005. – С 173-175.
15. Пат. № 2259478 RU, Е 21 С 37/24. Пневматический мо лоток с дроссельным воздухораспределением. Д.Э. Абраменков, Э.А. Абраменков, А.А. Кутумов и др. Опубл. 27.08.2005.
Бюл.№24.
16. Абраменков Э.А. Типоразмерный ряд навесных пнев матических молотов с дроссельным воздухораспределением для разработки мерзлых грунтов / Э.А. Абраменков, А.А. Кутумов, Д.Э. Абраменков, И.А. Сорокина // Изв. вузов. Строительство. 2005. - № 11-12. С. - 78-84.
17. Кутумов А.А. К вопросу о выборе типа привода в меха низмах ударного действия для разработки мерзлых грунтов / А.А. Кутумов, И.А. Сорокина // Наука и образование: Материа лы VI Международной научной конференции (2-3 марта г.): В 4 ч. / Кемеровский государственный университет. Белов ский институт (филиал). – Белово: Беловский полиграфист, 2006. – Ч.1. – С. 462-464.
18. Кутумов А.А. Баро- и термодинамика дроссельного пневмоударного механизма навесного молота / А.А. Кутумов, Д.Э. Абраменков, Э.А. Абраменков, Т.Ю. Виговская // Изв. ву зов. Строительство. – 2007. - № 3. – С. 78-86.
19. Ильюченко В.Ю. Пневматический механизм ударного действия с форсажем рабочего процесса /В.Ю. Ильюченко А.А.
Кутумов, Д.Э. Абраменков и др. // Изв. вузов. Строительство.
2007. № 5. С. 65-72.
20. Кутумов А.А. Параметры давления воздуха в объемах камер рабочего и холостого ходов дроссельного пневмоударно го механизма навесного молота / А.А. Кутумов, Д.Э. Абрамен ков, Э.А. Абраменков // Изв. вузов. Строительство. – 2007. - № 6. – С. 104-107.
21. Кутумов А.А. Некоторые вибрационные характеристи ки дроссельного пневмоударного механизма навесного молота / А.А. Кутумов, Д.Э. Абраменков, Э.А. Абраменков // Изв. вузов.
Строительство. – 2007. № 7 – С. 89-93.
22. Кутумов А.А. Параметры температуры и удельной эн тропии воздуха в камерах рабочего и холостого ходов дроссель ного пневмоударного механизма навесного молота / А.А. Куту мов, Д.Э. Абраменков, Э.А. Абраменков, Т.Ю. Виговская // Изв.
вузов. Строительство. – 2007. - № 8. – С. 70-75.
23. Кутумов А.А. Обоснование требований создания пнев моударного механизма для технологии разрушения мерзлых грунтов / А.А. Кутумов, Э.А. Абраменков // Актуальные про блемы современности. Международный научный журнал. Кара ганды Болошак-Баспа. 2007. № 1(14). С. 294-296.
24. Кутумов А.А. Особенности систем воздухораспределе ния в пневмоударных механизмах / А.А. Кутумов, Э.А. Абра менков // Актуальные проблемы современности. Международ ный научный журнал. Караганды Болошак-Баспа. 2007. № 2(15).
С. 270-273.
25. Кутумов А.А. Анализ конструктивных особенностей импульсных систем для обеспечения основных параметров пневмоударного механизма / А.А. Кутумов, Д.Э. Абраменков // Актуальные проблемы современности. Международный науч ный журнал. Караганды Болошак-Баспа. 2007. № 3 (16). С. 264 266.
26. Абраменков Д.Э. Штоковые пневматические механиз мы машин ударного действия: дроссельные, струйные, беззо лотниковые, бесклапанные, комбинированные / Д.Э. Абрамен ков, Э.А. Абраменков, Ф.Ф. Кириллов, А.А. Кутумов // Томск:
Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2008. – 435 с.
27. Кутумов А.А. Навесные пневматические молоты для разработки мерзлых грунтов / А.А. Кутумов, Э.А. Абраменков, Д.Э. Абраменков // Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин), 2008. – 376 с.
28. Кутумов А.А. Классификация признаков трубки пнев матического ударного механизма / А.А. Кутумов, Д.Э. Абра менков, Э.А. Абраменков, В.Э. Ладнов // Изв. вузов. Строитель ство. – 2008. №3. - С. 91.-94.
29. Кутумов А.А. Пневматическое устройство ударного действия с дроссельным воздухораспределением и перепуском / А.А. Кутумов, Д.Э. Абраменков, Э.А. Абраменков и др. // Изв.
вузов. Строительство. – 2008. №9. - С. 81-88.
30. Кутумов А.А. Программное и аппаратное обеспече ние экспериментального исследования пневмоударного механизма навесного молота / А.А. Кутумов, Ю.Э. Малыше ва, А.В. Трегубенко и др. // Труды НГАСУ. - Новосибирск:
НГАСУ (Сибстрин), 2008. - Т. 11, № 1 (43). – С. 14-30.
31. Емельянов В.А. Исследование рабочего цикла пневмо ударного механизма с дроссельным воздухораспределением с камерой форсажа холостого хода / В.А. Емельянов, Д.Э. Абра менков, А.А. Кутумов // Изв. вузов. Строительство. – 2008. №11 12. - С. 60-66.
32. Кутумов А.А. Показатели удельной энтальпии воздуха в камерах наддува рабочего и холостого ходов навесного пневма тического молота / А.А. Кутумов, Т.Ю. Виговская, Д.Э. Абра менков, Э.А. Абраменков // Изв. вузов. Строительство. – 2009.
№1. - С. 79-85.
33. Абраменков Д.Э. Бародинамические параметры средств стабилизации энергоносителя пневмоударного механизма с дроссельным воздухораспределением / Д.Э. Абраменков, Э.А.
Абраменков, А.А. Кутумов и др // // Труды НГАСУ. - Новоси бирск: НГАСУ (Сибстрин), 2008. - Т. 12 № 2(45. – С. 11-24.
34. Абраменков Д.Э. Управляемые камеры с присоединен ным объемом в дроссельном пневмоударном механизме / Д.Э.
Абраменков, Э.А. Абраменков, Г.В. Гладышев А.А. Кутумов // Изв. вузов. Строительство. – 2009. №8. С. 89-94.
35. Абраменков Э.А. Некоторые результаты исследований по созданию типоразмерного ряда навесных пневмомолотов с дроссельным воздухораспределением с присоединенным объе мом камеры наддува рабочего хода / Э.А. Абраменков, Д.Э. Аб раменков, А.А. Кутумов // Международная научно-практическая конференция «Интерстроймех-2009» 15-17 сентября 2009: – Бишкек: КГУСТА, 2009. – С. 71-77.