аспирант
Орел, Орловская область, Россия
сотрудник
Орел, Россия
сотрудник
Брянск, Брянская область, Россия
УДК 622 Горное дело
ББК 344 Общее машиностроение. Машиноведение
Цель исследования - обосновать параметры, обеспечивающие эффективное преобразование энергии, гидромолота. 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. Новизна работы заключается в разработке математическая модель гидромолота, описывающей совместную работу ударного механизма, распределителя, гидропневмоаккумуляторов и гидропривода. В результате исследования получены: математическая модель гидромолота, учитывающая динамику его корпуса и отражающая особенности рабочего цикла гидрокинематической схемы с управляемой камерой рабочего и обратного хода; результаты численного решения математической модели и экспериментальных исследований; анализ динамики поршня-бойка гидромолота в период обратного хода. Выводы: на работу гидромолота оказывает влияние случайное или целенаправленное изменение определенных параметров гидропривода, которое необходимо учитывать уже на стадии проектирования его подсистем с целью нахождения рациональной области работы; одним из таких параметров является инерция рабочей жидкости; формируясь в переходные периоды, инерционные силы оказывают существенное влияние на основные параметры движения поршня-бойка гидромолота и динамику силовой импульсной гидросистемы; определено время наполнения рабочей полости гидроцилиндра ударника, установлена степень влияния инерционной составляющей рабочей жидкости на время перемещения поршня-бойка на величину рабочего хода.
исполнительный орган, гидромолот, гидропривод, моделирование, инерционные силы, жидкость
Введение
С началом широкого использования во второй половине ХХ века в машинах гидравлического привода стала возможна разработка и создание мощных и компактных импульсных устройств, нашедших применение в исполнительных органах горных, металлургических, дорожных машин [1–5]. Применение их обусловлено высокой эффективностью, мобильностью и функциональностью, широким спектром технологических задач, решаемых с помощью этой техники. В дорожно-строительной отрасли распространение получили гидромолоты – гидравлические машины ударного действия, являющиеся сменным рабочим оборудованием одноковшовых экскаваторов.
Создание гидромолотов помогает решить задачу расширения области применения одноковшовых гидравлических экскаваторов, в том числе наиболее эффективного их использования в зимний период [6,7]. Высокие темпы транспортного, промышленного и гражданского строительства требуют увеличения на порядок производства нерудных строительных материалов, проведения огромного объема земляных работ, в том числе в неблагоприятных грунтовых условиях, прокладки сотен километров инженерных сетей и коммуникаций, а также их ремонта и реконструкции, сноса ветхих и аварийных построек, вскрытия старых дорожных одежд [8–9].
Материалы, методы, результаты исследований
Исследования проводились на основе теоретических разработок; математического моделирования, в основе которого лежат фундаментальные законы кинематики и динамики твердого тела, жидкости и газа; программирования и численного решения уравнений в среде MathCAD; экспериментальных исследований с использованием стенда с гидромолотом.
В гидроприводе дорожно-строительных машин формируются в переходные периоды инерционные силы, оказывающие существенное влияние на основные параметры движения поршня-бойка гидромолота и динамику силовой импульсной гидросистемы.
Рассмотрим структурную схему гидропривода (рис. 1). Параметрами, подлежащими определению в период обратного хода поршня-бойка гидромолота, являются скорость перемещения поршня-бойка , давление в полости взвода
и время
, в течение которого поршень гидромолота переместится на заданную величину
.
Предположим, что в некоторый момент времени произойдет мгновенное открытие окон золотникового распределителя 2, и в этот момент давления в полостях В и С гидроцилиндра возрастут до значений Рн и Рс [7–9]. Пренебрегая разностью высотных отметок и скоростным напором в сечении О-О, выведем уравнения неустановившегося движения для сечений О-О и nm, а также для сечений nn и mm:
; (1)
, (2)
где – давление в сетевом гидроаккумуляторе, МПа;
– давление в полости В гидроцилиндра. МПа;
– давление в полости С цилиндра, МПа;
и
– соответственно средние скорости движения жидкости в маслопроводах 3 и 4, м/с;
и
– соответственно длины маслопроводов 3 и 4, м;
и
– коэффициенты сопротивления трубопроводов 3 и 4;
– коэффициент входного сопротивления в полости цилиндра;
– коэффициент сопротивления золотникового распределителя 2; x – расстояние от входного сечения трубопровода 4 до сечения nn, м;
– рабочий ход поршня-бойка, м;
– коэффициент Кориолиса.
Рис. 1. Структурная схема импульсного гидропривода:
1 – поршень-боек гидромолота; 2 – орган управления;
3, 4, 7, 8 – участки подводящего маслопровода; 5 – отводящий маслопровод;
6 – насос; 9 – гидропневмоаккумулятор
Fig. 1. Block diagram of a pulsed hydraulic drive:
1 – piston-hammer head; 2 – control body; 3, 4, 7, 8 – sections of the supply
oil pipeline; 5 – discharge oil pipeline; 6 – pump; 9 – hydropneumoaccumulator
На основании гидравлического уравнения неразрывности потока имеем
;
,
где – площадь сечения полости В гидроцилиндра;
и
— соответственно площади сечений трубопроводов 3 и 4.
Уравнения (1) и (2) содержат три неизвестных параметра ,
и
. Для их определения применим еще дифференциальное уравнение движения поршня-бойка гидропневмоударника:
, (3)
где – приведенная масса поршня, включая массу всех подвижных звеньев;
– ускорение поршня-бойка, м/с2;
– силы трения и силы полезного сопротивления, приложенные к поршню, Н;
– коэффициент трения скольжения;
– диаметр поршня, мм;
– количество уплотнительных колец поршня, шт.;
– высота поршня, мм.
Решив систему уравнений (1), (2), (3), получим:
, (4)
где – приведенная длина маслопровода;
– приведенный коэффициент сопротивления системы;
– приведенная длина напорной линии;
– ход поршня-бойка гидропневмоударника;
– приведенный коэффициент сопротивления напорной линии;
– коэффициент сопротивления движению поршня-бойка;
=
;
– постоянные коэффициенты.
В условиях установившегося движения поршня-бойка, при 0, получим из уравнения (4):
. (5)
Исключив из уравнений (4) и (5) постоянную величину , будем иметь:
,
где ,
откуда
. (6)
Интегрируя дифференциальное уравнение (6) при помощи разложения подынтегральной фикции на простейшие дроби и принимая во внимание начальные условия (t = 0, = 0), получим:
,
. (7)
где – имеет размерность времени.
Из уравнения (7) следует, что установившееся движение поршня-бойка наступит при t = . Зависимости (6) и (7) дают возможность получить уравнения движения поршня ударника в функции времени. Так, проходимый поршнем за время t, может быть определен иp уравнения (7).
Имея в виду, что , будем иметь:
,
откуда x = .
Ускорение поршня-бойка получим непосредственно из уравнений (6) и (7)
(8)
Согласно уравнениям (1) и (2) с учетом выражений (7) и (8) определим закон изменения давления в полостях В и С гидромолота
В начальный момент времени при t = 0 давление Рн в полости В гидроцилиндра будет
. (10)
Если пренебречь силами инерции массы рабочей жидкости, то окажется, что приведенные длины и
равны нулю, а давления
и
равны давлению
, что противоречит исследованиям. Величина начального давления в полости В существенно зависит, как следует из выражения (10), от инерции жидкости. Можно доказать, что при
и S1 = S величина начального давления в полости В гидроцилиндра будет определяться согласно:
или
. Откуда следует, что начальное давление в полости В может быть меньше давления
, что и подтверждается экспериментально при пуске импульсного гидропривода. Используя полученные зависимости, определим время наполнения рабочей полости гидроцилиндра ударника. За время dt элементарный объем жидкости dV, поступающей в полость В цилиндра:
начальное давление в полостир может быть меньше давления £ , что и подтверждается экспериментально /3/ при пуске импульсного гидропривода выемочной машины. Используя полученные зависимости, определим время наполнения рабочей полости гидре ци ли ццра уцартика. 8а время c/t элементарный объем жидкости «V, поступающей в полость В цилиндра:: e/W*Sg (М) Подставив в уравнение (11) значение скорости Vf ив (7) и, интегрируя это выражение от “t =0 до tg7* , где Tg -время полного ^апоянения рабочей камеры цилиндра, получим: VgJf gS]/fs[2T^Sn(S ' ~f T, fa2 r так как W* Sg 'If ; то Т(:2Ъ£/1('£ *' j+t-TK-ZTilnZ, (12) где Te: SUL_. lt, f Ь ‘Si Щ Из этого выражения видно, что 7J- время наполнения камеры В гидропневмоударника при скорости движения жидкости, равной Ifo . Решая уравнение (12) относительно 7J. , получим : 7t*Te+2T,£n(l+fi-JTWn)sTe+TS; начальное давление в полостир может быть меньше давления £ , что и подтверждается экспериментально /3/ при пуске импульсного гидропривода выемочной машины. Используя полученные зависимости, определим время наполнения рабочей полости гидре ци ли ццра уцартика. 8а время c/t элементарный объем жидкости «V, поступающей в полость В цилиндра:: e/W*Sg (М) Подставив в уравнение (11) значение скорости Vf ив (7) и, интегрируя это выражение от “t =0 до tg7* , где Tg -время полного ^апоянения рабочей камеры цилиндра, получим: VgJf gS]/fs[2T^Sn(S ' ~f T, fa2 r так как W* Sg 'If ; то Т(:2Ъ£/1('£ *' j+t-TK-ZTilnZ, (12) где Te: SUL_. lt, f Ь ‘Si Щ Из этого выражения видно, что 7J- время наполнения камеры В гидропневмоударника при скорости движения жидкости, равной Ifo . Решая уравнение (12) относительно 7J. , получим : |
dV = . (11)
Подставив в уравнение (11) значение скорости из (7) и, интегрируя это выражение от t = 0 до t =
, где
– время полного наполнения рабочей камеры цилиндра, получим:
,
так как , то
, (12)
где .
Из этого выражения видно, что – время наполнения камеры В гидропневмоударника при скорости движения жидкости, равной
. Решая уравнение (12) относительно
, получим:
, (13)
Обсуждение результатов
Фактическое время , в течение которого поршень-боек совершает путь, равный
, всегда больше
на величину инерционной составляющей времени перемещения поршня-бойка
. На рис. 2 представлен график, выражающий зависимость
в функции
.
Рис. 2. Зависимость времени наполнения рабочей камеры
гидропневмоаккумулятора жидкостью от параметра
Fig. 2. Dependence of the time of filling the working chamber
of the hydropneumoaccumulator with liquid on the parameter
Анализ графической зависимости показывает, что чем больше отношение к
, тем больше время
фактического перемещения поршня-бойка от времени
, т.е. тем существеннее влияние инерционной составляющей
на время перемещения поршня на величину рабочего хода
.
Полученная зависимость может быть использована при составлении уточненных математических моделей гидравлических ударных устройств (гидромолотов) для обеспечения наиболее полной адекватности этих моделей физическим гидравлическим системам при проектировании и моделировании [10].
Заключение
Некоторые вопросы анализа динамики рабочих процессов гидропневматических виброударных систем нуждаются в дальнейшем уточнении. В частности, актуальными являются вопросы оценки эффективности гидравлических систем, заложенных в конструкции гидромолотов, исследования динамики переходных процессов выдвигаются на первый план и представляют теоретическую основу механики и надежности сложной гидромеханической силовой импульсной системы, есть невыясненные вопросы в динамике рабочих процессов, недостаточно исследовано влияние сосредоточенных упругостей на динамику рабочих процессов, требуют уточнения некоторые вопросы методики выбора параметров ударных механизмов, есть необходимость в исследованиях возможных режимов работы ударных механизмов.
1. Галдин Н.С., Семенова И.А. Автоматизированное моделирование гидроударного оборудования для экскаваторов: монография. Омск: СибАДИ, 2008. 101 с. ISBN 978-5-93204-386-8.
2. Городилов Л.В. Разработка основ теории гидроударных систем объемного типа для исполнительных органов горных и строительных машин: специальность 05.05.06 «Горные машины»: дис. на соискание ученой степени д-ра техн. наук / Городилов Леонид Владимирович; Институт горного дела СО РАН. Новосибирск, 2010. 302 с.
3. Городилов Л.В., Кудрявцев В.Г., Пашина О.А. Разработка и создание гидромолотов для исполнительных органов горных и строительных машин. Интерэкспо Гео-Сибирь. 2014;4:145-150.
4. Дмитревич Ю.В. Развитие гидромолотов в России. Основные средства, 2010;8:8-12.
5. Ешуткин Д.Н., Журавлева А.В., Абдурашитов А.И. Гидравлические ручные машины ударного действия: монография. Орёл: Госуниверситет – УНПК, 2011. 138 с. ISBN 978-5-93932-314-7.
6. Жуков И.А. Развитие научных основ повышения эффективности ударных машин для бурения скважин в горных породах: специальность 05.05.06 «Горные машины»: автореферат диссертации на соискание ученой степени д-ра техн. наук / Жуков Иван Алексеевич; СибГИУ. Новокузнецк, 2017. 39 с. Место защиты: Ин-т горн. дела им. Н.А. Чинакала СО РАН. Текст: непосредственный.
7. Иванов С.В. Обоснование рациональных параметров оборудования для рыхления мерзлых грунтов: специальность 05.05.04 «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины»: автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. техн. наук: / Иванов Сергей Викторович; СГТУ им. Ю.А. Гагарина. Саратов, 2017. 20 с.: Место защиты: Нижегор. гос. техн. ун-т им Р.Е. Алексеева. Текст: непосредственный.
8. Кантович Л.И., Лазуткин С.Л., Фабричный Д.Ю. Адаптивные гидравлические ударные устройства. Горное оборудование и электромеханика. 2010;2:32-35.
9. Лагунова Ю.А., Митусов А.А., Решетникова О.С. Специфические особенности эксплуатации механизмов ударного действия. Актуальные проблемы повышения эффективности и безопасности и эксплуатации горношахтного и нефтепромыслового оборудования. 2016;1:72-75.
10. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, RU 2022618337. Моделирование работы гидромолота: заяв. № 2022617722: опубл. 05.05.2022 / Трубин А.С., Баранов Ю.Н., Катунин А.А., Божанов А.А., Маркин Н.И., Марганова О.Н.; заявитель ОГУ им. И.С. Тургенева. – 3 с.