Б а ю - и термодинамика дроссельных пневмоударных механизмов с форсажем и камерой пневматического буфера для строительных ручных машин

На нравах рукописи ВИГОВСКАЯ Татьяна Юрьевна Б А Ю - И ТЕРМОДИНАМИКА ДРОССЕЛЬНЫХ ПНЕВМОУДАРНЫХ МЕХАНИЗМОВ С ФОРСАЖЕМ И КАМЕРОЙ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО БУФЕРА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ РУЧНЫХ МАШИН 05.05.04. Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук 0мск-2002 if-1 0 Работа выполнена в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете Научный руководитель: заслуженный изобретатель РСФСР, хт.н., профессор Абраменхов Эдуард Александрович Официальные оппоненты: хт.н., профессор Галдин Николаи Семенович д.т.н., профессор Смоляницкнй Борис Николаевич Ведущая организация - ОАО Томский электро - механический завод им.В.В Вахрушева Зашита состоится и 27 " ноября 2002г. в 12е0 часов на заседании диссертационно го совета Д 212.250.02 в Сибирской государственной автомобильно-дорожной акаде мии. 644080,г.0мск, пр. Мира 5, зал заседаний совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирской государственной авто мобиль но-дорожной академии. Тел. Для справок: 8(3832)65-03- -Автореферат разослан " 21." октября 2002г.

\ f Щербаков В С.

Актуальность работы. Развитие строительно-промышленного комплекса России связано не только с механизацией большеобъемных и трудоемких процессов, но и технологических процессов, определяемых объемами реставрационных, восста новительных и ремонтных работ. Важное значение при этом уделяется рунным ма шинам, среди которых пневматические машины ударного действия занимают доми нирующее положение Практика применения пневмоударных машин показала, что они являются наиболее пригодными для работы при высоких температурах, в радиа ционных зонах, при высоких ускорениях, интенсивных вибрационных и ударных на грузках. в пожаро- и взрывоопасных ситуациях. Потребность строительного комплек са в ручных машинах в настоящее время в условиях сложившихся рыночных отноше нии покрывается в основном ввозом их из Англии, Германии. США, Японии. Однако, учитывая прогноз последующего развития отечественной промышленности и строи тельного комплекса, следует продолжать развивать исследования, направленные на повышение эксплуатационных характеристик пневмоударных ручных машин отече ственного производства, а также повышения их конкурентоспособности в сравнение с зарубежными аналогами Направленность данных исследований и практических предложений касается интенсификации рабочего процесса и улучшения экологических характеристик пнев матических машин ударного действия (молотков и ломов) для строительства в усло виях Сибири. Исследования этого направления являются актуальными в независимо сти от состояния, подчиненности и задач промышленности, поскольку решают извеч но важную задачу: улучшение условий труда рабочих в сфере материального обеспе чения жизнедеятельности общества.

Основные результаты данного исследования получены при выполнении работы по гранту МО РФ-2000 «Разработка научных основ пневматической машины ударно го действия с форсажем рабочего процесса»(грант ТОО-12.4.27, 2000г.) Цель и задачи исследования. Диссертация посвящена перспективному направ лению в развитии ручных пневматических машин ударного действия, позволяющих создать значительный экономический эффект в строительной отрасли Российской Федерации. Сущность разработок заключается в создании пневматического ударного механизма ручной машины, а также разработке баро- и термодинамической теории дроссельных пневматических ударных механизмов с наддувом и форсажем при фор мировании силового импульса давления воздуха со стороны камер рабочего и холо стого ходов и создание на этой основе новых конструкций машин с заданными улуч шенными эксплуатационными характеристиками.

При выполнении исследований пневмоударного механизма с дроссельным воз духораспределением, камерой пневматического буфера и непроточной камерой фор сажа ставились следующие задачи:

1) установление баро- и термодинамических зависимостей.

2) изучение потенциальных возможностей камер пневматического буфера и не проточной камеры форсажа механизма.

3) установление рациональных параметров рабочего процесса механизма и уточнение методики его инженерного расчету;

4) создание экспериментального образца ручной маппеш^камерой пневмати ческого буфера и непроточной камерой форсажа. и с с л е д о в й т е З ^ З Д г а н и е его в ла V/ бораторных условиях /N Методы исследования. Применен комплексный метод, включающий: аналити ческий обзор и обобщение существующего опыта;

теоретические разработки с ис пользованием методов механики, баро- и термодинамики;

математическое и физиче ское моделирование рабочих процессов с целью установления адекватности рацио нальных соотношений между параметрами дроссельных пневмоударных механизмов, экспериментальную проверку новой машины в лабораторных условиях.

Основные научные положения, защищаемые в работе и относящиеся к пневма тическому ударному механизму с дроссельным воздухораспределением с камерой пневматического буфера и непроточной камерой форсажа:

- физико-математическая модель баро- и термодинамического процесса при формировании силового импульса со стороны камер рабочего и холостого ходов ударника, построенная на основании методов подобия и размерностей, дающая воз можность установить наиболее характерные для данного класса машин баро- и тер модинамические параметры, а также основные показатели качества - удельного рас хода сжатого воздуха и съема мощности;

- система уравнений, описывающая рабочий процесс пневматического ударно го механизма, позволяющая раскрыть закономерности и установить основные соот ношения между геометрическими размерами и энергетическими параметрами, харак терными для пневмоударных машин данного типа;

- зависимости между показателем процесса, расходом воздуха и удельной теп лоемкостью, энтропией, температурой и давлением воздуха в рабочем процессе пневматического ударного механизма;

- метод расчета штематического ударного механизма с дроссельным воздухо распределением, камерой пневматического буфера и непроточной камерой форсажа при использовании рациональных значений параметров, полученных физико математическим моделированием;

- принципиальную схему и конструкторское решение пневматического ударно го механизма, реализованных в конструкции высокоэффективного молотка строи тельного пневматического.

Достоверность научных положений обоснована:

- анализом направлений совершенствования пневмоударных механизмов с воз духораспределением ударником (по патентным материалам за период с 1900 по г.г), а также механизмов с дроссельным воздухораспределением (по патентным мате риалам за период с 1964 по 2001г г.);

- резу льтатами анализа физико-математической модели и численным исследо ванием рабочих процессов пневматического ударного механизма с дроссельным воз духораспределением, камерой пневматического буфера и непроточной камерой фор сажа при формировании силового импульса со стороны камер рабочего хода ударни ка и сопоставлением результатов, полученных известными методиками расчета и мо делирования другими исследователями Научная новизна резу льтатов исследования пневматического ударного меха низма с дроссельным воздухораспределением. камерой пневматического буфера и непроточной камерой форсажа заключается:

- в разработке и применении в исследовании физико-математической модели баро- и термодинамического процесса, позволяющими улучшить качественно и коли чественно энергетические параметры рабочего процесса механизма с одновременным снижением амплитуды колебания корпуса;

- в исследовании и установлении зависимостей между показателем процесса и энтропией, расходом сжатого воздуха, удельной теплоемкостью, температурой и дав лением воздуха в рабочем процессе пневматического ударного механизма;

- в установлении основных соотношений геометрических размеров и энергети ческих параметров пневматического ударного механизма, - в разработке методики инженерного расчета пневматического ударного меха низма с использованием рациональных значений параметров для ручных машин со сниженной вибрацией Личный вклад автора при исследовании пневматического ударного механизма с дроссельным воздухораспределением, камерой пневматического буфера и непро точной камерой форсажа заключается в следующем:

- в разработке и применении в исследовании физико-математической модели баро- и термодинамического процесса, - в исследовании и установлении зависимостей между показателем процесса и энтропией, удельной теплоемкостью, температурой и давлением воздуха в рабочем процессе пневматического ударного механизма:

- в установлении основных соотношений геометрических размеров и энергети ческих параметров рабочего процесса пневматического ударного механизма, - в разработке методики инженерного расчета пневматического ударного меха низма при одноярусном выпуске отработавшего воздуха с использованием рацио нальных значений параметров для ручных машин со сниженной вибрацией;

- в расчете, разработке конструкции, доводке и испытаниях строительного мно гоцелевого молотка пневматического МСП-ЗОФН.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Обоснована и разработана новая принципиальная схема пневматического удар ного механизма с дроссельным воздухораспределением, камерой пневматического буфера и непроточной камерой форсажа при одноярусном выпуске при формирова нии силового импульса со стороны камеры рабочего хода, позволяющая создать ма шину ударного действия с улучшенными эксплуатационными характеристиками Разработана методика инженерного расчета пневматических ударных механиз мов с дроссельным воздухораспределением, камерой пневматического буфера и не проточной камерой форсажа при одноярусном выпуске отработавшего воздуха на любые, практически приемлемые, сочетания энергии и частоты ударов при ограниче нии по удельному расходу воздуха и усилию нажатия с приемлемой амплитудой ко лебаний корпуса.

Создан экспериментальный образец ручной машины с дроссельным воздухо распределением - строительный многоцелевой пневматический молоток МСП-ЗОФН Указанный молоток используется в учебном процессе как наглядное пособие по раз делу "Ручные машины" курсов "Строительные машины" и "Механизация и автомати зация строительства" в НГАСУ (Новоеибирскик государственный архитектурно строительный университет).

По металлоемкости на единицу ударной мощности строительный многоцеле вой молоток выгодно отличается от зарубежных и отечественных аналогов. Себе стоимость изготовления молотка, благодаря конструктивной простоте, может быть снижена вдвое в сравнение с аналогами. Молоток обладает вдвое большим ожидае мым ресурсом, а его вибрационные характеристики (без специальных защитных уст ройств) предпочтительнее характеристик аналогичных серийно выпускаемых молот ков, включая зарубежные. Рассчитаны, созданы и находятся на стадии исследовании и разработок по МНТП РФ "Архитектура и строительство" высокопроизводительные, надежные и удобные в эксплуатации строительные многоцелевые молотки пневмати ческие на энергии единичного удара 8, 12, 16, 20, 25 и 30 Дж. Внедрение молотков в машинные парки строительного комплекса для нужд строительно-монтажных, вос становительных и ремонтных работ даст существенный экономический и социальный эффект.

Апробация исследований. Изложешше в диссертации резу льтаты обсуждались на научно - технических конференциях Новосибирского государственного архитек турно-строительного университета (Новосибирск, 1996-2002г.).

Публикация. По теме диссертации опубликовано 11 статей.

Объем работы диссертация состоит из введения.5 глав, заключения, списка литера туры, приложения и включает 209 страниц основного машинописного текста, в том числе 59 рис., 22 табл., список литературы из 102 наименований на 9 стр., 9 приложе ний на 110 стр., включающие 61 рис и 6 табл.

Введение. Диссертационная работа посвящена исследованию ДПУМ с непро точной камерой форсажа и камерой пневматического буфера (ДПУМ(ФН)). Опыт ис следования и создания пневматических ручных машин ударного действия с дроссель ной системой воздухораспределения показал, что классический ДПУМ может быть использован в качестве достаточно "чистого" инструмента при исследовании баро- и термодинамических параметров пневмоударного механизма, поскольку имеет только одну подвижную деталь - ударник. Указанное обстоятельство позволяет избежать допущений о каком-либо влиянии подвижного воздухораспределителя, а поэтому включение эмпирических зависимостей и информации натурных экспериментов су щественно сокращаются. Исследования ДПУМ(ФН) позволяют дополнить и развить знания о проточных и глухих камерах форсажа, которые могут быть использованы в практике повышения эффективности рабочего цикла ПУМ с золотниковами, клапан ными и другими средствами воздухораспределения.

Глава 1 содержит анализ материалов о применении ручных машин ударного действия в строительстве. Рассмотрены направления исследований пневматических ручных машин ударного действия. Дан обзор моделей и методов расчета пневмо ударных механизмов Теоретическому и экспериментальному исследованию рабочих процессов ПУМ и машинам на их основе, посвящены работы А.М.Ашавского, Б.Б.Бежанова, А.П.

Германа, В.Н.Киселева, Н.А.Клушина, С.К.Конюхова, А.Н.Крюкова, В.ММосткова, А.М.Петреева, Ю.Н.Попова, Б.Н.Смоляницкого. Б.В. Суднишникова, Х.Б.Ткача.

Н.А.Филимонова и других отечественных ученных. Существенный вклад в разработ ку пневмоударных механизмов с дроссельным воздухораспределением внесли работы Н.А.Клушина, Э.А.Абраменкова, Г.Ф.Тимофеева, В.Ф.Корчакова, АХ.Богаченкова, Д.Э.Абраменкова, Р.Ш.Шабанова Целью предлагаемых исследований является разработка нового эффективного направления в развитии ДПУМ с непроточной камерой форсажа ДПУМ(ФН), доста точно точный расчет ДПУМ(ФН). исследования баро- термодинамики рабочих про цессов ДПУМ, что обеспечит создание на этой основе типоразмеркого модульного ряда высокопроизводительных, надежных, с улучшенными вибрационными и шумо выми характеристиками пневматических ручных машин ударного действия многоце левого применения.

В главе 2 дано обоснование выбора принципиальной схемы пневмоударного ме ханизма. Для получения достаточно корректных сравнительных результатов, пневмо ударный механизм должен иметь: а) постоянную наладку и настройку на рабочие ре жимы механизмов с сохранением геометрических параметров камер (средств форми р о в а т ь силового импу льса) и проходных сечений каналов средств обеспечения впуска, перепуска, запуска, форсажа и выпуска б) соответствующие энергетические параметры исследуемых пневмоударных механизмов по пунктам (энергия и частота ударов, общий расход воздуха, усилие нажатия) не отличаются между собой более чем на 10%;

в) параметры воздуха, подводимого к дросселям впуска и атмосферного на выпуске для сравниваемых механизмов идентичны.

Баро- и термодинамические и эксплуатационттые характеристики рабочего про цесса ДПУМ рассматриваются в трех аспектах изменений:

Плавление и расход воздуха, состояние (p-V) и показатель процесса;

2)температура, удельная теплоемкость и энтропия (S-0);

3)энергия и частота ударов, колебание корпуса и шум выпуска.

Обсуждение результатов исследований ДПУМ осуществляется в перечисленной последовательности и оценивается соответствующими критериями.

Поставленным целям, как показал анализ признаков классификаций средств обеспечения работоспособности ПУМ, отвечают три принципиальные схемы пневмо ударных механизмов, представленных на рис.1.

С учетом обоснования выбора принципиальных схем ДПУМ, для исследования составлена расчетная схема синтезированного ДПУМ (рис.2), включающая все конст руктивные и динамические признаки принципиальных схем(рис. 1а,б,в).

При составлении описания процесса, приняты обычные для пневмоударных ма шин допущения: 1)состояние газа подчиняется уравнению Клапейрона;

2) движение газа по каналам является квазистационарным. 3Технические характеристики возду хопроводящих дросселей являются совершенными и их коэффициенты расходов воз духа приняты равными единице;

4)параметры газа в водухоподводяшем тракте и ок ружающей среде в процессе работы ПУМ (машины) остаются неизменными;

5)перетечки через зазоры между ударником и корпусом не учитываются;

6)выравнивание параметров газа в рабочих камерах происходит мгновенно;

7)теплообмен между рабочим телом, стенками машины и окружающей средой отсут ствует;

8 вследствие малости массы ударника ручной машины, силы собственного ве са и трения ударника о стенки корпуса не учитываются;

9) результирующая от сил давления сжатого воздуха в рабочих камерах ПУМ одинакова для ударника и корпу са;

10) инструмент защемлен в работопоглотителе, 11) импеданс системы "'работопоглотитель - инструмент - корпус - средства нажатия" обеспечивается си лой нажатия, приложенной к корпусу;

12) изменение скорости ударника и корпуса при соударении их с инструментом происходит мгновенно;

Аналитический обзор работ показывает, что в общем случае процесс изменения термогазодинамических параметров в рабочих камерах пневматических машин явля ется политрогтным, то есть протекающим при переменных значениях давления, тем пературы и объемов: pt*Const% Qi*Consi, Vi*Const.

сеть ро,©о Баро- и термодинамические части уравнении для ДПУМ(ФН) согласно принципиаль ного технического решения на рис 16 будут иметь вид:

[w(°*OPfo ~ ~= А dt " Р* } Pi f v vM (k ),р '+ % ^jJbd"'*^ - 3 ( 1 ) обозначены: W - j2kR!(k -1);

xyS - перемещение и площадь диаметрального сечения ударника;

У Г У Х ~ объемы камер рабочего и холостого ходов, РрРхР»*®г*®ху&» " соответственно давления и температуры воздуха в камерах ра бочего и холостого ходов и атмосфере;

(о ю.(о xv - п о щ а д и проходных сечений дрос сельных каналов впуска воздуха из сети в камеры рабочего и холостого ходов;

vp, vx площади проходных сечений дроссельных каналов выпуска из камер рабочего и хо лостого ходов;

Рфо*Рю И Офо*Ою с заменой индекса (io) на (фо), софа, (Оф, - площадь сечения дроссельного канала впуска в форсажную камеру из сети и из форсажной ка меры в камеру наддува рабочего хода;

Уф, - объем камеры форсажа, &ф{ - давле ние и температура воздуха в камере форсажа.

при 0.5283 Ир. / yр.., 02588р^ pi Ql :

]И 2/k k 1)/k ! ф^ P. ' V * ф' P V P И ~ '( VP n Фp У/ у J + при 0 5283 zp / рф1 1.

-0.2588р пои 0.5283 И.. / И.

р р r piV pi ' ф1 pi /п \ 2 / к /л P л Jk+J)/k п 5Г" 7 л piylP1 V f ~(P? P'J ' Р* при 0.5283 p.t/ ppi /.

при 0.5283 р./po 0. P ofciP'P°)2'k -ЩРо)(к+1)"' "Г" 0.5283* р./ро1.

(Р. ~ ю при 0.5283 р^ /р., - 0 21588p.j9~ при 0.52S3 й ро / р. У, к-е./е пРи р, п Q =, / о io I к-Ь при РЮ 0;

где /о, / - индексы заменяются соответственно для камер рабочего (на ро, р) и холо стого (на jко, х) ходов;

при 0.5283 р. (ра, -0.2588/^ -PaJeah' P 2/k + a) ^ 0.5283 ^. / ^ 1, р. =• ia 0.2588/?. /ёГ при 0.5283 pj Р г при 0.5283 р^/p. 1;

^,V 7 0 ' k - 0 i / 0 о лр* r a П = ia кпри (?ш * O.

0 /три + (Bx-(x^L))z, при Hx(x + L)Bx, (Bx-Hx)z3 при (x + I ) * ^ ;

0 л/л/ (x-Hx)zB при НххВх, x (Bx-Hx)z3 при хгВх;

Q = при Р^йО.

к-I;

Отметим, что в представленном физико-математическом описашш (1) опущены уравнения для рш», р11Б, 0 Н р, 0ць, которые представлены в виде обобщенных рР и ©Р Поэтому:

при (x + L)*Ep, и, (Е -Е ):, при (x+L)ZEx, Р Ф Ф' при Ех (x + L)Ep, fp-xhLzp при (x + L)Bx, пб/ up ф при (x+L)Ex, V - ^' n при (x + L)E V r, Соответственно для рр и ©р р нр=рф=рп6} "Ри (x+L)ZBx, при (x + L)Ex, р ф=рпб при ( х+ !,)_ Ер;

Р пб при (x + L)$Ex, в = в. =в у ф пб Р при ( х + L Ер.

в пб Систему баро- и термодинамических уравнений (1) дополним уравнением дви жения ударника и восстановления его исходного положения при х0 в виде:

dx с/ ' (2) — = —S(px - pF) при х^О, ш ту Глл.(Ь\ (3) при где м -масса ударника;

^ к о э ф ф и ц и е н т отскока ударника от инструмента.

Уравнения рабочего процесса ДПУМ(ФН) (1), (2) и (3) дополним уравнениями движения корпуса и восстановления его исходного положения при хг 0 в виде d'xx ' {( SM)px-S рА~ра) п (4) Р" m— = i Jt при хК = 0, (5) I dt.io ' где тк - соответственно перемещение и масса корпуса;

кК - коэффициент отскока корпуса от буртика инструмента при усилии нажатия FH на корпус.

Уравнения (4) и (5) предназначаются для оценки перемещения корпуса ДПУМ(ФН) и прогнозируют его вибрационную характеристику (по перемещению хКу dx скорости u t = —— и ускорению а к = '— )ч.

K dt dt' Аналогично из (2) и (3) определяются скорость иу и ускорение ау ударника:

d2x dx u9 = — и av = —г.

v dt dt Прогнозирование шумовых характеристик ДПУМ представляется возможным вьшолнять по аналогии с ранее предложенным подходом и методом по давлению воз духа {piB) на выпуске или среднему его давлению {рю) по пути:

Рв =(2/3X/V - P o ) + (2/3)V(/'c +1PcP*\ (6) РвРс*Р• * соответственно давления воздуха на выпуске, среднее и максимальное (близкое к сетевому).

Прогнозирование экономичное ги ДПУМ(ФН) вполне корректно осуществляет ся подсчетом массового количества воздуха, поступившего в рабочие камеры за ха рактерный промежуток времени, например, за цикл:

га*Т Gt = \ m ( 7 ) «о где to, Т - время отсчета и полное время цикла (*о=0);

«= 1/0 о прирю 0, 1/0, прирю 0.

Если же в камеру рабочего хода впуск воздуха осуществляется только посред ством камеры форсажа (рис. 16, рис.2), то расход воздуха ДПУМ(ФН) за цикл равен:

0 = С,+Сх=0„+Сх. (8) Расход воздуха подсчитан на выпуске из рабочих камер:

ь+т G, = \WR-\ v j j t, (9) 'о 1/6, при р„ъ0.

где «Я. = 1/6а при (рш 0.

Физико - математические описания ДПУМ и ДПУМ(ФП), используемые для сравнительной оценки с процессом ДПУМ(ФН) выполнены аналогичным образом, включены в общ\то программ) расчета и обращение к ним производится при необхо димости, однако в данной работе описания рабочих процессов указанных механизмов опущены Программа расчета ДПУМ(ФН) приведена в приложении 3 к основному тексту диссертации.

В главе 3 рассмотрены критерии и параметры оценки рабочих процессов дрос сельных пневмоударных механизмов. В соответствии с поставленными задачами ис следований, примем в качестве критериев съем мощности с единицы площади ударника *H=N/(pu y S)\ (10) удельный расход воздуха qG=G/N\ (11) амплитуду перемещения корпуса x r = rj/m K ;

(12) звуковое давление воздуха на выпуске »'r=20lg(pB-pJ. (13) В ( Ю Н 13) обозначены:,V- ударная мощность;

р 0 - давление воздуха в сети;

и - предударная скорость ударника;

S - площадь диаметрального сечения ударника;

G расход воздуха за цикл;

rj = (l- (Ря /(p0S)))(2ту (l+kyj*N/ip9S - коэффициент про порциональности между подводимой и отводимой энергией к корпусу, вызывающей его перемещение;

ту тк - масса ударника и корпу са ;

Fh - сила нажатия на корпус;

i - частота ударов;

ку - коэффициент отскока ударника от инструмента;

ръ s(2/3J((Ро~ Рс )+(Рс +ЗРс РоУ 2) ' давление воздуха в начале выпуска из ка меры, полученное из выражения зависимости для среднего давления рс по пути ударника;

ра -атмосферное давление Предварительные исследова!гия рабочего процесса ДПУМ(ФН) показали, что для оценки баро- и термодинамических процессов на инженерном (прикладном) уровне, можно воспользоваться параметрами, поясняющими причину и следствие ки нетики процессов во времени и пространстве. Для указанных целей приняты законо мерности изменения параметров:

- давления воздуха р, = p(t),pf = p(Vt);

(14) - расхода воздуха G, =G(t);

(15) - температуры и удельных теплоемкостей 9^вО).сР1^с(1),сг^сО);

(16) - удельной энтропии процесса S, = S(G,),S, = S(t);

(17) -показателя процесса n,~n(t). (18) В (14)-(15) обозначены: р, - давление воздуха в камере с объемом V:;

Si - тем пература воздуха в камере;

с& су, - удельные теплоемкости воздуха в камерах соот ветственно при p'Cunst и V-Const;

St - энтропия процесса в камере;

nt - показатель процесса (политропа);

t - время.

Перечисленные параметры и зависимости (16Н18) рассчитывались по отдель ным программам. Исходными данными для указанных расчетов служили параметры, полученные при решении систем уравнений, описывающих рабочий процесс ДПУМ О Н ? ) с соответствующими ограничениями.

Так, расчет термодинамических параметров и построение зависимостей (p-V), (SSj осуществлялись по следующим уравнениям:

(19) Srtrj) ' CP(PJ) ^tPJC) + dbfPJC) ^Р(ГЛ)' d&frjTf; j (20) S C * dVfPjc)' 4РЛ)/d&PX;)J VPJC) - VPJC) d&tPJC;) n (P JTl = CP{PJ) / CV(PJC) P*) В (19)-(21) обозначены: c?(fjC),cV(PjCt,Sr(rX),Sy(Pj[) - удельные теплоемкость и энтро пия соответственно для камер рабочего и холостого ходов при постоянном давлении и при постоянном объеме;

п(ГJC) - показатель процесса для камер рабочего и холосто го ходов.

Расход воздуха подсчитывался по зависимостям (7) и (9), а показатель процесса (политропа) по зависимости:

(22) dt Практически с помощью выражения (22) можно вычислять мгновенное значе ние п на каждом шаге интегрирования, что и было реализовано в физико математической модели в данном исследовании.

Контроль решений системы (1) осуществлялся сближением (±10%) результатов расчета расхода воздуха по (7) и (9), а соответствие параметров (14)-(16) и (18) - по графическому представлению функции x=x(t), которое "накладывалось" на времен ные зависимости других параметров одновременно.

Сопоставление осциллограмм рабочего процесса показало хорошее качествен ное совпадение исследуемых процессов. Характер изменения давления воздуха в ка мерах молотка при устойчивых режимах работы, как показало изучение множества осциллограмм, указывает на стабильность (устойчивость и надежность) рабочих цик лов для каждого из режимов. При расчетных размерах выпускных трактов обеспечи вается практически полное опорожнение рабочих камер ДПУМ(ФН). Максимальное расхождение абсолютных значений давления воздуха в характерных точках его изме рений не превышает 7%. Для камеры холостого хода это расхождение не превышает 3%.

Глава 4 рассматривает результаты численного исследования баро- и термоди намических параметров процесса наддува, пневматического буфера и форсажа в ка мерах дроссельных пневмоударных механизмов.

Как следует из результатов исследований, в пневматических машинах ударного действия температура сжатого воздуха (рабочего тела) является следствием измене ния его давления То есть, изучение кинетики процесса преобразования энергии сжа того воздуха в кинетическую энергию ударника, приобретает большую информатив ность, если параллельно с диаграммами (p-V) будут рассмотрены диаграммы* S-в), а также зависимости этих показателей во времени (/) одновременно с удельными тел лоемкостями С/* Сг$ и показателем процесса (л).

Диаграммы (S-0)PJC В камерах рабочего и холостого ходов ДПУМ(ФН) пред ставлены на рис.За и 36 соответственно, а для камеры форсажа (Б-0)Ф на рис.4а. (S-t)$ на рис.4б.

Учитывая достаточно высокую корректность идеализации расчетных схем и физико-математического описания рабочих процессов ДГГУМ, ДПУМ(ФН) и ДПУМ(ФП), можно считать, что объемы непроточной камеры форсажа и проточной камеры форсажа в период основного времени формирования силового импульса от давления воздуха в объеме несмотря на физические различия функционирования камер форсажа в ДПУМ(ФН) и ДПУМ(ФП) при значительных соФН » а)со и й)ФП » аф0У не оказывает существенного влияния на результат процесса.

Это позволяет сделать вывод о существенном влиянии на конечный результат рабочего процесса начального периода движения ударника при рабочем ходе в объемах камер частичного наддува и пневматического буфера Vгш. Такое влияние обусловливается более высоким значением давления воздуха в начале движения ударника при рабочем ходе, а следовательно, и большим приращением его скорости Представляет теоретический и практический интерес информация о качествен ных и количественных изменениях в (p-V) - диаграммах рабочего процесса ДПУМ(ФН) в зависимости от изменении соотношений: а ФН = /оХ9;

ЛФН, Ух, J он = hF / h x и р 9. На рис. 3-6 представлены совмещенные (p-V)-диаграммы для указанных соотношений.

При prConst, л=const, j-const и изменениях а от 1,39 до 2,29 качественно и количественно (p-V) - диаграмма изменяется несущественно на всех характерных участках процесса (рис.5). С позиций улучшения энергетических характеристик ДПУМ(ФН), рациональным является процесс при а=2,29. Улучшения вибрационных и силовых характеристик ДПУМ(ФН) следует ожидать при а=1,76.

При po'Consr, афн-consi, jфн^-const и изменениях Аде от 5 до 7, качественно и количественно (p-V) - диаграмма изменяется несущественно на всех характерных участках процесса при /.#/=6..7 (рис.6). При а#/=5 наблюдается после разобщения рабочей и форсажной камер "петля", характеризующаяся повышением рр до 0,65 МПа при р0=0,6 МПа, что приводит к резкому торможению ударника в камере пневматиче ского буфера без доступа воздуха из форсажной камеры (или из сети). Прилф//=7 ра бочий процесс ДПУМ(ФН) предпочтителен с позиции повышения энергетических ха рактеристик, однако увеличенный объем Унр~ Упе требует повышенного расхода воз духа. По конструктивным соображениям, рациональным является /.ф#=6, при котором снижение энергии и частоты ударов представляется возможным компенсировать уменьшением размеров камеры пневматического буфера: уменьшение размеров и массы ручной машины.

При po=const, olph=const, / w - c o n s t и изменении от 1,35 до 1,55 качественно и количественно (p-V) - диаграмма ДПУМ(ФН) характеризуется изменением ее очер таний после перекрытия форсажного канала в конце холостого хода до открытия и сообщения камер между собой в начале рабочего хода (рис.7).

При меньших значениях j ^ / наблюдается "петля", что характеризует рабочий процесс, подобный при увеличении Офи и снижении Хфн. Такие настройки менее предпочтительны для реализации в ручных машинах, а поэтому значение следует считать рациональным для ДПУМ(ФН).

При a^H^const, ).фН=сом1 j&^const и изменении р0 от 0,4 до 0,7 МПа качественно и количественно (p-V) - диаграмма ДПУМ(ФН) претерпевает существенные изменения (рис.8). С позиции повышения энергетических характеристик, увеличение р0 в 1, раза позволяет увеличить энергию единичного удара в 2,28 раза, а частоту ударов в 1.23 раза. При этом расход воздуха возрастает в 1,99 раза, однако уделыпли расход снижается до 1,43 раза и ДПУМ(ФН) характеризуется приемлемой экономичностью по затратам энергоносителя на единицу' ударной мощности. Отметим также, что ско рость соударения ударника с инструментом с увеличением р0 от 0,4 до 0,7 МПа уве личивается в 1,51 раза, съем мощности с единицы площади ударника повышается только в 1,06 раза. Если же применить для оценки съема мощности с единицы площа ди ударника или объема камер, то значения указанных удельных пара- метров будут более правдоподобными:

ss = 4IJ4...117,02 (в 2,8 раза) и Еу = 1J4...4.31 (в 2,8 раза при Vr = Vm +V,a) или ey = 1,32...3,691 (в 2,8 раза при Vz = Vr+Vx), что является более корректной оценкой.

Для ДПУМ(ФН) выполнен анализ зависимостей:

X = х(р0),и = и(р0),А = A(pJ,Gm =G(PoJ.N = N(pJ,qG =q(p0),ss = e(p0J при неизме няемых Jw = 1,45;

аф = 25;

ЛФМ ^б.О. Л^ = 3,4;

аФЯ = 17б:лф - 7. Зависимости рассматри ваются при изменении давления сжатого воздуха, подводимого к дросселю впуска р0 = 0.4,-0.5;

0.6МПа.

Поскольку* известны аналогичные зависимости хтя ДПУМ и ДПУМ(ФП), по кажем их в сравнение с ДПУМ(ФН) Зависимости для указанных значений У*,-6**, Д представлены графиками на рис. 9-12. На эти же графические за висимости "наложены" изменения удельных критериев оценки: qG и ss (рис. 10,11), а исследуемые параметры представлены в размерностях для исследуемых дроссель ных ПУМ с указанными настройками.

Исследование зависимости ху = х(р0) (рис. 11) показывает, что во всём диапа зоне задаваемых р0 от 0,4 до 0,7 МПа, перемещение ударника изменяется от 0,111 м до 0,12 м, что составляет незначительное (до 8,1%) увеличение его хода при сущест венном (до 1,75 раза) увеличении р0 Данные показатели для ДПУМ(ФН), ДПУМ и ДПУМ(ФП) близки при 0,6 и 0,7, то есть х^ « ху « х^, а показатели при 0,4 и 0, Vina для ДПУМ(ФП) увеличиваются незначительно (до 3,5%).

Зависимости и^ = и ( р 0 ) (рис.9) показывают, что скорость ударника ДПУМ(ФН) возрастает от 9,6 м/с до 14,92 м/с, что составляет увеличение показателя до 1,55раза. В сравнение с ДПУМ(ФН), скорость ударника в ДПУМ возросла на з,63% и снизилась на 0,29% в ДПУМ(ФП) в диапазоне (0,5...0,7) МПа, однако при 0, МПа скорость ударника выше на 8,3%.

Зависимость А = А(р9) (рис.9) обусловлена при ту - т^ - туП только скоро стью ударника, что также подтверждается их тенденцией изменения Так, в диапазоне изменений р0 от 0,4 МПа до 0,7 МПа, энергия единичного удара для ДПУ М(ФН) увеличивается с 16,3 Дж до 38,9 Дж (до 2,39 раза) при увеличении р0 в 1,75 раза. В сравнение с ДПУМ и ДПУМ(ФП), энергия единичного удара в ДПУМ(ФН) при 0, МПа ниже до 1,5% и до 14,6% соответственно Однако при давлении от 0,5 до 0, МПа энергия удара у ДПУМ(ФН), в сравнение с ДПУМ уменьшается до 5,7% и уве личивается в сравнение с ДПУМ(ФП) на 2,6%.

Имеющие место различия по х.и.А указывают на различие реализуемых про цессов, обусловленных различием принципиальных схем дроссельных ПУМ Физиче ским объяснением протекающих рабочих процессов является, на наш взгляд, мень шие потери внутренней энергии в ДПУМ в сравнение с ДПУМ(ФН) из-за промежуточного расширения - сжатия воздуха в форсажной камере и, тем более в ДПУМ(ФП) из-за дополнительного сжатия - расширения воздуха при перепуске его из форсажной камеры по каналу перепуска в камеру частичного надду ва рабочего хода. При низком сетевом давлении (р0=ОА МПа) указанные причины менее чувствительны на изменение х(р0),и(р0) и А(р0), и предпочтение может быть отдано процессу изменения pr(t) при введении дополнительного количества воздуха в камеру наддува в период перекрытого канала форсажа, что предопределяет, гж. io в сравнение с ДПУМ(ФН), повышение maxрт среднего давления воздуха в рабочей камере и более высокие скорости в начале разгона при рабочем ходе ударника Анализ изменений следственньгх параметров Gm,N,i, в функции от р (рис. 10,11) показал, что они имеют близкую к линейной зависимость. На рис. 10 зави симость Л-Л(р9) приведена для сопоставления с зависимостью Ся = G(p0), кото рые показывают на качественно близкие процесс*! их изменения. То же следует отме тить и о сопоставимости их с N = N ( p 0 ) (рис.11). Это косвенно подтверждает незави симость рабочих процессов дроссельных ПУМ от изменения температуры и полное подчинение процессов изменению давления воздуха в рабочих камерах, что отмеча лось нами при анализе (p-V) диаграмм, рассматриваемых механизмов Изменение расхода воздуха в ДПУМ(ФН) прн изменении его давления от 0, до 0,7 МПа приводит к возрастанию от 0,0253 кГ/с до 0,0514 кГ/с (в 2,03 раза при воз растании давления в 1,75 раза). В последующем диапазоне изменения р0У показатель съема мощности еы возрастает с 0,100 до 0,118 (в 1,18 раза), достигая maxss при р 0 =0,6 МПа. При других фиксированных значениях параметров значе ния как показали исследования, будут изменяться и координата (отметка) тахеы может смещаться в плоскости s ( p 0 ).

Сравнение параметров Gm(р0) и еы(р0) ДПУМ(ФН) с аналогичными парамет рами показало, что при р0 =0,4...0,46 МПа предпочтение следует отдать ДПУМ(ФП), а при р0 =0,46...0,7 МПа - ДПУМ, однако по совокупности параметров целесообраз но применение ДПУМ(ФН), имеющего лучшие значения по Gm(p0) и средние по eN(Po) и MPJ' О^ KG^ Gm;

s^ *л7/ sw;

АПАЯА.

Частота ударов ДПУМ(ФН) в диапазоне значений р0 от 0,4 до 0,7 MI la увели чивается с 26,04 Гц до 32,26 Гц (до 1,24 раза), а в сравнение с ДПУМ и ДПУМ(ФП) уменьшается соответственно до 1,2% и 0,5%(рис.11): i M г фп /.

Удельный расход воздуха ДПУМ(ФН) при этом снижается с 6,0 10"5 кГ/с-В г до 4,41 10" кГ/с-Вт (до 1,46 раза), а в сравнение с ДПУМ и ДПУМ(ФП) увеличивается соответственно до 4,9% и уменьшается до 2,3% (рис. 11) для р0=0,7 МПа:

Я с Яон Яс.п и оставаясь для р0-ОА МПа в зависимости: qaqCH qCJJ. Ударная мощность ДПУМ(ФН) при этом повышается с 424,59 Вт до 1260,27 Вт (до 2,97 раза) ли* МПа: NnNtt оставаясь для /?г=0,4 МПа в зависимости:

N N n N n (рис 12).

Физическим объяснением изменениям указанных параметров являются взаи мосвязанные изменения х(р0) и и(р9)у которые в свою очередь, являются следстви ем изменения причинных параметров А*н и.

В главе 5 приведена качественная оценка эксплуатационных характеристик дроссельных ггневмоударных механизмов В скобках табл.1 приведено условное обо значение параметра: расхол воздуха массовый (G m ) \ удельный массовый расход воз Духа (Яа) \ сьсм мощности с единицы площади ударника ( e s j \ частота ударов (i);

скорость ударника (иу J;

ход ударника s габаритный ход (хг );

энергия единичного удара ( А ) ;

ударная мощность (N) \ вибрационные характеристики (В)\шумовые ха рактеристики (Ш)\ сила нажатия на корпус молотка (FH).

В столбцах и строках таблицы знаком плюс (+) обозначены улучшенные (пред почтительные) показатели характеристик, знаком минус (-) - худшие (не предпочти тельные) показатели.

Общий вывод из анализа табл. 1 следующий:

1. ДПУМ(ФП) и ДПУМ(ФН) обладают несущественными различиями по параметрам В,хг,FH.Ш при равенстве i,A и Gm, 2. ДПУМ(ФН) и ДПУМ(ФП) предпочтительны по B,Fa,III в сравнение с ДПУМ, то есть в вибрационном, силовом и шумовом аспекте наличие в ДПУМ фор сажных камер (реализующих процесс форсажа) предопределяет улучшенные сани тарно-гигиенические (экологические) условия эксплуатации пневматических ручных машин ударного действия.

Таблица ДПУМ ДПУМ(ФН) ДПУМ(ФП) ДПУМ •Kqc.EN,J,uy.A,N) -KqcSH^UyAN) 1 4G m,B,m,x r,F„) 4G m,B.III,x r,F H ) ДПУМ(ФП) •KG.B,m.xr.F„) 40 | t 4qo,EN,i,Uv,A,N) 1 4Gro,B,m,qG,SN,Uy,A,N,xr) ДПУМ(ФН) +Gm,B,nUr,FH) -KGmBIU,qc,SH,uv,A,N,x r ) t -(qo,EN.i.Uv,A,N) ДПУМ(ФН) отличается от ДПУМ(ФП), как это следует из результатов их ко личественных и качественных исследований функциональной особенностью: зарядка камеры форсажа осуществляется без отбора из неё части воздуха во время её разоб щения с камерой формирования силового импульса (камерой наддува или иной каме рой), чем увеличиваются потенциальные возможности рабочего процесса пневмо ударного механизма и машины в целом. Данное техническое решение можно распро странить и на механизмы клапанного и золотникового типов, однако это потребует соответствующих исследований.

ДГГУМ(ФН) позволяет увеличить более чем в 2 раза коэффициент использова ния машины в условиях отрицательных температур;

снизить стоимость обслуживания машин у потребителя до 20%, а ]акже увеличить общую производительность на ма шину за счет форсажа (повышения интенсивности) рабочего процесса. Санитарно гигиенические условия эксплуатации машин предпочтительны также в сравнение с машинами с другими типами воздухораспределения.

Повышение экономичности ручных машин ударного действия отвечает зада чам рационального использования энергоресурсов во всех отраслях и в особенности в строительном комплексе Сибири. Представляется актуальным дальнейшее исследо вание рабочих циклов ДПУМ(ФН) с целью их интенсификации, а следовательно, по вышения их экономичности.

Научное направление в развитии пневмоударных механизмов с форсажем ра бочего процесса вне зависимости от системы воздухораспределения позволит создать значительный экономический эффект как в области изготовления, так и в области эксплуатации ручных машин.

Новые научно - технические знания, полученные в результате исследований следующие 1. Процесс форсажа при формировании силового импульса в системе с каме рой пневматического буфера позволяет получить достаточно надежную и устойчивую форму и содержание рабочего цикла, в направлении улучшения его энергетических, вибрационных и силовых характеристик.

2. Координаты начала и окончания "зарядки" сетевым воздухом непроточной камеры форсажа существенно влияют на баро- и термодинамические процессы в ка мерах рабочего хода пневмоударного механизма.

3. Температура воздуха в замкнутых обьемах непроточной камеры форсажа, камерах пневматического буфера, наддува холостого хода по форме (очертанию) близки к формам изменения давлении воздуха в них: в объеме камеры наддува холо стого хода в начале выпуска минимальная температура воздуха понижается в сравне ние с атмосферой (на 50^К), в объеме камеры пневматического буфера максимальная температура воздуха выше (на 20°К) в сравнение с ее значением в непроточной каме ре форсажа.

4. Баро- и термодинамические процессы в замкнутых объемах непроточной камеры форсажа, камерах пневматического буфера, на участках наддува рабочего и холостого ходов являются политропными и при изменяющихся удельных теппоемко стях описываются показателями процесса, близкими по среднему значению соответ ственно: 1,15;

1,14;

1,44;

1,13.

5. Рациональные баро- и термодинамические условия протекания рабочего процесса в дроссельном пневмоударном механизме с непроточной камерой форсажа и камерой пневматического буфера со стороны камер рабочего хода определяются со отношениями: суммарного объема камер рабочего и объема камеры наддува холосто го хода - 5...7 и проходных сечений дросселей впуска их питающих - 3,0...4,5;

объе мов непроточной камеры форсажа и камеры пневматического буфера - 4,0...2,8;

объ ема камеры наддува рабочего хода и пневматического буфера - 2,0...2,2;

суммарного объема камер рабочего хода и камеры непроточного форсажа - 3,5..4,5;

проходных сечений канала форсажа и дросселя впуска в непроточную камеру форсажа - 20... 6. Предложено физико - математическое описание рабочего процесса машины с дроссельным пневмоударным механизмом, включающим средства формирования силового импульса со стороны камер рабочего хода в виде непроточной камеры фор сажа и камеры пневматического буфера, а также методика его расчета, позволяющие раскрыть закономерности, характерные хтя пневмоударных машин данного типа Другие положительные результаты применения в дроссельном пневмоударном механизме камеры пневматического буфера и непроточной камеры форсажа: устой чивость рабочего процесса при выравнивании давлена": воздуха в непроточной каме ре форсажа и сети к моменту открытия форсажного канала, что обеспечивает благо приятную форму силового импульса, обуславливающего со стороны камер рабочего хода улучшение вибрационных характеристик корпуса механизма;

камера форсажа, являясь функционально проточной камерой в период сообщения камер рабочего хода между собой и атмосферой, является также промежуточной встроенной камерой глу шения, что способствует плавному снижению давления воздуха в потоке на впуске и снижению шума выпуска отработавшего воздуха.

Положительные эксплуатационные качества молотка МСП-ЗОФН с непроточ ной камерой форсажа и камерой пневматического буфера подтверждены лаборатор ными испытаниями, а его экономическая эффективность подтверждена расчетом, вы полненным на основе соответствующих методик, применяемых для установления эффективности новой продукции.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах автора 1. Виговская Т Ю. Выбор геометрии средств воздухораспределения пневматического механизма ударного действия. Сб-к научных трудов: Повышение эффективности средств и методов механизации и автоматизации строите льства./Отвред.

Э А Абраменков -Новосибирск НГАС, 1996-Выл 1. Часть 1.-C.53-64.

2. Виговская ТЮ. Соотношения динамического подобия дроссельных пневмоудар ных механизмов. Сб-к научных трудов Повышение эффективности средств и мето дов механизации и автоматизации строительства./ Огв ред. Э.А. Абраменков -Ново сибирск: НГАС. 1996.-Вып. 1. Часть 2.-C.28-36.

3.Абраменков Д.Э., Абраменков Э.А., Виговская Т.Ю., Шабанов Р.Ш. Критерии оценки пневматических механизмов машин ударного действия. Изв. вузов. Строи тельство, 1997, №9. -с.97-101.

4. Абраменков Д.Э., Абраменков Э.А., Виговская Т.Ю., Малышев С.А., Шабанов Р.Ш. Дополнения к классификации признаков пневматических механизмов ударного действия и их анализ. Изв. вузов, Строительство, 1997, №11.

5. Абраменков Д.Э., Абраменков Э.А., Виговская Т.Ю., Шабанов Р.Ш. Динамика ра бочего процесса дроссельного пневмоударного механизма с форсажем. Изв. вузов, Строительство, 1998, №2. -с.100-106.

6. Абраменков Д.Э, Абраменков Э.А., Виговская Т.Ю., Шабанов Р.Ш. Результаты численного исследования влияния средств формирования силового импульса и фор сажа на энергетические характеристики дроссельного пневмоударного механизма.

Изв. вузов, Строительство, 1998, X28.-c.98-103.

7. Малышев С.А., Виговская Т.Ю., Абраменков Д.Э., Шабанов Р.Ш. Изменение удельных характеристик пневмоударного механизма с форсажем в зависимости от влияния давления воздуха на впуске. Изв. вузов, Строительство, 1998, 1-12.-с. 101 103.

8. Абраменков Д.Э., Абраменков Э.А., Виговская Т Ю, Надеин А.А. Теоретические основы пиевмопробойника дтя проходки лидерных скважин в грунтовых средах. Изв.

вузов, Строительство, 1999, Xtf.-c.l 11-120.

9. Виговская Т.Ю., Абраменков Д.Э., Абраменков Э.А, Серохвостов СА. Динамика рабочего процесса дроссельного пневмоударного механизма с непроточной камерой форсажа. Изв. вузов, Строительство, 2001, №1.-с. 86-91.

10 Виговская Т Ю, Абрамапсов Д.Э., Шабанов Р.Ш Сравнительная сценка энерге тических характеристик дроссельного пневмоударного механизма с непроточной форсажной камерой. Изв. Вузов, Строительство, 2001, №4.-с. 108-114.

11 Абраменков Д.Э., Абраменков Э.А, Аньшин В В., Виговская Т.Ю., Серохвостов С. А. Качественная оценка работы воздуха в рабочих камерах дроссельного пневмо ударного механизма// Изв. вузов, Строительство, 2001, №5.'-с 87-90.

12. Абраменков Д.Э., Абраменков Э.А, Виговская Т Ю, Захарова Г.В., АньшинВ В., Малышева Ю.Э, Чичканов В.В Давление, расхсд воздуха и показатель процесса в камерах наддува пневматического механизма машины ударного действия;

'/ Изв. вузов.

Строительство, 2002, №4 с.96-103.