ДонНТУ   Портал магистров

Усенко Константин Юрьевич

Факультет инженерной механики и машиностроения

Кафедра энергомеханических систем

Специальность «Гидравлические и пневматические машины»

Обоснование структуры и выбор рациональных параметров механизма для ударно-струйного разрушения

Научный руководитель: к. т. н., доцент Устименко Татьяна Алексеевна

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Обзор исследований и разработок
• 3.1 Обзор международных источников
• 3.2 Обзор национальных источников
• 3.3 Обзор локальных источников
• 4. Обоснование структуры и выбор рациональных параметров механизма для ударно-струйного разрушения
• Выводы
• Список источников

Введение

Среди традиционных способов разрушения углей и горных пород наибольшее распространение получили буровзрывной и механический (резание и ударное разрушение). Изыскание новых физических методов разрушения не дали пока серьезных положительных результатов в горной промышленности, поэтому совершенствование традиционных способов на сегодняшний день продолжает оставаться актуальной задачей.

Буровзрывной способ, наряду с главным своим преимуществом – универсальностью, имеет ряд серьезных недостатков. Несмотря на проводимую в последнее время его модернизацию: использования новых ВВ, совершенствования средств бурения, схем взрывания и т.п., повышающих его технологичность и безопасность, этот способ продолжает вызывать беспокойство за последствия его широкого применения.

Одним из наиболее перспективных направлений в данной области, является использование энергии высокоскоростных струй воды для резания горных пород и твердых материалов. Гидроструйные технологии получили признание во всем мире, как одно из перспективных направлений развития техники и технологии, способное решать вопросы повышения производительности и безопасности проведения очистных, подготовительных и вспомогательных работ на шахтах. Отсутствие контакта режущего инструмента (струи воды) с разрушаемым массивом, возможность снижения металлоемкости забойного оборудования при одновременном увеличении его энерговооруженности за счет дистанционного расположения энергетического оборудования, эффективное обеспечение пылевзрывозащиты являются основными преимуществами этого способа разрушения. С другой стороны, высокая энергоемкость гидравлического разрушения является фактором, сдерживающим его широкое внедрение для создания исполнительных органов породоразрушающих машин.

1. Актуальность темы

Как показывают результаты исследований ряда научно-исследовательских институтов [1], одним из перспективных направлений в области разрушения пород и других прочных материалов является создание исполнительных органов комбайнов, осуществляющих разрушение различными комбинированными способами. Наиболее перспективным, на наш взгляд, является способ, сочетающий в себе разрушение ударным инструментом и высоконапорной струей. Он имеет ряд преимуществ, таких как повышение стойкости рабочего инструмента, снижение энергоемкости процесса разрушения. Известны многочисленные разработки устройств ударного действия для разрушения массива (гидромолоты) в основном в качестве рабочей жидкости используют индустриальные масла. Для сравнительного анализа приведена таблица 1, в которой указаны достоинства и недостатки основных методов разрушения. Для создания комбинированного органа разрушения наиболее рациональным видится комплексное использование гидромолота и струйного импульсатора, работающих на технической воде. Это позволит сделать процесс разрушения экономичным и экологичным.

Таблица 1 – Основные методы разрушения

Магистерская работа посвящена актуальной научной задаче – разработке и обоснованию структуры и выбор рациональных параметров механизма для комбинированного метода разрушения, с использованием в качестве рабочего органа гидравлический молот и струйный импульсатор.

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Целью исследования является разработка и обоснование структуры, выбор рациональных параметров механизма для ударно-струйного разрушения.

Основные задачи исследования:

1. Анализ методов разрушения твердых пород.
2. Оценка способов разрушения.
3. Создание и оценка мехатронного блока для ударно-струйного разрушения.
4. Составление математической модели и поиск рациональных параметров механизма.

Объект исследования: разрушение твердых материалов комбинированным способом.

Предмет исследования: мехатронный блок комбинированного разрушения, сочетающий в себе гидромолот и гидроимпульсатор.

В рамках магистерской работы планируется получение актуальных научных результатов по следующим направлениям:

1. Разработка принципиальной схемы для мехатронного блока ударно-струйного разрушения.
2. Составление математической модели и использование ее для определения рациональных параметров мехатронного блока.
3. Создание мехатронной системы управления механизмом.

3. Обзор исследований и разработок

Изучение методов комбинированного разрушения пород наиболее активно проводилось в СССР, Российской Федерации и Украине, в частности в нашем университете ДонНТУ. Поэтому совершить обзор международных источников, кроме СССР и Российской Федерации, достаточно сложная задача. Так как, например, в Германии и Великобритании основным комбинированным способом разрушения пород является сочетание ударного и режущего инструмента. Однако есть и исключения в виде комбайна Великобританской фирмы «Добсон», которая запатентовала способ и комбайн для отбойки крепких пород, сущность которых заключается в образовании на забое щелей с помощью струйного органа с последующим скалыванием межщелевых целиков.

3.1 Обзор международных источников

Лабутин В. И., Марков В. С. предлагают идею объединения нескольких способов разрушения в одном устройстве уже нашла свое применение в некоторых видах комбинированных механизмов. Известны режуще-ударные комбинированные механизмы разрушения [2], которые объединяют преимущества двух способов и улучшают показатели производительности до 2-х раз.

По данным работ В. Г. Мерзлякова, В. Е. Бафталовского, В. Н. Байдинова [3] применение гидромеханического способа, заключающегося в одновременном воздействии на разрушаемый массив высокоскоростных струй воды и механического инструмента (резцов или дисковых шарошек), обеспечивает повышение производительности на 30 – 70% при пылеподавлении до 99%, расширение области применения на более крепкие и абразивные породы без увеличения массы комбайна.

Исследования комбинированного разрушения горных пород, массивов и угольных пластов позволяют увидеть снижение энергоёмкости работ [4, 5]. Подробно объясняется использование комбинированного способа в работах В.И. Лабутина кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории бурения и технологических импульсных машин института горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН

3.2 Обзор национальных источников

Н.В.Савченко, О.М.Яхно в своей работе [6] провели исследования, в которых получили закон распределения скоростей, который является необходимым для определения кинетической энергии как основной гидродинамической характеристикой струи при взаимодействии ее с массивом. Предложили метод повышения эффективности разрушения за счет наличия двух источников пульсации в потоке (пульсатор и вибрирующий насадок), возможно, регулировать амплитудно-частотную характеристику формируемой струи и в случаи необходимости обеспечивать резонансный режим.

В авторском свидетельстве [7] Павленко В. Д., Голубейко Ю. Н., Татарко В. Г. и Федоров Л. Н. описывают изобретение, целью которого является повышение производительности за счет обеспечения воздействия на забой повторного гидравлического импульса.

3.3 Обзор локальных источников

В Донецком национальном техническом университете (далее ДонНТУ) накоплен значительный опыт по созданию гидроимпульсной техники. Работы ДонНТУ показывают эффективность как импульсного струйного, так и ударного разрушения. Энергоемкость разрушения импульсными струями в 12 раз ниже статического струйного резания. Ожидается, что комбинирование двух способов даст значительный рост производительности машины. Применение таких машин позволяет снизить энергоемкость разрушения и массу машин.

В работе [8] Бойко Н. Г., Коломиец В. С., Геммерлинг О. А. определяют рациональную частоту струи и шаг разрушения угольного массива импульсной струей и предлагают новую схему отработки пласта с легко обрушающимся, трещиноватым углем. В работе описаны проблемы механизации очистных и подготовительных работ, проведен анализ публикаций, в которых используется гидроимпульсная установка для разрушения угольных пластов.

В работе [9] рассматриваются предпосылки эффективности комбинированного способа разрушения твердого массива с помощью механического удара и импульсной струи. Исследована одна из принципиальных схем гидравлического ударного механизма, составлена математическая модель рабочего процесса, содержащая дифференциальные уравнения движения основных звеньев. Путем сравнения данных, полученных в результате моделирования и натурного эксперимента, доказана адекватность разработанной математической модели.

В авторском свидетельстве [10] Тимошенко Г. М., Селивра С. А., Зима П. Ф. и Сикоруский В. И. описывают изобретение, целью которого является повышение производительности за счет регулирования времени включения и длительности цикла истечения рабочей жидкости.

4. Обоснование структуры и выбор рациональных параметров механизма для ударно-струйного разрушения

Мехатроника – изучает синергетическое объединение узлов точной механики с электронными, электротехническими и компьютерными компонентами с целью проектирования и производства качественно новых модулей, машин, систем и комплексов машин с интеллектуальным управлением и их функциональными движениями. В современных мехатронных системах для реализации высокого качества и точности движения применяются методы интеллектуального управления. Данная группа методов опирается на новые идеи теории управления современным аппаратным и программным средством вычислительной техники, перспективные подходы к синтезу управляемого движения мехатронных систем. Для использования методов автоматизированного проектирования формируют взаимосвязанные функциональную, структурную и конструктивную модели мехатронных модулей, затем планируют движение мехатронной системы в пространстве и во времени, оптимизируя их, например, по критерию максимального быстродействия.

Главными преимуществами данных мехатронных систем являются исключение многоступенчатого преобразования энергии и информации, упрощение кинематических цепей и, следовательно, высокая точность и улучшенные динамические характеристики, конструктивная компактность модулей, улучшенные массогабаритные характеристики. Возможность объединения мехатронных модулей в сложные мехатронные системы, и комплексы, допускающие быструю реконфигурацию, относительно низкая стоимость установки, настройки и обслуживания системы, благодаря модульности конструкции, унификации аппаратных и программных средств, способность выполнять сложные движения, благодаря применению методов адаптивного и интеллектуального управления. Эти преимущества мехатронной системы управления можно использовать для создания, настраиваемого мехатронного блока механизма ударно-струйного разрушения.

Изыскание новых физических методов разрушения не дали пока серьезных положительных результатов в отраслях народного хозяйства, поэтому совершенствование традиционных способов на сегодняшний день продолжает оставаться актуальной задачей.

Одним из наиболее перспективных направлений в данной области, является использование энергии высокоскоростных струй воды для резания горных пород и твердых материалов. Гидроструйные технологии получили признание во всем мире, как одно из перспективных направлений развития техники и технологии, способное решать вопросы повышения производительности и безопасности проведения очистных, подготовительных и вспомогательных работ. Отсутствие контакта режущего инструмента (струи воды) с разрушаемым массивом, возможность снижения металлоемкости оборудования при одновременном увеличении его энерговооруженности за счет дистанционного расположения энергетического оборудования, эффективное обеспечение пылевзрывозащиты являются основными преимуществами этого способа разрушения. С другой стороны, высокая энергоемкость гидравлического разрушения является фактором, сдерживающим его широкое внедрение для создания исполнительных органов породоразрушающих машин.

Принципиальная схема предлагаемого ударно-струйного устройства представлена на рисунке 1.

Обозначения: 1 – насосная станция; 2 – гидропневмоаккумулятор; 3, 4 – двухпозиционный распределитель с электрическим управлением; 5, 6 – трехлинейный двухпозиционный распределитель с гидравлическим управлением; 7 – двухпозиционный двухлинейный распределитель; 8 – поршень гидромолота; 9 – поршневая камера гидромолота; 10 – штоковая камера гидромолота; 11 – боек; 12 – исполнительный орган; 13 – обратный клапан; 14 – дроссель; 15 – поршень импульсатора; 16 – поршневая камера импульсатора; 17 – штоковая камера импульсатора; 18 – вытеснитель; 19 – вытеснительная камера; 20 – сопло; 21 – обратный клапан; 22 – дроссель; 23 – обратный клапан.

В данной схеме рабочий цилиндр выполнен в виде цилиндра двойного действия, т.е. его рабочие камеры попеременно соединяются с напорной и сливной линиями, а реверсирование движения поршня осуществляется посредством двухпозиционного золотникого гидрораспределителя с обратными связями по положению поршня.

1) Только гидромолот – в исходном положении золотник распределителя 5 под действием установленной под его торцом пружины находится в позиции, обеспечивающей соединение штоковой полости рабочего цилиндра 10 (камеры холостого хода) с напорной линией, а поршневой полости 9 с линией слива. При включении подачи насоса 1 поршень 8 движется ускорено «влево» вытесняя жидкость из поршневой полости в сливную линию. После перемещения на заданное расстояние поршень перекрывает в гильзе цилиндра сливные отверстия, давление над поршнем повышается, воздействует на торец золотника 5 и переключает последний в позицию рабочего хода, т.е. соединяет поршневую полость 9 с напорной, а штоковую полость 10 со сливной линией. Поршень 8 затормаживается и начинает ускоренно двигаться в сторону инструмента 12. Непосредственно перед ударом поршень 9 открывает проточку, соединяющую через обратный клапан 13 поршневую полость со сливной линией. Вследствие этого давление в поршневой полости 9 и над торцом золотника 5 падает до величины, при значении которой пружина переключает золотник в позицию взвода бойка. Боек 11 наносит удар по инструменту 12, далее циклы работы молота повторяются. Для предотвращения удара поршня 8 и 15 о стенку цилиндра во время удара, установлен дроссель 14 и 22.

2) Только гидроимпульсатор – работа импульсатора полностью идентична работе гидромолота. Жидкость для выстрела поступает, в момент взвода поршня 15, в камеру 19 через обратный клапан 23. Распределитель 7 служит для выбора источника для обратной связи. В данном режиме жидкость для обратной связи поступает из камеры 16.

3) Комбинированный режим – попеременно работает гидромолот и гидроимпульсатор. Данный режим осуществляется с помощью переключения распределителя 7 и соединения торца золотника 6 с полостью 9.

Принцип действия комбинированного ударно-струйного механизма представлен в анимированном изображении (рис. 2).

Выбор режима работы мехатронного блока осуществляется с помощью нажатия кнопки, соответствующей требуемому режиму. Пример данной панели представлен на рисунке 3.

Для составления математической модели составляем расчетную схему (рис. 4) и принимаем допущение, что в блоке системы управления отсутствует инерционность деталей, а поршневые и штоковые полости в рабочих органах попеременно соединяются с напорной и сливной линией. Модель выбирается со средоточенными параметрами и составляются дифференциальные уравнения движения поршней молота и импульсатора.

Движение поршня-бойка гидромолота (X) и импульсатора (Z):

где P₁, P₂, P₃, P₄, P₅ – давление жидкости в соответствующей камере;

S₁, S₂, S₃, S₄, S₅ – площадь поршня в соответствующей камере;

F_тр – сила трения в уплотнениях:

Для гидромолота:

Для гидроимпульсатора:

где f – коэффициент трения в уплотнении;

D – диаметр поршня, соответствующего устройства;

d – диаметр штока, соответствующего устройства.

Система может находиться в двух состояниях – удар(выстрел) или взведение. Значит для определения параметров требуется по два уравнения:

1) Удар гидромолота:

где Р₀ – давление, создаваемое насосной станцией;

а_н и а_сл – сопротивление в напорной и сливной линиях;

Q₁ и Q₂ – расходы в поршневой и штоковой камере соответственно.

2) Взведение молота:

Для импульсатора:

Выстрел:

2) Взведение:

где Q₃, Q₄ и Q₅ – расходы в поршневой, штоковой и вытеснительной камере соответственно; а_в – сопротивление в линии.

Расход жидкости определяется:

где S – площадь поверхности поршня в требуемой камере.

Данные уравнения движения могут быть использованы для моделирования процесса работы системы и нахождения энергетических показателей гидромолота и импульсатора – энергия удара гидромолота, частота работы, энергия импульса гидроимпульсатора и расход в камере вытеснителя.

Выводы

Магистерская диссертация посвящена обоснованию структуры и выбору рациональных параметров механизма для ударно-струйного разрушения. На данном этапе описана схема устройства ударно-струйного разрушения. Она принимается за базовую для дальнейшей работы. Данная принципиальная схема будет использована для построения 3D модели комбинированного рабочего органа. Была составлена структурная схема для описания математической модели с мгновенным переключением в системе управления. Эта модель будет использована для нахождения энергетических параметров системы для последующей рационализации и оптимизации параметров рабочего органа и требующегося гидравлического оборудования.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: июнь 2018 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Кузьмин И.А., Рутберг М.И., Мерзляков В.Г. Выбор эффективной схемы комбинированного разрушения горного массива высоконапорной струей воды и дисковой шарошкой. – Научное сообщ. /ИГД им. А.А. Скочинского, 1984, вып. 230, с.86 – 90
2. Лабутин В. И. Перспективы применения комбинированного способа разрушения горных пород – /Горный информационноаналитический бюллетень. – 2015. – №12. – С. 325-333
3. Мерзляков В. Г. Опыт применения гидравлических струй высокого давления при создании эффективных средств разрушения горных пород /Маркшейдерский вестник. – М., 2010. – №1 (январь-февраль) – С. 33-39.
4. Лабутин В.Н. Комбинированный способ разрушения при выемке угольных пластов с породными включениями – /Горный информационноаналитический бюллетень. – 2015. – №12. – С. 325-333
5. Лабутин В.Н.,Марков В.С. Перспективы применения комбинированного способа разрушения горных пород – /Горный информационноаналитический бюллетень. – 2015. – №12. – С. 325-333
6. Савченко Н. В., Яхно О. М. Гидродинамические способы создания пульсирующих струй для гидроразрушения твердых материалов -/НТУУ «КПИ». – 2002. – №4. – С. 67
7. А. с. 4450319 А1 СССР : E21C 37/00. Ударно-струйное гидравлическое устройство / правообладатели: В.Д. Павленко, Ю.Н. Голубейко, В.Г. Татарко, Л.Ф. Федоров – № 1555474; заяв. 28.06.1988; опуб. 07.04.1990 Бюллетень №3. – 2 с.
8. Бойко Н. Г., Коломиец В. С., Геммерлинг О. А. Определение рациональной частоты струи гидроимпульсной установки для проведения добычных работ /Наукові праці Донецького національного технічного університету. Випуск 18(172), серія гірничо-електромеханічна. - Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2010. - С.124-130
9. Устименко Т.А., Кононенко А.П., Селивра С.А., Яценко, А.Ф., Математическая модель рабочего процесса гидравлического ударного механизма /Наукові праці Донецького національного технічного університету. Випуск 16(142), серія гірничо-електромеханічна. – Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2008.– 306 с.
10. А.с. 3868919 А1 СССР : E21C 37/00. Ударно-струйное гидравлическое устройство / правообладатели: Г.М. Тимошенко, С.А. Селивра, П.Ф. Зима, В.Г. Тимошенко, А.Ф. Яценко, В.И. Сикорский – №1286762; заяв. 14.03.1985 ; опуб. 30.01.1987, Бюллетень №4. – 3 с.
11. Худин Ю.Л., Маркман Л.Д., Вареха Ж.П., Цай П.М. Разрушение пород комбинированными исполнительными органами – М., Недра, Ц 1978 – 60с.
12. Коняшин Ю. Г. Эффективность применения статического и ударного способов разрушения горных пород различной крепости // Научные сообщения. – М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1974. – №125.
13. Сигаев Е.А. Исследование гидроотбойки пульсирующими гидроманиторными струями //Известия ВУЗов. Горный журнал, 1964. – Вып. 2.