Повышение эффективности отбойного гидравлического молота строительно-дорожной машины 05. 05. 04 Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины icon

Повышение эффективности отбойного гидравлического молота строительно-дорожной машины 05. 05. 04 Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины



Смотрите также:
Проект программы кандидатского экзамена по специальности 05. 05. 04 дорожные...
Повышение эффективности гидропневматической силовой импульсной системы многоцелевой...
Программа вступительного экзамена в аспирантуру по специально­сти 05. 05. 04 -дорожные...
Учебно методический комплекс по дисциплине «машины непрерывного транспорта» для студентов 5...
Программа дисциплины по кафедре "Cтроительные и дорожные машины " подъемно-транспортные машины...
Программа дисциплины по кафедре «Строительные и дорожные машины» «организация эксплуатации сдм»...
Программа дисциплины по кафедре "Cтроительные и дорожные машины " подъемно-транспортные машины...
Программа дисциплины по кафедре "Cтроительные и дорожные машины " Cтроительные и дорожные машины...
Учебно-методический комплекс по дисциплине «автотракторный транспорт» для студентов 4 курса...
Учебно-методический комплекс по дисциплине «комплексная механизация и автоматизация путевых...
Учебно-методический комплекс по дисциплине «экономика предприятий» для студентов 6 курса...
Учебно-методический комплекс по дисциплине «эксплуатация подъемно-транспортных...



скачать


На правах рукописи


Ределин Руслан Андреевич


повышение ЭФФЕКТИВНОСТи

отбойного гидравлического молота

строительно-дорожной машины


05.05.04 – Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины


Автореферат диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Орел – 2010


Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Орловский государственный технический университет»


Научный руководитель: кандидат технических наук

Кравченко валерий анатольевич


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

^ ПУШКАРЕВ АЛЕКСАНДР ЕВГЕНЬЕВИЧ


кандидат технических наук

ПОЛЯКОВ РОМАН НИКОЛАЕВИЧ


Ведущая организация:

ГОУ ВПО «БЕЛГОРОДСКИЙ

^ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. В.Г. ШУХОВА»


Защита диссертации состоится « 15 » апреля 2010 г. в 12 часов 30 минут на заседании диссертационного совета ДМ.212.182.07 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Орловский государственный технический университет» по адресу:

302030, г. Орел, ул. Московская, д. 77, ауд. 426.


С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке
Орловского государственного технического университета


Отзывы на автореферат направлять в диссертационный совет по адресу: 302020, г. Орел, ул. Наугорское шоссе, д. 29


Автореферат разослан и опубликован на сайте www.ostu.ru

« 12 » марта 2010 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Севостьянов А.Л.


^ Общая характеристика работы

Актуальность темы. Гидравлические устройства ударного действия (отбойные гидравлические молоты) широко применяются в технологических машинах предназначенных для разрушения горных пород, прочных и мерзлых грунтов, строительных материалов. Опыт эксплуатации показывает, что машины ударного действия обеспечивают высокую эффективность работ при реконструкции и сносе строительных объектов, прокладке и ремонте коммуникаций и транспортных магистралей, проведении тоннелей, подготовке площадок под строительство (рыхление мерзлых и скальных грунтов или уплотнение грунтов), добыче полезных ископаемых.

В настоящее время известна широкая гамма устройств ударного действия, в основу которых заложены различные принципиальные схемы. Наибольшее распространение получили устройства пневмогидравлические и гидравлические с управляемой камерой обратного хода. При этом результаты ряда исследований свидетельствуют, что гидравлические устройства ударного действия с управляемой камерой рабочего хода обеспечивают относительно высокий коэффициент полезного действия.

Практическое применение гидромолотов с управляемой камерой рабочего хода сдерживается использованием упрощенных инженерных методик расчета, которые не в полной мере учитывают особенности рабочего цикла и факторы, влияющие на формирование конструктивных и режимных параметров.

В связи с этим, работа, посвященная разработке математической модели и методики инженерного расчета, а также обоснованию конструктивных и режимных параметров отбойного гидромолота с управляемой камерой рабочего хода для разрушения строительных материалов и горных пород, является актуальной.

Работа выполнялась по плану-заданию лаборатории «Импульсные технологии» ОрелГТУ (гос. рег. № 0120.504939).

^ Цель работы – обосновать параметры, обеспечивающие эффективное преобразование энергии, отбойного гидравлического молота строительно-дорожной машины на основе моделирования рабочего цикла.

^ Идея работы: установить параметры отбойного гидравлического молота, обеспечивающие максимальную частоту и заданную энергию удара при известной напорно-расходной характеристике гидронасоса и допускаемой силе воздействия (отдачи) на базовую машину, повысив точность математического моделирования за счет учета переменных сил трения в уплотнительных узлах, температуры и свойств рабочих сред, величин зазоров в подвижных парах (корпус – боёк, корпус – золотник).

^ Задачи исследования:

– провести анализ области применения, известных структур и математических моделей устройств ударного действия;

– разработать математическую модель отбойного гидравлического молота с учетом особенностей функционирования и динамики рабочего цикла, а также свойств рабочих сред и параметров гидропривода;

– разработать программное обеспечение для реализации математической модели и графического представления зависимостей, необходимых для анализа динамики рабочего цикла и процесса преобразования энергии в отбойном гидравлическом молоте;

– провести вычислительные эксперименты, установить факторы, конструктивные и режимные параметры, обеспечивающие повышение эффективности процесса преобразования энергии;

– провести экспериментальные исследования отбойного гидравлического молотка при различных температурах рабочей среды для проверки достоверности математической модели;

– разработать методику инженерного расчета и программу для её реализации, сформировать рекомендации по проектированию и эксплуатации отбойных гидравлических молотов.

^ Методы исследования: обзор, анализ и обобщение результатов исследований и опыта проектирования гидравлических устройств ударного действия; математическое моделирование, основанное на законах кинематики и динамики твердого тела, жидкости и газа; теоретические исследования на основе численных экспериментов; программирование и численное решение уравнений в среде LabVIEW и Matlab; экспериментальные исследования с применением среды LabVIEW.

^ На защиту выносятся:

– математическая модель отбойного гидравлического молота;

– установленные зависимости и результаты исследований;

– методика инженерного расчета параметров отбойного гидромолота;

– программы «Гидромолот-М» и «Гидромолот-К» для реализации математической модели и методики инженерного расчета, соответственно;

– рекомендации по выбору конструктивных и режимных параметров, повышающих эффективность преобразования энергии в отбойных гидромолотах.

^ Достоверность полученных результатов обеспечивается применением классических теорий механики твёрдого тела, жидкости и газа, а также известных математических методов решения дифференциальных уравнений движения; достаточным объемом экспериментальных данных, полученных с использованием стандартных средств измерения; подтверждается хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

^ Научная новизна работы:

– разработана математическая модель отбойного гидравлического молота, описывающая совместную работу ударного механизма, распределителя, гидропневмоаккумуляторов и гидропривода, отличающаяся тем, что учитывает температуру и свойства рабочих сред, переменные силы трения в уплотнительных узлах, а также величину зазоров в подвижных парах (корпус – боек, корпус – золотник).

– установлено влияние вязкости и температуры рабочей жидкости на частоту и энергию ударов гидравлического молота;

– выявлены особенности процесса преобразования энергии с учетом потерь на трение в уплотнительных узлах и величин зазоров;

– разработана методика инженерного расчета конструктивных параметров гидромолота с управляемой камерой рабочего хода, отличающаяся тем, что учитывает силы трения в уплотнительных узлах.

^ Практическая ценность работы:

– разработана программа «Гидромолот-М» для реализации математической модели в среде LabVIEW и Matlab, позволяющая вводить и корректировать более 100 исходных параметров и представлять результаты в виде графиков изменения во времени анализируемых факторов отбойного гидромолота с управляемой камерой, как рабочего, так и обратного хода.

– разработана программа «Гидромолот-К» для реализации методики инженерного расчета конструктивных параметров отбойного гидравлического молота с управляемой камерой рабочего хода;

– установлено, что гидропневмоаккумулятор в сливной магистрали отбойного гидромолота с управляемой камерой рабочего хода снижает эффективность процесса преобразования энергии. Исключение его из структуры снижает металлоемкость и повышает надежность конструкции;

– установлен диапазон температуры для ряда масел, при котором обеспечивается наиболее эффективное преобразование энергии.

^ Реализация работы:

– разработана методика и создан стенд для экспериментальных исследований режимных параметров отбойного гидравлического молотка;

– методика инженерного расчета и программа «Гидромолот-К» переданы ИНТЦ «Орел-Инжиниринг», экспериментальный стенд и результаты исследований – кафедре «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» ОрелГТУ для использования в учебном процессе по дисциплинам: «Гидро- и пневмопривод строительно-дорожных машин», «Расчет и конструирование машин ударного действия», «Моделирование сложных динамических систем»;

– по результатам исследований выполнена корректировка конструкции отбойного гидромолота 2944 для навесного оборудования фронтального погрузчика и предложена усовершенствованная конструкция отбойного гидромолота 2944М.

^ Апробация работы. Результаты моделирования и экспериментальных исследований представлялись и докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ОрелГТУ1, международных симпозиумах «Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия» (г. Орел, 2003 г.), «Гидродинамическая теория смазки – 120 лет» (г. Орел, 2006 г.) и «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (г. Орел, 2006 г.), международных научно-практических конференциях «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» (г. Москва, 2005 г.) и «Неделе горняка – 2009» в МГГУ (2009 г.); региональной научно-практической конференции «Вибрация – 2008» (г. Курск) и «Инжиниринг – 2009» (г. Орел).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 статей и тезисов докладов (3,32 п.л./1,67 п.л.– доля соискателя), в том числе одна (0,13 п.л./ 0,04 п.л.) в издании, рекомендованном ВАК.

^ Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 144 наименований, 3 приложений и содержит 172 страницы, в том числе 162 страницы основного текста, в котором 5 таблиц, 51 рисунок, и 10 страниц приложения.

^

краткое содержание работы


Во введении обоснована актуальность темы исследований, представлена общая характеристика работы, включающая научную новизну и практическую ценность работы.

^ В первой главе выполнен обзор и анализ состояния вопроса, систематизирован опыт применения, создания и исследования отбойных гидромолотов для строительно-дорожных машин, а также анализ известных математических моделей.

В строительстве многие технологические операции связаны с разрушением прочных природных и искусственных материалов. Анализ современной практики показал, что указанные операции эффективно выполняются при использовании взрывчатых веществ и машин ударного действия – механических, пневматических, электрических, паро-воздушных и гидравлических молотов. В строительстве стремительно расширяется область применения гидравлических молотов в связи с развитием и повышением мощности гидропривода строительно-дорожных машин, в частности фронтальных погрузчиков (рисунок 1, а). Современные гидромолоты (рисунок 1, б), выпускаемые различными производителями, имеют во многом аналогичные конструкции и по основным показателям (энергии и частоте ударов) превышают показатели лучших пневматических машин, при этом имеют меньше массу и не выбрасывают в атмосферу масляную аэрозоль.

Анализ опыта эксплуатации гидромолотов показывает, что они результативно применяются в строительстве: рыхление скальных и мерзлых грунтов, что актуально для большинства регионов России; разрушение искусственных строительных мате риалов при реконструкции и сносе инженерных сооружений; проходка тоннелей; ремонт автодорог и аэродромов; бестраншейная прокладка инженерных коммуникаций; погружение свай и шпунтов. Отбойные гидромолоты широко применяют для добычи полезных ископаемых и строительных материалов.





а)

б)

Рисунок 1 – Гидромолот на фронтальном погрузчике (а) и его структура (б)
Большой вклад в исследование и создание гидравлических устройств ударного действия внесли ученые: О.Д. Алимов, С.А. Басов, Н.С. Галдин, Ю.В. Дмитревич, Д.Н. Ешуткин, Л.И. Кантович, А.Ф. Кичигин, А.Б. Клок, В.А. Кравченко, Ю.Д. Красников, А.Г. Лазуткин, А.А. Митусов, Г.Г. Пивень, Ю.М. Смирнов, Г.С. Тен, М. Ураимов, Л.С. Ушаков, Д.А. Юнгмейстер, И.А. Янцен, П. Дрешер, Т. Сиппус и др.

Известны труды, обобщающие результаты теоретических и экспериментальных исследований, проводившихся во многих организациях России и стран СНГ: Институт Гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН и КТИ гидроимпульсной техники СО РАН, ФГУП «ННЦ ГП-ИГД им. А.А. Скочинского», Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова, Муромский институт Владимирского государственного университета, Тульский государственный университет, МАДИ, ОрелГТУ, СибАДИ, Компания Традиция-К, Институт машиноведения НАН Киргизской республики, Карагандинский государственный технический университет и др.

Для исследования динамики гидромолотов широко применяют математическое моделирование полного рабочего цикла или отдельных фаз. Анализ известных математических моделей, показывает, что они ни в полной мере учитывают следующие факторы: температуру и свойства рабочей жидкости, величины зазоров в сопрягаемых поверхностях подвижных пар. Отсутствуют методики инженерного расчета параметров гидромолота с учетом трения в уплотнительных узлах.

На основе проведенного обзора и анализа состояния вопроса, в соответствии с целью и идеей работы, поставлены задачи исследования.

^ Во второй главе разработана математическая модель отбойного гидравлического молота.

Для разработки математической модели составлены расчетные схемы: давлений и расходов (рисунок 2, а), действующих сил (рисунок 2, б), геометрических параметров.

Математическая модель учитывает массы бойка, золотника, корпуса, поршня гидропневмоаккумулятора, сжимаемость и температуру рабочей жидкости, переменные силы трения, параметры трубопроводом, напорно-расходную характеристику насоса и позволяет моделировать работу гидромолотов различной структуры: с управляемой камерой рабочего хода; с управляемой камерой обратного хода; с управляемой камерой обратного хода и пневматической камерой рабочего хода, а также с сетевыми аккумуляторами или без них.

При разработке математической модели приняты следующие допущения: все узлы и детали, за исключением трубопроводов, считаются абсолютно жесткими; сила поджатия корпуса к обрабатываемой среде постоянная; течение жидкости в трубопроводах и каналах турбулентное.

Для каждой массы составлено уравнение движения.

Уравнение сил, действующих на боек (рисунок 2, б)

. (1)

Силы, входящие в уравнение, определяем по формулам, приведенным ниже.

Сила инерции бойка . (2)


Рисунок 2 – Расчетные схемы:

а – давлений (рi.j), расходов (Qi.j), утечек (qn);

б –сил, действующих на боек (Fб.i.j), корпус (Fк.i.j),

поршень гидропневмоаккумулятора (Fа.i.j), золотник (Fзол.i.j),

б)

а)


Силы давления жидкости со стороны камер: рабочего хода ; (3)

обратного хода . (4)

Составляющая силы тяжести с учетом угла положения . (5)

Силы трения: в уплотнениях ; (6)

бойка о корпус . (7)

Диссипативная сила . (8)

Сила реакции со стороны обрабатываемого материала (грунта, породы)

. (9)

Сила давления газа на боек со стороны силового пневмоаккумулятора

. (10)

Уравнение равновесия сил, действующих на золотник (рисунок 2, б)

. (11)

Силы инерции, тяжести, трения золотника, входящие в уравнение (11), определяем аналогично, используя формулы (2), (5), (7).

Силы давления жидкости со стороны камер управления:

КУ1 . (12)

КУ2 . (13)

Диссипативная сила . (14)

Уравнение равновесия сил, действующих на корпус (рисунок 2, б)

. (15)

Силы, входящие в уравнение определяем по формулам, приведенным ниже.

Силы инерции, тяжести, трения, давления жидкости со стороны рабочих камер, входящие в уравнение (15), определяем аналогично, используя формулы (2) – (7).

Сила поджатия в зависимости от типа механизма подачи представлена функцией давления или жесткости его упругих элементов . (16)

Диссипативная сила . (17)

Сила давления газа со стороны силового аккумулятора

. (18)

Уравнение сил, действующих на поршень сетевого гидропневмоаккумулятора (рисунок 2, б)

. (19)

Силы инерции, тяжести, трения поршня сетевого гидропневмоаккумулятора, входящие в уравнение (19), определяем аналогично, используя формулы (2), (5), (7).

Силы давления:

жидкости на поршень . (20)

газа на поршень . (21)

Сила трения в манжетах со стороны газовой камеры

. (22)

Сила трения в манжетах со стороны жидкостной камеры

. (23)

Диссипативная сила . (24)

Для связи между отдельными элементами (массами) гидромолота записаны уравнения расходов для различных участков гидравлической системы, а также уравнения для определения давлений в полостях (рисунок 2, а).

Общее уравнение расходов жидкости для i-ого участка системы

, (25)

где – расход, компенсирующий сжатие жидкости; – расход при перемещении подвижных элементов; – расход через местные сопротивления.

Расход через местные сопротивления (26)

Давление для i-ой полости определяем из уравнения . (27)

Утечки для i-ого участка определяем по уравнению . (28)

Давление газа в гидропневмоаккумуляторах определяем по зависимости

. (29)

^ В третьей главе разработана программа «Гидромолот-М» и представлены результаты вычислительных экспериментов.

Для исследования динамики и режимных параметров отбойного гидравлического молота и проведения вычислительных экспериментов в среде LabVIEW разработана программа «Гидромолот-М» (рисунок 4), предназначенная для решения систем дифференциальных уравнений и вывода информации в виде графиков различных зависимостей. При проведении вычислительных экспериментов в качестве исходных параметров приняты конструктивные размеры гидромолота мод. 2944 (а.с. № 1829510). Значения параметров давления и расхода приняты в соответствии с напорно-расходной характеристикой гидронасоса, широко применяемого в строительных и дорожных машинах (давление 16 МПа, расход 100 л/мин).

а)



б)

Рисунок 4 – Интерфейсы программ: а – «Гидромолот-М»; б – «Гидромолот-К»




В результате проведения вычислительных экспериментов получены зависимости изменения параметров гидромолота во времени: перемещения и скорости бойка (рисунок 5, а, б); давления в камерах рабочего и обратного хода (рисунок 5, в, г); перемещения и скорости золотника; действующих сил (рисунок 7); и других, указанных на рисунке 2.



а) б)



в) г)

Рисунок 5 – Диаграммы: перемещения (а) и скорости (б) бойка;

давления в камерах рабочего (г) и обратного (д) хода

Из полученных диаграмм (рисунок 5) следует, что давление жидкости в камерах гидромолота носит переменный (пульсирующий) характер. Причем во время рабочего хода при интенсивном росте скорости бойка давление в камерах интенсивно понижается и имеет практически равные значения ввиду дифференциального включения бойка. Отношение максимального значения давления к минимальному соответствует степени сжатия газа в гидропневмоаккумуляторе напорной магистрали, с которым обе камеры сообщаются во время рабочего хода бойка.

Во время обратного хода давление в камере обратного хода определяется силами трения, гидравлическим сопротивлением распределителя и сливной магистрали, в которую вытесняется жидкость из камеры рабочего хода, а также расходом жидкости, поступающим в аккумулятор, от которого зависит интенсивность заполнения аккумулятора, определяющего рост давления в напорной магистрали.

При незначительном сопротивлении сливной магистрали или избыточной площади камеры обратного хода боек совершает обратный ход с высокой скоростью. В этом случае за время обратного хода в аккумуляторе не накапливается объем жидкости и не создается давление, необходимые для совершения рабочего хода в заданном режиме. В результате скорость бойка в период рабочего хода и энергия удара ниже номинальных значений. Аналогично ситуация развивается при недостаточном расходе жидкости, поступающей в гидромолот.



а) б)



в) г)

Рисунок 6 – Зависимости давления (а, в) и перемещения (б, г) поршня напорного

аккумулятора без аккумулятора в сливной линии (а, б) и при его наличии (в, г)


Переменный характер давления жидкости в камерах определяет изменение сил трения в уплотнительных узлах (рисунок 7). Силы трения пропорциональны давлениям в герметизируемых камерах. При рабочем ходе бойка обе камеры находятся под высоким давление, что и определяет более высокие силы трения, чем при обратном ходе, когда в камере рабочего хода давление существенно ниже, так как зависит от величины гидравлического сопротивления распределителя и сливной магистрали.

Наличие аккумулятора низкого давления в сливной магистрали усугубляет описанную ситуацию, о чем свидетельствуют результаты вычислительных экспериментов (рисунок 6): зарядка аккумулятора и повышение давления становятся не стабильными, что отрицательно сказывается на энергии и частоте ударов.

Следовательно, искусственно меняя гидравлическое сопротивление сливной магистрали путем установки регулируемого дросселя, можно регулировать степень зарядки и повышения давления в напорном гидропневмоаккумуляторе, что обеспечит повышение энергии удара.

Силы трения в уплотнениях при рабочем ходе имеют незначительную величину (3 кН) в сравнении с активными силами (27,5 кН), а при обратном ходе они сопоставимы (2 кН и 3 кН). Учитывая, что силы трения составляют 11% и 67% активных сил, действующих в соответствующих фазах, представляется недопустимым не учитывать их при расчете параметров гидравлических молотов.



Рисунок 7 – Диаграмма активных сил и сил трения в уплотнениях

При работе гидромолота происходит нагрев рабочей жидкости, что приводит к изменению её свойств. Наиболее существенное влияние изменение температуры оказывает на вязкость рабочей жидкости. С повышением температуры рабочей жидкости её вязкость уменьшается, что с одной стороны приводит к увеличению утечек через зазоры сопрягаемых поверхностей, с другой – к уменьшению сил трения. Изменение вязкости приводит к изменению основных параметров гидромолота: частоты, энергии ударов и ударной мощности (рисунок 8).





Рисунок 8 – Зависимости частоты, энергии, ударной мощности

и КПД от вязкости рабочей жидкости

Анализ полученных графиков свидетельствует, что при уменьшении вязкости увеличивается частота ударов. Энергия удара сохраняется относительно стабильной в диапазоне вязкости жидкости от 0,2 до 0,45 Ст, при вязкости менее 0,2 Ст и свыше 0,45 Ст – уменьшается. Максимум ударной мощности (максимально эффективное энергопреобразование) наблюдается при вязкости рабочей жидкости 0,25 – 0,35 Ст. Резкое снижение энергии удара при уменьшении вязкости жидкости менее 0,2 Ст происходит из-за увеличения утечек q2 (см. рисунок 2, а) между каналом камеры управления КУ1 и каналом слива, что вызывает преждевременное переключение золотника.

Зазоры в подвижных парах влияют на работоспособность гидромолота и его выходные параметры. Наиболее ответственным является сопряжение боек – корпус.





Рисунок 9 – Зависимости частоты, энергии, ударной мощности и КПД

от величины зазора в сопряжении боек-корпус (зазор золотник-гильза 0,020 мм)

Как показывают результаты численных экспериментов (рисунок 9), ударная мощность достигает максимального значения при величине зазора 0,015 – 0,020 мм (при вязкости рабочей жидкости 0,3 Ст), так как утечки жидкости через зазоры относительно невелики, а силы трения относительно малы. С увеличением зазора увеличиваются утечки, и ударная мощность снижается. При величине зазора более 0,040 мм гидромолот становится неработоспособным.

Тепловые расчеты деталей, проведенные методом конечных элементов с использованием системы T-Flex, показали, что зазоры в сопряжениях деталей, изготовленных из материалов, имеющих близкие по значению коэффициенты теплового расширения, практически не зависят от температуры.

^ В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований и их сопоставление с теоретическими.

Для проверки достоверности математической модели на специально разработанном стенде ДМП-1М (рисунок 10) проведены экспериментальные исследования ручного отбойного гидравлического молотка (энергия удара до 45 Дж) с управляемой камерой обратного хода. В ходе эксперимента проводился замер температуры рабочей жидкости и регистрация изменения давления в магистралях. По осциллограммам давления в напорной магистрали определена частота ударов при различных температурах (вязкости) рабочей жидкости, в качестве которой использовалось масло Nuto H22.



а) б)

Рисунок 10 – Экспериментальный стенд ДПМ-1М: а – общий вид; б – схема;

1 – гидромолоток; 2 – гидроцилиндр подачи; 3 – гидроцилиндр упора; 4, 5 – датчики давления; 6, 7 – гидрораспределители; 8, 10 – клапаны давления; 9 – насос (5 МПа, 4 л/мин); 11 – бак;

12 – блок управления; 13 – нагреватель; 14 – плата сбора данных (АЦП, NI6008); 15 – ЭВМ;

16 – мультиметр для измерения температуры рабочей жидкости.

Экспериментальная осциллограмма давления (рисунок 11, а) сопоставлена с теоретической, которая получена в результате вычислительного эксперимента, проведенного с использованием программы «Гидромолот-М», в которую введены исходные данные, отражающие параметры гидромолотка, включая величины зазоров, параметры гидропривода, свойства и температуру рабочей жидкости. В результате сопоставления диаграмм (рисунок 11, б) отмечена хорошая сходимость (88 – 96%) на 65% продолжительности цикла и удовлетворительную (82 – 87%) на остальной части цикла.



а) б)

Рисунок 11 – Сопоставление экспериментальных и теоретических осциллограмм давления (а) и зависимостей частоты ударов от температуры жидкости (б)

Сопоставление экспериментальной и теоретической зависимостей частоты ударов от температуры рабочей жидкости (рисунок 11, б) свидетельствует об их хорошей сходимости (87 – 94%).

^ В пятой главе разработана методика инженерного расчета конструктивных параметров гидромолота с управляемой камерой рабочего хода и программа «Гидромолот-К» (рисунок 4, б) для ее реализации, даны рекомендации по проектированию и выбору конструктивных и режимных параметров отбойного гидромолота. Методика расчета разработана с учетом сил трения в уплотнительных узлах.

Исходными данными для инженерной методики являются: энергия удара, напорно-расходная характеристика насоса гидропривода базовой машины, свойства рабочей жидкости, параметры подводящих трубопроводов, допускаемая скорость соударения бойка и инструмента, сила воздействия (отдачи) на базовую машину, степень сжатия газа в гидропневмоаккумуляторе. Расчет массы бойка, длины разгона, давлений в гидромолоте, параметров гидропневмоаккумулятора ведется согласно известным методикам. Расчет площадей рабочих камер ведется с учетом сил трения.

Сила трения в манжетах при рабочем ходе бойка

. (30)

Рабочая (эффективная) площадь с учетом сил трения

. (31)

Давление в камере рабочего хода при обратном ходе бойка

. (32)

Сила трения в манжетах при обратном ходе бойка

. (33)

Уравнение движения бойка при обратном ходе с учетом сил трения

, (34)

Уравнение для вычисления площади камеры рабочего хода:

, (35)

где ; ;

; .

Решая уравнение (35), определяем площадь камеры рабочего хода Sрх.

Площадь камеры обратного хода . (36)

Коэффициент полезного действия . (37)

В результате расчета, выполненного с использованием методики и программы «Гидромолот-К», получены площади рабочих камер соответствующие параметрам гидромолота 2944М установленным с использованием математической модели.

В гидроприводах строительно-дорожных машин в качестве рабочих жидкостей широко используют различные виды минеральных масел, вязкость которых имеет индивидуальную зависимость от температуры. Зависимости энергии и частоты ударов гидромолота от температуры различных масел представлены на рисунке 13, а, б.

а) б)

в) г)

Рисунок 13 – Зависимости энергии (а, в) и частоты (б, г) ударов

от температуры масла (а, б) и производительности гидростанции (в, г)

при заданной настройке клапана давления

Анализ полученных зависимостей показывает, что для эффективной работы отбойного гидромолота при температуре жидкости ниже 30 оС целесообразно использовать с низкой вязкостью (например, АМГ), при температуре от 30 оС до 45 оС – со средней вязкостью (АУ, И-20), при температуре выше 45 оС – с высокой вязкостью (МГ-30). Поэтому вид масла необходимо подбирать в соответствии с условиями эксплуатации, либо поддерживать температуру на уровне, обеспечивающем эффективную работу гидромолота.

Регулировать частоту и энергию ударов можно путем изменения подачи жидкости в гидросистему, т.е. изменением числа оборотов приводного вала гидронасоса, что выполнимо в строительно-дорожных машинах (рисунок 13, в, г).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано новое решение актуальной научно-технической задачи, состоящее в разработке математической модели и методики инженерного расчета, предназначенных для повышения эффективности и обоснования конструктивных и режимных параметров отбойного гидравлического молота строительно-дорожной машины.

Основные научные и практические результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований заключаются в следующем:

  1. Установлено, что отбойные гидравлические молоты эффективно применяются для разрушения прочных строительных материалов, горных пород, имеют различные структуры, относительно высокий КПД. Для их исследования широко применяют мат модели различного уровня сложности и точности, зависящих от принятых допущений.

  2. Разработана математическая модель отбойного гидравлического молота, описывающая совместную работу ударного механизма, распределителя, гидропневмоаккумуляторов и гидропривода, отличающаяся тем, что учитывает температуру и свойства рабочих сред, переменные силы трения в уплотнительных узлах, а также величину зазоров в подвижных парах (корпус – боек, корпус – золотник).

  3. Разработана программа «Гидромолот-М» для реализации математической модели в среде LabVIEW и Matlab, позволяющая вводить и корректировать более 100 исходных параметров и представлять результаты в виде графиков изменения во времени анализируемых факторов и характеристик отбойного гидромолота с управляемой камерой, как рабочего, так и обратного хода.

  4. Научно обоснованы параметры отбойного гидромолота 2944М (энергия удара 2000 Дж) с управляемой камерой рабочего хода, которые обеспечивают максимально возможную частоту ударов 8,8 уд/с и коэффициент полезного действия ηэ = 0,60 при заданной напорно-расходной характеристике насоса фронтального погрузчика.

Установлено, что наиболее эффективное энергопреобразование и максимальная выходная мощность (Nвых = Аудn) обеспечивается при величине зазоров в сопряжении боек – корпус от 0,015 до 0,020 мм и вязкости рабочей жидкости в диапазоне 0,25…0,35 Ст, что соответствует для масел, применяемых в гидроприводе строительно-дорожных машин, температуре 35…45 оС, а управляя числом оборотов насоса можно изменять частоту и энергию ударов в 2 – 2,2 раза.

Доказано, что в конструкции отбойного гидравлического молота с управляемой камерой рабочего хода использование гидропневмоаккумулятора в сливной линии не целесообразно, так как его наличие приводит к недозарядке напорного аккумулятора.

  1. Выявлено, что величина сил трения в уплотнительных узлах при рабочем ходе достигает 11 % от суммы активных сил, а при обратном ходе – 60%, поэтому пренебрежение ими приводит к снижению точности расчета параметров гидромолота.

  2. Разработана методика инженерного расчета конструктивных параметров гидромолота с управляемой камерой рабочего хода, учитывающая силы трения, допускаемую силу отдачи (воздействия на базовую машину) и параметры гидропривода базовой машины, а также программа «Гидромолот-К» для ее реализации.

  3. Сопоставление результатов экспериментальных исследований, проведенных на специально созданном стенде «ДПМ-1М», и теоретических, полученных в ходе вычислительных экспериментов, показало их хорошую сходимость (82…96 %), что свидетельствует о достоверности математической модели.

  4. Использование результатов проведенных исследований позволяет повысить эффективность создания и эксплуатации отбойных гидромолотов строительных и дорожных машин. Применение разработанных методик и прикладных программ значительно сокращает время на проектирование и разработку конструкций отбойных гидромолотов.



^ Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

  1. Ределин, Р.А. Комплекс для исследования силовой импульсной системы/ Л.С. Ушаков,
    Д.А. Юрьев, Р.А. Ределин // Горное оборудование и электромеханика. – 2008.– № 4.– С. 44 – 44.

  2. Ределин, Р.А. Выбор компоновки и принцип действия гидроударника ГМк-2,5 с управляемой камерой рабочего хода. / В.А. Кравченко, Р.А. Ределин // Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия: Материалы II междунар. науч. симп. – Орел, 2003. – С. 58 – 62.

  3. Ределин, Р.А. Методика экспериментальных исследований автоколебательной ударной системы / Д.А. Юрьев, В.В. Хавроничев, Р.А. Ределин // Известия ОрелГТУ (сер. Естественные науки) – 2004. – № 5-6. – С. 79 – 81.

  4. Ределин, Р.А. Исследование автоколебательной ударной системы / Л.С. Ушаков, Д.А. Юрьев, В.А. Кравченко, Р.А. Ределин // Междунар. науч.-практ. конф. «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments», Москва: Сб. тр. – М.: Изд-во Росс. ун-та дружбы народов, 2005. – С. 367.

  5. Ределин, Р.А. Влияние трения в паре боек – уплотнение на параметры гидромолота / Р.А. Ределин, В.А. Кравченко // Гидродинамическая теория смазки – 120 лет: Тр. междунар. науч. симп. Т.2 – Орел, 2006. – С. 117 – 121.

  6. Ределин, Р.А. Методика инженерного расчета гидроударника с управляемой камерой рабочего хода. / В.А. Кравченко, Р.А. Ределин // Ударно-вибрационные системы, машины и технологии: Материалы III междунар. науч. симп. – Орел, 2006. – С. 93 – 97.

  7. Ределин, Р.А. О программе «МГ-2006», предназначенной для численного моделирования процесса работы гидроударника. / В.А. Кравченко, Р.А. Ределин // Ударно-вибрационные системы, машины и технологии – Орел, 2006. – С. 236 – 238.

  8. Ределин, Р.А. О программе «ННLab-e», предназначенной для расчета конструктивных параметров гидроударника. // Ударно-вибрационные системы, машины и технологии: Материалы III междунар. науч. симп. – Орел, 2006. – С. 238 – 240.

  9. Ределин, Р.А. Взаимосвязь выходных и конструктивных параметров гидроударника. // Ударно-вибрационные системы, машины и технологии: Материалы III междунар. науч. симп. – Орел, 2006. – С. 507 – 510.

  10. Ределин, Р.А. Основные уравнения движения, описывающие рабочий цикл гидроударника с управляемой камерой рабочего хода. / Р.А. Ределин, В.А. Кравченко // Актуал. проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения: Материалы междунар. науч.-технич. конф. (г. Самара) – Орел: ОрелГТУ, 2007. – С. 201 – 203.

  11. Ределин, Р.А. Современная концепция моделирования и проектирования гидравлических устройств ударного действия. / В.А. Кравченко, Р.А. Ределин, А.Е. Карасев // Вибрационные машины и технологии: Сб. науч. тр. / Ред. кол.: С.Ф. Яцун (отв. ред.) [и др.] – Курск: КурскГТУ, 2008. – С. 253 – 259.

  12. Ределин, Р.А. Инструментальные средства для анализа и синтеза параметров отбойных гидромолотов / В.А. Кравченко, А.Е. Карасев, Р.А. Ределин // Инжиниринг – 2009: Сб. тр. науч.-техн. конф. (21 мая 2009, г. Орел) / Ред. кол.: Л.А. Савин (отв. ред) [и др.]; Орел: Издательский дом «Орловская литература и книгопроизводство» и К, 2009, – С. 172 – 176.

  13. Ределин, Р.А. Комплекс для исследования гидроударников. / Р.А. Ределин, А.В. Щекочихин, Н.Д. Фабричный // Инжиниринг – 2009: Сб. тр. науч.-техн. конф.
    (21 мая 2009, г. Орел) / Ред. кол.: Л.А. Савин (отв. ред) [и др.]; Орел: Издательский дом «Орловская литература и книгопроизводство» и К, 2009, – С. 214 – 217.



Отпечатано в издательском центре

Орловской региональной академии государственной службы

Заказ №85

Тираж 100 экз. Объем 1,2 п.л. Формат 60х84 1/16

Подписано в печать 11.03.2010г.

1 Автор выражает глубокую благодарность коллективам кафедры «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» и лаборатории «Импульсные технологии» ОрелГТУ за техническую помощь при проведении экспериментальных исследований и критические замечания по работе.





Скачать 272,35 Kb.
оставить комментарий
Ределин Руслан Андреевич
Дата28.09.2011
Размер272,35 Kb.
ТипАвтореферат диссертации, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Документы

наверх