УДК 622.232.32

Исследование схемы ручного гидроударного механизма с управляемой камерой прямого хода

Устименко Т.А., канд. техн. наук, Кононенко А.П., докт. техн. наук, Донецкий национальный технический университет

Источник: Сб. Суми(фахове видання)

Исследована одна из структурних схем гидравлического ударного механизма, составлена ее математичексая модель, получены основные конструктивные параметры, которые которые рекомендуется использовать при создании проекта ручного механизма (гидромолотка).

One of the structures was researched, mathematical model was created, some design parameters were got for the design project of water hand-hammer.

Проблема и ее связь с научными и практическими задачами. В последнее время в ряде отраслей промышленности получают довольно широкое распространение гидравлические ударные механизмы. Это объясняется рядом их положительных качеств, по сравнению с пневматическими механизмами, которые были очень популярны еще несколько лет назад. Ручные гидравлические устройства ударного действия (гидромолотки) дают возможность получить более высокие частотно-энергетические показатели, позволяют осуществлять плавное изменение энергетических параметров в зависимости от цели использования (например, при увеличении крепости разрушаемого материала – повышение ударной мощности). Использование компактной насосной станции взамен компрессора способствует обеспечению мобильности установки. Но в большинстве известных гидромолотков в качестве рабочей жидкости применяют индустриальные масла, и только в единичных опытных вариантах – водомасляную эмульсию.

Использование технической воды в качестве рабочей жидкости может значительно расширить область применения гидромолотков, особенно в тех областях промышленности, где важно применение негорючих жидкостей (угольная промышленность, энергетика), либо важным фактором является охрана окружающей среды (например, подводные работы).

Анализ исследований и публикаций. Известны несколько подходов по классификации, выделению и исследованию различных структурных схем гидравлических механизмов ударного действия [1,2,5]. Исследованию работы гидравлических ударных механизмов посвящены работы, в которых рассматриваются устройства c различной управляемостью камер. Однако в данных работах не рассматривается вопросы подобия и, как следствие, вопросы сокращения размерности решаемой задачи.

Постановка задачи. В соответствии с вышесказанным ставится задача исследования рабочих процессов и выбор основных конструктивных параметров гидравлического ударного механизма с управляемой камерой прямого хода, как наиболее перспективной структуры гидроударного механизма. Структурная схема приведена на рис.1.

Рис. 1. Структурная схема гидравлического ударного механизма

От насоса 1, снабженного предохранительным клапаном 2, рабочая жидкость подается в гидропневмоаккумулятор 5 и к ударному устройству 3, имеющему распределительное устройство (узел управления 4), поршень-боек 6, образующий с корпусом 3 камеры прямого 7 и обратного 8 ходов. Узел управления обеспечивает работу ударного устройства в автоколебательном режиме путем изменения давления в одной или обеих рабочих камерах.

Причем, необходимо отметить, что выбранная принципиальная схема должна обеспечить работу механизма на технической воде. Это может быть достигнуто за счет того, что в отличие от известных схем с золотниковыми распределителями[2,5], будет использована схема с клапанным устройством управления рабочим ходом поршня-бойка. Как известно, клапанные группы хорошо зарекомендовали себя при работе на загрязненных жидкостях, в то время как применение золотниковых распределителей выдвигает требования к чистоте и вязкости рабочей жидкости.

Выбор основных конструктивных параметров ударной группы механизма позволит получать различные энергетические показатели и, таким образом, осуществлять проектирование различных по назначению устройств (от легких, массой 4-5 кг до тяжелых – 15-17 кг).

Изложение материала и результаты Анализ дифференциального уравнения движения бойка, граничных и начальных условий, позволил привести уравнения к безразмерному виду [3] путем введения следующих безразмерных переменных:

- безразмерная координата положения бойка; здесь x – координата положения бойка, x₀ – ход бойка.

- безразмерное время, Q₀ – подача насоса, t- время рабочего цикла, W₀ – объем гидропневмоаккумулятора.

- безразмерные давления; p_m- текущее давление в гидропневмоаккумуляторе, p_oз- начальное давление закачки гидропневмоаккумулятора, p₁, p₂ – давления в камерах, соответственно прямого (7, см. рис. 1) и обратного (8) хода.

- безразмерные расходы, здесь Q₁ и Q₂ – расходы жидкости в камерах прямого и обратного хода при движении поршня-бойка.

Безразмерные расходы в соответствии с введенными обозначениями можно представить в виде:

, где S₁ и S₂ – площади рабочих поверхностей в камерах прямого и обратного хода.

Безразмерные давления в рабочих камерах преобразуются в виду:

При условии принятых обозначений:

a₁, a_2, a_сб соответствуют гидравлическим сопротивлениям каналов к камерам прямого и обратного хода, линии сброса рабочей жидкости.

С учетом полученных зависимостей уравнение движение поршня-бойка ударника имеет вид в безразмерных величинах:

m_б – масса поршня-бойка, F_тр – сила трения.

Опыт исследования ручных гидроударных механизмов показывает, что массу бойка не следует выбирать более 1,5 кг, а для обеспечения приемлемых энергетических показателей - не менее 0,5 кг.

Расход рабочей жидкости принимается исходя из выбранного типа насоса . Параметры гидропневмоаккумулятора должны удовлетворять следующим условиям: давление начальной закачки должно составлять 20-50% давления настройки предохранительного клапана насоса; объем воздушной полости ограничен требованиями массы и габаритов молотка, наиболее рациональными принимаем

Введя следующие безразмерные комплексы:

- соотношение рабочих площадей, - относительное сопротивление сброса, - относительный объем камеры рабочего хода, получаем безразмерные критерии, которые могут быть использованы наряду с натуральными факторами при анализе рабочего процесса гидроударного механизма.

Для решения поставленной оптимизационной задачи необходимо получить аналитическую зависимость энергии удара от 6 основных факторов

в виде полинома второго порядка [4]. Для получения многофакторной модели такого вида использовалось рототабельное планирование и проведение дробнофакторного эксперимента с помощью имитационного моделирования на ЭВМ. Применение дробнофакторного планирования с генерирующим соотношением позволило сократить количество опытов с 87 до 45. Величина звездного плеча для выбранной полуреплики плана составила . В результате имитационного эксперимента получено уравнение регрессии для энергии единичного удара:

Анализ полученного уравнения позволил сделать следующие выводы:

• при массе бойка 0,8-1,5 кг может быть получена энергия удара 35…55 Дж в диапазоне изменения комплексов k₁ от 0,42 до 0,5 и k₃ от 0,05 до 0,1.

• из выявленной области рациональных значений можно выделить две зоны для гидравлических отбойных молотков, обеспечивающих следующие энергии единичного удара: 1 зона - 35-45 Дж, 2 зона – 45-55 Дж.

• выявлено, что гидроударный механизм первого типа должен иметь ход не менее 20 мм, второго – 15 мм.

• для отбойного молотка со стандартной пикой диаметр поршня определяется как .

Выводы и направление дальнейших исследований. Проведенные исследования позволяют сделать вывод, что структура гидроударного механизма с управляемой камерой прямого хода может быть использована для разработки принципиальных схем ручных гидроударных механизмов, при этом обеспечивается достаточный запас энергии единичного удара. В дальнейшем необходимо провести исследование конкретной принципиальной схемы молотка, использующего в качестве рабочей жидкости техническую воду.

Список источников:

1. Соколинский Б.В. Машины ударного разрушения (Основы комплексного проектирования).-М.: Машиностроение, 1982.-184с.

2. Гидропневмоударные системы исполнительных органов горных и строительно-дорожных машин /А.С.Сагинов, А.Ф.Кичигин, А.Г.Лазуткин, И.А.Янцен.-М.: Машиностроение, 1980.-299 с.

3. Веников В.А.,Веников Г.В. Теория подобия и моделирования применительно к задачам электротехники.-М.:Высшая школа, 1984.-434с.

4. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии. М.:Высшая школа, 1985.-327 с.

5. Гидравлические отбойные и бурильные молотки / В.Ф.Горбунов, Д.Н.Ешуткин, Г.Г. Пивень, Г.С.Тен.-Новосибирск: Наука, 1982.-93с.

6. Селивра С.А. Разработка гидравлических устройств ударного действия для разрушения горных пород. Дисс. … канд. техн. наук:05.05.06.-Донецк, 1986.-194 с.

7. Устименко Т.А. Обоснование структуры и выбор оптимальных параметров гидравлических отбойных молотков. Дисс. … канд. техн. наук:05.05.06.-Донецк, 1990.-204 .