ДонНТУ   Портал магістрів

Усенко Костянтин Юрійович

Факультет інженерної механіки та машинобудування

Кафедра енергомеханічних систем

Спеціальність Гідравлічні і пневматичні машини

Обгрунтування структури і пошук раціональних параметрів механізму для ударно-струминного руйнування

Науковий керівник: к. т. н., доцент Устименко Тетяна Олексіївна

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати
• 3. Огляд досліджень та розробок
• 3.1 Огляд міжнародних джерел
• 3.2 Огляд національних джерел
• 3.3 Огляд локальних джерел
• 4. Підхід до уніфікації синтезу автоматів Мура в базисі FPGA
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

Серед традиційних способів руйнування вугілля і гірських порід найбільшого поширення набули буропідривний і механічний (різання та ударне руйнування). Дослідження нових фізичних методів руйнування не дали поки що серйозних позитивних результатів у гірничій промисловості, тому вдосконалення традиційних способів на сьогоднішній день продовжує залишатися актуальним завданням.

Буропідривною спосіб, поряд з головною своєю перевагою – універсальністю, має ряд серйозних недоліків. Незважаючи на проведену останнім часом його модернізацію: використання нових ВВ, вдосконалення засобів буріння, схем підривання і т.п., підвищуючих його технологічність і безпеку, цей спосіб продовжує викликати занепокоєння за наслідки його широкого застосування.

Одним з найбільш перспективних напрямків в даній області, є використання енергії високошвидкісних струменів води для різання гірських порід і твердих матеріалів. Гідроструминні технології отримали визнання у всьому світі, як один з перспективних напрямків розвитку техніки і технології, які здатні вирішувати питання підвищення продуктивності і безпеки проведення очисних, підготовчих і допоміжних робіт на шахтах. Відсутність контакту різального інструменту (струменя води) з масивом, що руйнюється, можливість зниження металоємністі забійного обладнання при одночасному збільшенні його енергоозброєність за рахунок дистанційного розташування енергетичного обладнання, ефективне забезпечення пиловибухозахисту є основними перевагами цього способу руйнування. З іншого боку, висока енергоємність гідравлічного руйнування є чинником, що стримує його широке впровадження для створення виконавчих органів породоразрушаючих машин.

1. Актуальність теми

Як показують результати досліджень ряду науково-дослідних інститутів [1], одним з перспективних напрямків в області руйнування порід і інших міцних матеріалів є створення виконавчих органів комбайнів, які здійснюють руйнування різними комбінованими способами. Найбільш перспективним, на наш погляд, є спосіб, що поєднує в собі руйнування ударним інструментом і високонапірної струменем. Він має ряд переваг, таких як підвищення стійкості робочого інструмента, зниження енергоємності процесу руйнування. Відомі численні розробки пристроїв ударної дії для руйнування масиву (гідромолоти) в основному в якості робочої рідини використовують індустріальні масла. Для порівняльного аналізу наведена таблиця 1, в якій вказані переваги і недоліки основних методів руйнування. Для створення комбінованого органу руйнування найбільш раціональним бачиться комплексне використання гідромолота і струменевого імпульсатора, що працюють на технічній воді. Це дозволить зробити процес руйнування економічним і екологічним.

Таблиця 1 – Основні методи руйнування

Магістерська робота присвячена актуальній науковій задачі – розробці та обґрунтуванню структури і вибір раціональних параметрів механізму для комбінованого методу руйнування, з використанням в якості робочого органу гідравлічного молоту і струменевого імпульсатора.

2. Мета і задачі дослідження та заплановані результати

Метою дослідження є розробка та обґрунтування структури, вибір раціональних параметрів механізму для ударно-струминного руйнування.

Основні завдання дослідження:

1. Аналіз методів руйнування твердих порід.
2. Оцінка способів руйнування.
3. Створення та оцінка мехатронного блоку для ударно-струминного руйнування.
4. Складання математичної моделі і пошук раціональних параметрів механізму.

Об'єкт дослідження: руйнування твердих матеріалів комбінованим способом.

Предмет дослідження: мехатронний блок комбінованого руйнування, що поєднує в собі гідромолот і гідроімпульсатор.

В рамках магістерської роботи планується отримання актуальних наукових результатів за наступними напрямками:

1. Розробка принципової схеми для мехатронного блоку ударно-струминного руйнування.
2. Складання математичної моделі і використання її для визначення раціональних параметрів мехатронного блоку.
3. Створення мехатронної системи управління механізмом.

3. Огляд досліджень та розробок

Вивчення методів комбінованого руйнування порід найбільш активно проводилося в СРСР, Російської Федерації та України, зокрема в нашому університеті ДонНТУ. Тому зробити огляд міжнародних джерел, крім СРСР і Російської Федерації, досить складне завдання. Так как, наприклад, в Німеччині і Великобританії основним комбінованим способом руйнування порід є поєднання ударного і ріжучого інструменту. Однак є і винятки у вигляді комбайна Великобританський фірми «Добсон», яка запатентувала спосіб і комбайн для відбивання міцних порід, сутність яких полягає в освіті на забої щілин за допомогою струменевого органу з подальшим сколюванням міжщилинний ціликів.

3.1 Огляд міжнародних джерел

Лабутин В. І., Марков В. С. пропонують ідею об'єднання декількох способів руйнування в одному пристрої вже знайшла своє застосування в деяких видах комбінованих механізмів. Відомі режуще-ударні комбіновані механізми руйнування [2], які об'єднують переваги двох способів і покращують показники продуктивності до 2-х разів.

За даними робіт В. Г. Мерзлякова, В. Е. Бафталовского, В. Н. Байдінова [3] застосування гідромеханічного способу, що полягає в одночасному впливі на руйнується масив високошвидкісних струменів води і механічних інструментів (різців або дискових шарошок), забезпечує підвищення продуктивності на 30 - 70% при пилоподавлення до 99%, розширення сфери застосування на більш міцні і абразивні породи без збільшення маси комбайна.

Дослідження комбінованого руйнування гірських порід, масивів і вугільних пластів дозволяють побачити зниження енергоємності робіт [4, 5]. детально пояснюється використання комбінованого способу в роботах В.І. Лабутина кандидат технічних наук, старший науковий співробітник лабораторії буріння і технологічних імпульсних машин інституту гірничої справи ім. Н. А. Чінакала СО РАН

3.2 Огляд національних джерел

Н.В.Савченко, О.М.Яхно в своїй роботі [6] провели дослідження, в яких отримали закон розподілу швидкостей, який є необхідним для визначення кінетичної енергії як основний гідродинамічної характеристикою струменя при взаємодії її з масивом. Запропонували метод підвищення ефективності руйнування за рахунок наявності двох джерел пульсації в потоці (пульсатор і вібруючий насадок), можливо, регулювати амплітудно-частотну характеристику формованої струменя і в разі необхідності забезпечувати резонансний режим.

В авторському свідоцтві [7] Павленко В. Д., Голубейко Ю. М., Татарка В. Г. і Федоров Л. Н. описують винахід, метою якого є підвищення продуктивності за рахунок забезпечення впливу на забій повторного гідравлічного імпульсу.

3.3 Огляд локальних джерел

У Донецькому національному технічному університеті (далі ДонНТУ) накопичено значний досвід по створенню гідроімпульсної техніки. Роботи ДонНТУ показують ефективність як імпульсного струминного, так і ударного руйнування. Енергоємність руйнування імпульсними струменями в 12 разів нижче статичного струминного різання. Очікується, що комбінування двох способів дасть значне зростання продуктивності машини. Застосування таких машин дозволяє знизити енергоємність руйнування і масу машин.

В роботі [8] Бойко Н. Г., Коломієць В. С., Геммерлінг О. А. визначають раціональну частоту струменя і крок руйнування вугільного масиву імпульсної струменем і пропонують нову схему відпрацювання пласта з легко обвалюються, тріщинуватих вугіллям. В роботі описані проблеми механізації очисних та підготовчих робіт, проведено аналіз публікацій, в яких використовується гідроімпульсними установка для руйнування вугільних пластів.

В роботі [9] розглядаються передумови ефективності комбінованого способу руйнування твердого масиву за допомогою механічного удару і імпульсної струменя. Досліджено одна з принципових схем гідравлічного ударного механізму, складена математична модель робочого процесу, яка містить диференціальні рівняння руху основних ланок. Шляхом порівняння даних, отриманих в результаті моделювання і натурного експерименту, доведена адекватність розробленої математичної моделі.

В авторському свідоцтві [10] Тимошенко Г. М., Селівра С. А., Зима П. Ф. і Сікорускій В. І. описують винахід, метою якого є підвищення продуктивності за рахунок регулювання часу включення і тривалості циклу закінчення робочої рідини.

4. Обгрунтування структури і пошук раціональних параметрів механізму для ударно-струминного руйнування

Мехатроніка - вивчає синергетичне об'єднання вузлів точної механіки з електронними, електротехнічними і комп'ютерними компонентами з метою проектування і виробництва якісно нових модулів, машин, систем і комплексів машин з інтелектуальним керуванням і їх функціональними рухами. В сучасних мехатронних системах для реалізації високої якості і точності руху застосовуються методи інтелектуального управління. Ця група методів спирається на нові ідеї теорії управління сучасним апаратним і програмним засобом обчислювальної техніки, перспективні підходи до синтезу керованого руху мехатронних систем. Для використання методів автоматизованого проектування формують взаємопов'язані функціональну, структурну та конструктивну моделі мехатронних модулів, потім планують рух мехатронної системи в просторі і в часі, оптимізуючи їх, наприклад, за критерієм максимального швидкодії.

Головними перевагами даних мехатронних систем є виняток багатоступінчастого перетворення енергії та інформації, спрощення кінематичних ланцюгів, висока точність і поліпшені динамічні характеристики, конструктивна компактність модулів, поліпшені масогабаритні характеристики. Можливість об'єднання мехатронних модулів в складні мехатронні системи, і комплекси, що допускають швидку реконфігурацію, відносно низька вартість установки, настройки і обслуговування системи, завдяки модульності конструкції, уніфікації апаратних і програмних засобів, здатність виконувати складні рухи, завдяки застосуванню методів адаптивного та інтелектуального управління. Ці переваги мехатронної системи управління можна використовувати для створення, що настроюється мехатронного блоку механізму ударно-струминного руйнування.

Дослідження нових фізичних методів руйнування не дали поки що серйозних позитивних результатів в галузях народного господарства, тому вдосконалення традиційних способів на сьогоднішній день продовжує залишатися актуальним завданням.

Одним з найбільш перспективних напрямків в даній області, є використання енергії високошвидкісних струменів води для різання гірських порід і твердих матеріалів. гідроструминні технології отримали визнання у всьому світі, як один з перспективних напрямків розвитку техніки і технології, здатне вирішувати питання підвищення продуктивності та безпеки проведення очисних, підготовчих і допоміжних робіт. Відсутність контакту різального інструменту (струменя води) з руйнується масивом, можливість зниження металоємності обладнання при одночасному збільшенні його енергоозброєності за рахунок дистанційного розташування енергетичного обладнання, ефективне забезпечення пиловибухозахисту є основними перевагами цього способу руйнування. З іншого боку, висока енергоємність гідравлічного руйнування є чинником, що стримує його широке впровадження для створення виконавчих органів породоразрушающих машин.

Принципова схема ударно-струминного пристрою представлена на малюнку 1.

Позначення: 1 – насосна станція; 2 – гідропневмоаккумулятор; 3, 4 – двопозиційний розподільник з електричним керуванням; 5, 6 – трилінійний двопозиційний розподільник з гідравлічним управлінням; 7 – двопозиційний дволінійних розподільник; 8 – поршень гідромолота; 9 – поршнева камера гідромолота; 10 – штокова камера гидромолота; 11 – бойок; 12 – виконавчий орган; 13 – зворотний клапан; 14 – дросель; 15 – поршень імпульсатора; 16 – поршнева камера імпульсатора; 17 – штокова камера імпульсатора; 18 – витіснювач; 19 – витіснювальний камера; 20 – сопло; 21 – зворотний клапан; 22 – дросель; 23 – зворотний клапан.

В даній схемі робочий циліндр виконаний у вигляді циліндра подвійної дії, тобто його робочі камери поперемінно з'єднуються з напірної і зливної лініями, а реверсування руху поршня здійснюється за допомогою двохпозиційного золотник гідророзподільника з зворотними зв'язками по положенню поршня.

1) Тільки гідромолот - в початковому положенні золотник розподільника 5 під дією встановленої під його торцем пружини знаходиться в позиції, що забезпечує з'єднання штоковой порожнини робочого циліндра 10 (камери холостого ходу) з напірної лінією, а поршневий порожнини 9 з лінією слива. При включенні подачі насоса 1 поршень 8 рухається прискорено «вліво» витісняючи рідину з поршневий порожнини в зливну лінію. Після переміщення на задану відстань поршень перекриває в гільзі циліндра зливні отвори, тиск над поршнем підвищується, впливає на торець золотника 5 і перемикає останній в позицію робочого ходу, тобто з'єднує поршневу порожнину 9 з напірної, а штокову порожнину 10 із зливною лінією. Поршень 8 загальмовується і починає прискорено рухатися в бік інструменту 12. Безпосередньо перед ударом поршень 9 відкриває проточку, з'єднує через зворотний клапан 13 поршневу порожнину із зливною лінією. Внаслідок цього тиск в поршневий порожнини 9 і над торцем золотника 5 падає до величини, при значенні якої пружина перемикає золотник в позицію взводу бойка. Бойок 11 завдає удару по інструменту 12, далі цикли роботи молота повторюються. Для запобігання удару поршня 8 і 15 об стінку циліндра під час удару, встановлений дросель 14 і 22.

2) Тільки гідроімпульсатор – робота імпульсатора повністю ідентична роботі гідромолота. Рідина для пострілу надходить, в момент взводу поршня 15, в камеру 19 через зворотний клапан 23. Розподільник 7 служить для вибору джерела для зворотного зв'язку. В даному режимі рідина для зворотного зв'язку надходить з камери 16.

3) Комбінований режим - поперемінно працює гідромолот і гідроімпульсатор. Даний режим здійснюється за допомогою перемикання розподільника 7 і з'єднання торця золотника 6 з порожниною 9.

Принцип дії комбінованого ударно-струминного механізму представлений в анімованому зображенні (мал. 2).

Вибір режиму роботи мехатронного блоку здійснюється за допомогою натискання кнопки, відповідної необхідному режиму. Приклад даної панелі представлений на малюнку 3.

Для складання математичної моделі складаємо розрахункову схему (мал. 4) і приймаємо припущення, що в блоці системи управління відсутня інерційність деталей, а поршневі і штокові порожнини в робочих органах поперемінно з'єднуються з напірної і зливної лінією. Модель вибирається з осередком параметрами і складаються диференціальні рівняння руху поршнів молота і імпульсатора.

Рух поршня-бойка гідромолота (X) та імпульсатора (Z):

де P₁, P₂, P₃, P₄, P₅ – тиск рідини у відповідній камері;

S₁, S₂, S₃, S₄, S₅ – площа поршня у відповідній камері;

F_тр – сила тертя в ущільненнях:

Для гідромолота:

Для гідроімпульсатора:

де f – коефіцієнт тертя в ущільненні;

D – діаметр поршня, відповідного пристрою;

d – діаметр штока, відповідного пристрою.

Система може знаходитися в двох станах – удар (постріл) або зведення. Це значить, що для визначення параметрів потрібно по два рівняння:

1) Удар гідромолота:

де Р₀ – тиск, що створюється насосною станцією;

а_н и а_сл – опір в напірній і зливній лініях;

Q₁ и Q₂ – витрати в поршневий і штоковой камері відповідно.

2) Зведення молота:

Для гідроімпульсатора:

Постріл гідроімпульсатора:

2) Зведення гідроімпульсатора:

де Q₃, Q₄ и Q₅ – витрати в поршневий, штоковой і витіснювальний камері відповідно; а_в – опір в лінії.

Витрата рідини визначається:

де S – площа поверхні поршня в необхідній камері.

Дані рівняння руху можуть бути використані для моделювання процесу роботи системи і знаходження енергетичних показників гидромолота і імпульсатора – енергія удару гидромолота, частота роботи, енергія імпульсу гідроімпульсатора і витрата в камері витіснювача.

Висновки

Магістерська дисертація присвячена обґрунтуванню структури і вибору раціональних параметрів механізму для ударно-струминного руйнування. На даному етапі описана схема пристрою ударно-струминного руйнування. Вона приймається за базову для подальшої роботи. Дана принципова схема буде використана для побудови 3D моделі комбінованого робочого органу. Була складена структурна схема для опису математичної моделі з миттєвим перемиканням в системі управління. Ця модель буде використана для знаходження енергетичних параметрів системи для подальшої раціоналізації та оптимізації параметрів робочого органу і потрібного гідравлічного обладнання.

При написанні даного реферату магістерська дисертація ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2018 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

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.