УДК 621.694.3

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОМОЛОТА КАК ГИДРОУДАРНОГО УСТРОЙСТВА

Трофимова Ю.А. (гр. ЭМК-09м, ДонНТУ, г.Донецк)

Руководитель Устименко Т.А.

Механика жидкости и газа / Материалы VIII Международной научно-технической студенческой конференции. - Донецк: ДонНТУ, 2009.- С.216-219.

Рассмотрена возможность использования гидравлических ударных механизмов для ведения вспомогательных работ при проходке выработок, произведен анализ принципиальных схем для разработки математической модели с целью выбора рациональных параметров устройства с высокими энергетическими показателями.

В связи с нехваткой электроэнергии и значительными трудностями, которые испытывают шахты и рудники, вопросы создания энергосберегающих технологий и машин становятся особенно актуальными. Сравнительный анализ энергетических затрат при применении пневматической и гидравлической энергии показывает, что для шахт крутого падения и для большинства шахт и рудников пологого падения использование гидравлической энергии является более целесообразным. В современных условиях для интенсификации производственных процессов в различных отраслях промышленности широко используются ударные механизмы. Наибольшее применение они получают в качестве исполнительных органов горных машин, особенно в буровой технике. Бурильные машины, оснащенные гидравлическими механизмами вращения и удара, имеют в несколько раз больший КПД, чем пневматические, и работают от электросети. Кроме того, широкое применение гидравлических машин позволяет избежать затрат на строительство мощных компрессорных установок и сложных, большой протяженности, пневмосетей, что дает большой народнохозяйственный эффект. Существенно и то, что металлоемкость гидравлических машин, как правило, на 15-30% ниже, чем пневматических.

Рассмотрим гидравлическое ударное устройство на примере гидромолота. Гидромолот - это исполнительный орган горных машин или сменное оборудование гидравлических экскаваторов, погрузчика или трактора - предназначен для вскрытия асфальтобетонных покрытий, бурения полезного ископаемого, разрушения бетонных и железобетонных конструкций, рыхления скальных и мерзлых грунтов, уплотнения рыхлого грунта (при использовании сменного рабочего органа - трамбовки) и др. Гидромолот может быть разработан на основе одной из трех структурных схем: схема №1 – с управляемой камерой прямого хода, схема №2 – с управляемой камерой обратного хода, схема №3 – с двумя управляемыми камерами.

Рис. 1 – Структурная схема устройства с управляемой камерой прямого хода.

Рис. 2 – Структурная схема устройства с управляемой камерой обратного хода.

Рис. 3 – Структурная схема устройства с двумя управляемыми камерами.

Предварительный анализ вышеприведенных структурных схем позволил установить следующее.

Схема №1 (с управляемой камерой прямого хода) отличается простотой. Так как камера обратного хода всегда соединена с напорной линией, то взвод бойка (обратный ход) осуществляется автоматически, как только убирается противодавление со стороны камеры обратного хода уменьшает результирующую сил, действующих на боек при выполнении прямого хода.

Перспективной является схема №2 (с управляемой камерой обратного хода), так как разгон бойка осуществляется потоком жидкости, давление которой превышает подводимое (р_max>р₀), что обеспечивает интенсивный разгон бойка, повышение предударной скорости и энергии единичного удара. Однако для реализации схемы гидроударник должен быть оснащен рабочим гидропневмоаккумулятором и обратным клапаном.

В схеме №3 (с двумя управляемыми камерами) может быть реализован ускоренный обратный ход, так как площадь рабочей поверхности камеры обратного хода может быть значительной. Однако, практическое воплощение этой схемы затруднительно вследствие неизбежного усложнения конструкции.

Принимая во внимание недостатки схемы с двумя управляемыми камерами, а, также учитывая уже накопленный в ДонНТУ опыт разработки гидроударных устройств, для последующего анализа принимаем устройства на основе структурных схем №1, 2 – с управляемыми камерами прямого и обратного ходов.

Задачей данной работы является на основе анализа структурных схем установить аналитические зависимости для определения энергочастотных характеристик гидромолота. И в результате определить, какая из структурных схем гидромолота обеспечивает наибольший кпд при наименьших линейных размерах.

К энергочастотным характеристикам гидромолота относятся: Е – энергия удара, Дж; f – частота ударов, с^-1; N – ударная мощность, Вт.

При выполнении анализа предполагается, что гидроударные устройства, разрабатываемые по той или иной структурной схеме, предназначены для выполнения одной и той же производственной задачи, например, для бурения скважин одинакового диаметра в породах с одним и тем же пределом прочности на одинаковое сжатие.

Выполним анализ устройств при одинаковой предударной скорости бойка. В этом случае предударная скорость бойка обоих устройств принимается одинаковой: V₁=V₂ (Далее 1 – схема с управляемой камерой прямого хода, 2 – с управляемой камерой обратного хода). Принимая допущение о равенстве масс (m₁=m₂), в соответствии с уравнением Е=0,5mV² получим: Е₂=Е₁, а по уравнению К_Е= Е₂/ Е₁ (коэффициент энергии удара): К_Е=1, то есть в этом случае энергия удара обоих устройств одинакова. Учитывая равенство предударных скоростей (V₁=V₂), в соответствии с уравнениями V=аt_пр и К_а=а₂/а₁, где а – ускорение движения бойка, К_а – коэффициент ускорения, получим : t_пр1/t_пр2= К_а. Так как время прямого хода устройств различно (t_пр1≠t_пр2), то для достижения одной и той же предударной скорости требуется обеспечить различный ход бойка: l₁≠l₂. Перемещение бойка за время выполнения прямого хода при равноускоренном движении для анализируемых устройств равно: l₁=0,5а₁ t_пр1². Учитывая уравнения К_а=а₂/а₁ и t_пр1/t_пр2= К_а получаем, что l₁= К_аl₂. Предварительно было доказано, что коэффициент К_а>1, значит l₁>l₂. Таким образом, для анализируемого случая устройство «2» по сравнению с устройством «1» обеспечивает ту же предударную скорость при меньших конструктивных размерах.

Отношение кпд устройств: ∆η=η₂/η₁=N₂/N₁. Ударная мощность: N=Еf. Следовательно, ∆η= Еf₂/ Еf₁= f₂/ f₁. Коэффициент частоты определяется по формуле: К_f= f₂/ f₁. Частота ударов устройства – это величина, обратная периоду времени Т движения бойка. Период времени работы устройства складывается из времени выполнения прямого t_пр и обратного t_об ходов, а также длительности пауз. Следовательно, . Так как l₁= К_аl₂, то t_пр1= t_пр2К_а. Из этого следует, что К_f>1. В результате получаем, что для рассматриваемого случая устройство «2» по сравнению с устройством «1» при меньших линейных размерах обеспечивает одинаковую энергию единичных ударов и большие значения частоты ударов, ударной мощности и кпд. В то же время устройство «2» по сравнению с устройством «1» является в конструктивном отношении более сложным.

Принимаем следующие параметры бойка гидромолота:

Частота ударов устройства – f=4-5 уд/с; энергия удара – Е=1000Дж; ударная мощность – N= f ·Е=5·1000=5000 Вт; продолжительность цикла – Т=1/ f=1/5=0,2 с; диаметр поршня – D=125 мм; диаметр штока – D_ш=85 мм; диаметр бойка - D_б=55 мм; предударная скорость бойка V=7 м/с; масса бойка гидромолота –m=2E/V²=2·1000/7²=41 кг; длина хода бойка l=1250 мм.

Список использованной литературы

1.Е.Ф.Эпштейн Бурение скважин гидроударниками и пневмоударниками. М:Недра, 1967.

2 Д. П. Лобанов, В. Б. Горовиц, Е. Г. Фонберштейн и др. Машины ударного действия для разрушения горных пород. - М.; Недра, 1983. - 152с

3. Суханов А. Ф. И др. Разрушение горных пород взрывом. М:Недра 1983.