Содержание к диссертации
Введение
1. Машины ударного действия: состояние вопроса, цель и задачи исследования 12
1.1. Состояние и перспектива развития минерально-сырьевого комплекса России 12
1.2. Анализ результатов эксплуатации и области применения машин с ударно-скалывающим исполнительным органом 15
1.3. Принцип действия и конструкции гидроударииков 24
1.4. Технологическая машина с ударно-скалывающим исполнительным органом как объект исследования 31
1.5. Математическое моделирование и исследование гидравлических устройств ударного действия 38
Выводы 44
2. Анализ технического уровня машин ударного действия 45
2.1. Анализ структуры гидравлической машины с ударно-скалывающим исполнительным органом избирательного действия 45
2.2. Анализ технического уровня горных машин с ударно-скалывающим исполнительным органом 50
2.3. Анализ параметров гидравлических устройств ударного действия 56
2.4. Анализ принципиальных схем гидроударников 61
2.5. Технические условия на гидроударники горных машин... 65
Выводы... „...68
3. Выбор компоновки и разработка математической модели гидроударника с управляемой камерой рабочего хода 69
3.1. Выбор компоновки гидроударника 69
3.1.1. Компоновка ударного механизма с датчиком положения бойка 70
3.1.2. Анализ параметров и синтез распределителя блока управления 76
3.2. Математическая модель гидроударника 82
4 3.2.). Структура рабочего цикла гидроударника 83
3.2.2. Математическая модель 88
3.3. Программное обеспечение для реализации математической модели 92
3.4. Определение конструктивных и режимных параметров ударного механизма „101
Выводы 107
4. Экспериментальные исследования гидроударников 109
4.1. Объекты и стенды для проведения исследований 109
4.2. Методические особенности и измерительно-регистрирующая аппаратура 116
4.3. Исследование рабочего цикла гидроударника ГУ-400/600 с управляемой камерой рабочего хода , 121
4.4. Исследование рабочего цикла гидропневмоударника УПГ-250 с
управляемой камерой обратного хода 127
4.4.1. Энергетические показатели гидропневмоударника УПГ-250 132
4.5. Влияние работающего гидроударника на манипулятор базовой машины 136
Выводы , 140
5. Реализация результатов исследования -создание гидравлических устройств ударного действия и ударно-скалывающих исполнительных органов 142
5.1. Гидравлические устройства ударного действия 142
5.2. Горные машины МГТ-1, МГП-1 с ударно-скалывающим исполнительным органом 148 Широко применяющийся способ разрушения горных пород - механическое резание, как показал отечественный и зарубежный опыт, оправдан на относительно слабых горных породах и углях. Буровзрывной способ обеспечивает разрушение пород выше средней крепости и крепких, ио понижает устойчивость пород непосредственно прилегающих к горным выработкам, что особенно проявляется при ведении работ на больших глубинах, негативно влияет на окружающую среду и требует повышенных мер безопасности. В связи с этим проводятся работы по изысканию и реализации эффективных способов воздействия на породы выше средней крепости и крепкие с целью их разрушения, и в ряду перспективных механический удар.
Удар, как способ воздействия на объект с целью изменения его формы или разрушения, известен из древности. Однако энергия удара длительное время ограничивалась физическими возможностями человека. Единственным мобильным устройством долго оставался ручной пневматический отбойный молоток с небольшой энергией удара, которая у современных моделей не превышает 45 Дж, Только во второй половине XX в. с развитием и широким применением гидропривода в технологических машинах была заложена основа для формирования относительно нового направления в технике - машины ударного действия.
В 60-е годы в ряде стран проведена промышленная апробация принципиально новых конструкций машин с ударно-скалывающим исполнительным органом для разрушения горных пород, оснащённых мощными гидроударниками.
Фирма «Хаусхерр» (Hausherr, Германия) в 1963 г. выпустила машину типа GSR для поддирки почвы с ковшовым исполнительным органом, оснащённым тяжёлыми отбойными молотками, которые в машине новой серии «Unisenk» были заменены гидроударниками [14, 15],
В 1966 г. научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт (MRDE) при Государственном управлении Великобритании начал испытания ма 16 шин с исполнительным органом ударного действия для проведения штреков в подземных условиях, дробления негабаритов на карьерах [16].
Учёные Карагандинского политехнического института (СССР, Казахстан) в 1966 - 1968 гг. провели шахтные испытания статико-динамических угольных стругов СДС-1 и СДС-2 с гидропневматическим исполнительным органом ударного действия для разрушения крепких и вязких углей [17, 18].
Фирма «Крупп» (ЬСгирр, Германия) в 1967 г. предложила на рынке горного оборудования гидромолот НМ 400, который монтировался на стреле гидравлического экскаватора и предназначался для разрушения мерзлых и скальных грунтов, дробления негабаритов до транспортабельных размеров [19].
Фирма «Секома» (Sekoma, Франция) выпустила машину для удаления (оборки) отслоившихся кусков породы с кровли выработок, оснащенную гидроударником РМ 400 (от гидравлической бурильной машины модели RPH 400), смонтированным на манипуляторе модели BYAL 1100 [16].
Учитывая, что энергоемкость разрушения пород ударом (17-25 Дж/см3) наименее низкая из механических способов, практически применяемых в горнодобывающей промышленности, уступает только взрыву (6 Дж/см3) [16], а гидропривод обеспечивает создание компактного устройства, разработчики изначально определили достаточно широкую область применения машин ударного действия.
После представления машин нового класса на выставке горного дела в Лондоне (1972 г.) к ним проявили интерес в угледобывающих странах: Великобритании, Германии, Польше, Франции. В Германии с началом эксплуатации угольных горизонтов на глубине от 850 до 1200 м к середине 80-х годов около 25 % парка проходческих машин каменноугольной промышленности составили машины с ударно-скалывающим исполнительным органом [9, 10, 20], Положительные результаты апробации первых машин в каменноугольных шахтах стимулировали их создание и применение в различных отраслях промышленности: дорожностроительной, металлургической, коммунальной и др.
В настоящее время известны десятки моделей бурильных [21, 22], проходческих [16, 23, 24], поддирочно-погрузочных [14, 16], очистных [18, 25, 26], свае 17 погружающих и грунтоуплотняющих [27, 28],строительно-дорожных [26] машин, бутобоев [16, 29], а также машин для оборки кровли [16, 30, 31], прокладки инженерных коммуникаций [32] и ремонта металлургического оборудования [33] с исполнительным органом ударного действия, разработанные зарубежными фирмами и отечественными предприятиями. Одни из них выпускаются серийно и эксплуатируются в различных отраслях промышленности, другие изготовлены в виде опытных и экспериментальных образцов для проведения научно-исследовательских работ и апробации конструктивных решений.
Серийный выпуск машин осуществляют преимущественно зарубежные фирмы, в их числе «Зальцгиттер» (Salzgitter), «Клёкнер-Бекорит» (Klocner-Becorit), «Хаусхерр» (все Германия), «Гаплик Добсон», «Эймко», «Майнинг Дивелоп-ментс», (все Великобритания), «Ингерсолл Ренд» (Ingersoll-Rand, США), «Раммер-Тамрок» (Финляндия), «Секома», «Монтабер» (Montabert, Франция), «Атлас Копко» (Atlas Сорсо, Швеция), создавшие для горнодобывающих предприятий технологические машины различного назначения (рис. 1.1). Технические характеристики ряда моделей приведены в приложении 1 [8, 16,20, 23, 30,34,35,36, 37, 38, 39].
Известны проходческие машины (рис. 1.1, а, г) ударного действия, состоящие из ударно-скалывающего исполнительного органа, механизма перемещения, электрогидравлического привода, системы управления, а также проходческие комбайны (рис. 1.1, б, в), оборудованные еще одним функциональным элементом -погрузочным органом.
В результате применения проходческих машин с ударно-скалывающим исполнительным органом в угольной промышленности отмечено увеличение среднесуточной скорости проведения горных выработок на 42 - 50 %, уменьшение трудоёмкости проходки одного метра, а также улучшение состояния боковых пород по сравнению с буровзрывным способом проходки, что позволило перейти на использование более легкого профиля крепи и сократить расходы на её возведение [8, 16, 11].
5.3. Горнопроходческий комбайн «Кварц» 155
5.4. Навесное оборудование мобильных машин 158
5.5. Методика инженерного расчета параметров гидроударника с
управляемой камерой рабочего хода 160
Выводы , 163
Заключение 164
Список использованных источников
- Анализ результатов эксплуатации и области применения машин с ударно-скалывающим исполнительным органом
- Анализ технического уровня горных машин с ударно-скалывающим исполнительным органом
- Программное обеспечение для реализации математической модели
- Исследование рабочего цикла гидроударника ГУ-400/600 с управляемой камерой рабочего хода
Введение к работе
Объективной реальностью добычи полезных ископаемых в XXI в. является усложнение горно-геологических условий, в том числе увеличение глубины залегания, горного давления, средней крепости и температуры пород, нарушенное пластов и рудных тел.
При добыче полезных ископаемых и выполнении подготовительных работ связанных с разрушение горных пород на практике используется преимущественно два способа воздействия на горный массив - механическое резание и взрыв. Механическое резание, как показал широкий отечественный и зарубежный опыт, оправдано на относительно слабых горных породах и углях. Буровзрывной способ обеспечивает разрушение пород выше средней крепости и крепких, но имеет ряд недостатков: нарушает целостность пород непосредственно прилегающих к горным выработкам, что особенно проявляется при ведении работ на больших глубинах в зонах высокого горного давления; относительно низкая производительность из-за цикличности работ; требует повышенных мер безопасности. Отказ от буровзрывного рыхления вскрышных пород позволит сократить расходы на добычу угля открытым способом почти на 30 %.
Таким образом, создание техники, обеспечивающей требуемую производительность и безопасность работ при проведении технологических операций в современных горно-геологических условиях, связано с реализацией механического способа разрушения пород повышенной крепости (<гСж^ бО.МПа), разрабатываемых до настоящего времени с применением взрыва.
В связи с этим проводятся работы по изысканию и реализации новых способов воздействия на горный массив, обеспечивающих эффективное разрушение пород выше средней крепости. К числу перспективных относится механический удар, который обеспечивает высокую концентрацию нагрузки на локальном уча- стке забоя и по энергоемкости разрушения (17-25 Дж/см ) уступает из практиче-ски применяемых в горнодобывающей промышленности только взрыву (6 Дж/см ).
При широком применении и повышении мощности гидропривода технологических машин механический удар может быть реализован с использованием гидравлических устройств ударного действия - гидроударников с рациональными параметрами, обеспечивающими их применение как с ранее созданными, так и проектируемыми машинами.
Анализ результатов промышленного применения технологических машин ударного действия показал, что они обеспечивают разрушение горных пород, скальных и мерзлых грунтов, металлургического шлака и строительных материалов различной прочности, а производительность по разрушению минеральных сред зависит от структуры, условий залегания и энергии единичного удара. Имеются данные о разрушении пород в массиве с сопротивлением на сжатие (сгсж) до 10 МПа, а при вторичном дроблении - до 18 МПа. При проведении выработок по породам средней и выше средней крепости машины ударного действия обеспечивают сопоставимые с буровзрывным способом проходки технические показатели, хорошее окоитуривание выработки, улучшение состояния боковых пород, повышение уровня безопасности работ.
Таким образом, проблема создания машин ударного действия, которые расширяют область применения механического способа разрушения горных пород и сокращают объемы буровзрывных работ, является актуальной для ряда горнодобывающих отраслей минерально-сырьевого комплекса страны.
Для успешного создания и внедрения технологических машин ударного действия необходимы исследования динамики рабочих процессов, определение рациональных параметров и формирование базы обоснованных конструктивных решений гидроударников, манипуляторов и приводов.
Большой вклад в развитие теоретических основ и создание машин ударного действия внесли отечественные и зарубежные ученые: Александров Е.В., Али- 1 Далее, как и в научно-технической литературе, кроме термина «гилроударпик», используются, в зависимости ат технологического назначения устройства: гидравлический отбойный молоток, гидромолот, бутобой, гидропробой-кик, а в зависимости от типа: пшроударник, гидропневмоударник и т.п. мов О.Д., Ашавский A.M., Бреннер В.А., Войцеховский В.Б., Горбунов В.Ф., Еремьянц В.Э., Ешуткин Д.Н., Кантович Л.И., Кичигин А.Ф., Красников Д.Ю., Лазуткин А.Г., Манжосов В.К., Музгин С.С., Пивень Г.Г., Соколинский В.Б., Ушаков Л.С., Федулов А.И., Янцен И.А., Дрешер П., Менде Е., Мертенс Ф., Сип-пус Т., Bourne, Howkes I., Hermann А., коллективы бывшего СССР - СО АН СССР, ИГД им. А.А. Скочинского, ЦНИИПодземмаша, ДонУГИ, КузНИУИ, ВНИИ-стройдормаша, Института автоматики АН Кирг.ССР, Киевского и Карагандинского политехнических институтов, ПО «Каргормаш», а также России - МГГУ; института гидродинамики СО РАН; Копейского и Кузнецкого машиностроительных, Малаховского экспериментального, Тверского и Ковровского экскаваторных заводов и др. Значительный вклад в исследование динамики и создание горных машин внесли Барон Л.И., Гетопанов В.Н,, Докукин А.В., Картавый Н.Г., Малевич Н.А., Малиованов Д.И., Позин Е.З., Солод В.И., Солод Г.И., Топчиев А.В., Тулин B.C., Хорин В.Н. и др.
Однако большинство исследований и расчетов гидроударников, особенно с управляемой камерой рабочего хода, которые представляются более перспективными для достижения достаточно высоких показателей импульсного энергопреобразования, выполнено с использованием упрощенных моделей, не учитывающих ряда особенностей динамики рабочего цикла.
В связи с этим тема научной работы, посвященной изучению динамики гидроударников с использованием математической модели, описывающей большее число тактов рабочего цикла, экспериментальных исследований натурных образцов, обоснованию параметров, формированию базы конструктивных решений, созданию и промышленным испытаниям машин ударного действия представляется актуальной.
Работа выполнялась в соответствии с решениями Комиссии Президиума СМ СССР № 242 от 22 июля 1981 г., № 261 от 16 июля 1982 г., № 343-9 от 18 сентября 1986 г., с Постановлением ГКНТ СССР № 56 от 12 июля 1984 г., с планами по созданию и внедрению новой техники Минуглепрома СССР, ЦНИИПодземмаша, Копейского машиностроительного завода, по гранту «Ударно-скалывающий скапывающий исполнительный орган горной машины», программам Минобразования РФ (ПТ400, подпрограмма 411, раздел 4 - Исследование и выбор параметров гидроударииков для экологически чистого горного производства; программа б, раздел 6,4, тема 006.04.01.07- Разработка и создание активного ковша штрекопод-дирочной машины), по плану-заданию ПНИЛ «Силовые импульсные системы» Орловского государственного технического университета (гос. per. № 01960002022) и по хоздоговорам с предприятиями.
Цель работы - создание гидравлических устройств ударного действия с пониженной удельной металлоемкостью и управляемой камерой рабочего хода для разрушения горных пород на основе теоретических и экспериментальных исследований кинематики и динамики рабочего цикла с использованием разработанной математической модели и натурных образцов.
Задачи исследования: провести анализ области применения, структуры и технического уровня технологических машин и гидравлических устройств ударного действия; выбрать компоновку ударного механизма с датчиком положения бойка и распределителя, обеспечивающую минимальные конструктивные размеры и пониженную удельную металлоемкость гидроударника с управляемой камерой рабочего хода при заданной энергии удара; разработать математическую модель гидроударника с управляемой камерой рабочего хода и дифференциальным включением бойка с учетом особенностей функционирования, кинематики и динамики рабочего цикла; разработать программное обеспечение для реализации математической модели и провести вычислительные эксперименты по расчету динамических, кинематических и выходных параметров гидроударника с управляемой камерой рабочего хода; провести экспериментальные исследования кинематики и динамики рабочего цикла гидроударников, проверить их работоспособность и правомерность допущений в математической модели; разработать гидроударники и ударно-скалывающие исполнительные органы и провести их опытно-промышленные испытания в представительных горно-геологических условиях; разработать методику инженерного расчета и сформировать рекомендации по проектированию гидроударников.
Методы исследования: обзор, анализ и обобщение результатов исследований и опытно-конструкторских работ; теоретические исследования, основанные на законах кинематики и динамики твердого тела, жидкости и газа; математическое моделирование; программирование и численное решение уравнений в средах Delphi и MathCAD; экспериментальные исследования и промышленные испытания машин.
На защиту выносятся: математическая модель гидроударника с управляемой камерой рабочего хода и дифференциальным включением бойка; методика инженерного расчета конструктивных параметров гидроударника (распределителя, ударного механизма), учитывающая параметры привода; результаты теоретических и экспериментальных исследований; структура и результаты «анализа технического уровня горных машин и гидравлических устройств ударного действия; научно обоснованная компоновка ударного механизма с датчиком положения бойка, обеспечивающая минимальные конструктивные размеры и пониженную удельную металлоемкость гидроударника с управляемой камерой рабочего хода при заданной энергии удара; разработанные конструкции гидроударников и ударно-скалывающих исполнительных органов.
Достоверность полученных результатов обоснована использованием классических теорий механики твёрдого тела, жидкости и газа; применением известных математических методов решения дифференциальных уравнений движения; представительным объемом экспериментальных данных, полученных с использованием стандартных средств измерения; хорошей сходимостью результа- тов теоретических и экспериментальных исследований; положительными результатами опытно-промышленных испытаний созданных гидроударников и ударно-скалывающих исполнительных органов горных машин. Научная новизна работы: впервые в рабочем цикле гидроударника с управляемой камерой рабочего хода выявлено 10 последовательных тактов, характеризующихся новым состоянием одного из элементов входящих в систему; разработана математическая модель 10 последовательных тактов рабочего цикла гидроударника с управляемой камерой рабочего хода, отличающаяся тем, что учитывает совместную работу ударного механизма, распределителя бло-ка управления и гидропневмоаккумулятора, взаимодействие инструмента с забоем и параметры гидропривода; установлены зависимости между конструктивными размерами, режимными параметрами, динамическими и кинематическими характеристиками гидроударника с управляемой камерой рабочего хода и дифференциальным включением бойка с учетом параметров гидропривода; обоснована компоновка ударного механизма с датчиком положения бойка, обеспечивающая минимальные конструктивные размеры и пониженную
4 удельную металлоемкость гидроударника с управляемой камерой рабочего хода при заданной энергии удара и установлены зависимости для расчета минимальных длин бойка и корпуса; - определен технический уровень горных машин с ударно-скалывающим исполнительным органом избирательного действия и гидроударников.
Практическая ценность работы: - подтверждена перспективность проходческих машин с ударно-скалы- вающим исполнительным органом на основе определения относительного показа- « теля — коэффициента технического уровня, рассчитанного по наиболее весомым техническим показателям машин; - разработаны программное обеспечение для реализации математической модели и методика инженерного расчета, которые позволяют определить рацио- налыше конструктивные размеры и режимные параметры гидроударника с управляемой камерой рабочего хода для разрушения горных пород; - разработаны новые конструктивные решения, защищенные авторскими свидетельствами и патентами на изобретение.
Реализация работы: разработаны и испытаны новые конструкции гидроударников УПГ-250, ГУ-400/600, ГУ-2,5/16, 2944, 2944-01, ГМо-1 и ударно-скалывающих исполнительных органов проходческих машин МГТ-1, МГП-1, МТТ-2 "Кварц"; разработаны методики и созданы стенды (СИ-4, СИ-5, МГПс) для исследований и испытаний гидроударников и ударно-скалывающих исполнительных органов; результаты исследований используются в учебном процессе.
Апробация работы. Результаты исследований, проектных работ и испытаний докладывались и получили одобрение на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Орловского государственного технического университета, Карагандинского политехнического института, III Всесоюзной научной конференции по инерционно-импульсным механизмам, приводам и устройствам (Челябинск, 1982 г.), региональной научно-практической конференции «Совершенствование технологии, механизации и автоматизации горных работ» (Тула, 1983 г.), Всесоюзной научной конференции «Проблемы создания и внедрения горных машин с ударными исполнительными элементами» (Караганда, 1985 г.), симпозиуме «Горное оборудование, переработка сырья, новые технологии, экология» IV международного форума «Минерально-сырьевые ресурсы стран СНГ» (С. Петербург, 1996 г.), международной конференции «Научно-технический прогресс - основа развития рыночной экономики» (Караганда, 1997 г.), международных научных симпозиумах «Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия» (Орел, 2000, 2003 гг.) на ежегодной «Неделе горняка» в Московском государственном горном университете (1999, 2001 гг.) и техническом совете ОАО «Малаховский экспериментальный завод» (2002 г.).
Гидроударник ГУ 400/600 награжден дипломом III степени на молодёжной выставке-ярмарке научно-технических разработок (1988 г.), комплект оборудования для изучения автоколебательных систем - дипломом ВВЦ РФ (2002 г.). За ряд конструкторских разработок по теме диссертации автор удостоен премии ЦС ВОИР СССР среди изобретателей и рационализаторов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 работ, в том числе 2 монографии и 1 учебное пособие (33 п.л./ 10 п.л.-доля соискателя), 25 статей и тезисов докладов (5,22 п.л./ 2,07 п.л.), получено 11 авторских свидетельств и 1 патент Российской Федерации на изобретение.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 138 наименований, 6 приложений и содержит 275 страниц, в том числе 177 страниц основного текста, в котором 13 таблиц, 57 рисунков, и 98 страниц приложения.
Анализ результатов эксплуатации и области применения машин с ударно-скалывающим исполнительным органом
Ударно-скалывающий исполнительный орган работает на основе преобразования энергии непрерывного потока рабочей жидкости, создаваемого насосной станцией СИ в дискретное (возвратно-поступательное) движение бойка Б гидравлического устройства ударного действия ГУ. В результате взаимодействия элементов ударного преобразователя - бойка Б и инструмента И создается ударный импульс, который передается объекту (горному массиву, негабариту и т. п.). Энергия бойка, нереализованная на разрушение объекта, гасится внутри устройства ударного действия посредством встроенного тормозного устройства УТ, защищающего конструкцию корпуса от ударных нагрузок.
Импульсный гидропривод ПИ, объединяющий объемный гидравлический двигатель с асимметричным циклом ДЛЦ, блок управления БУ, тормозное устройство (УТ), аккумулятор рабочей среды А, подаваемой насосной станцией СП, является подсистемой гидропривода машины ПГ. Боек Б производящий удар по инструменту И, является связующим звеном между импульсным приводом ПИ и ударным преобразователем, а также элементом обратной связи гидродвигателя с асимметричным рабочим циклом ДАЦ и блока управления БУ.
В гидропривод входят также гидродвигатели ДМ манипулятора, один ДМ1 из которых является связующим с гидравлическим устройством ударного действия ГУ, с которым помимо механической имеется связь через энергоноситель -рабочую жидкость гидропривода. При работе гидроударника по мере разрушения объекта (массива горной породы) происходит перемещение его корпуса гидродвигателем ДМ1, т. е. поток рабочей жидкости, создаваемый насосной станцией СП делится между двумя потребителями. В период манипуляций увеличивается число потребителей рабочей жидкости на манипуляторе, но отключается от гидросистемы гидроударник, потребляющий до 100 % мощности насосной станции.
В систему "развитого" гидропривода входят гидродвигатели механизма перемещения, а на проходческом комбайне и погрузочного оборудования. Однако механизм перемещения не работает одновременно с исполнительным органом.
При выполнении различных технологических операций изменяется число задействованных двигателей. Так, при выполнении операции по разрушению за боя мощность насосной станции одновременно потребляют: гидроударник, один гидродвигатель манипулятора, подающий гидроударник на забой, и погрузочное оборудование. При необходимости увеличения мощности на разрушение, возможно уменьшение или прекращение отбора мощности на погрузочное оборудование. При перестановке гидроударника на плоскости забоя потребителями мощности являются гидродвигатели манипулятора и погрузочного оборудования, а при подаче машины - механизм перемещения и погрузочное оборудование.
Таким образом, машина ударного действия имеет сложную структуру со взаимосвязанными функциональными органами с индивидуальными двигателями. При реализации "развитого" гидропривода, объединяющего гидродвигатели введенные во все функциональные органы, ударное устройство и насос, можно установленную мощность машины уменьшить до мощности приводного двигателя насосной станции, которая сосредотачивается в одном потребителе или распределяется между несколькими, участвующими в выполнения технологической операции.
Для анализа технического уровня горных машин с ударно-скалывающим исполнительным органом выбраны проходческие комбайны HSV—4, HSM-4, KB, Impact Ripper, которые конкурируют с комбайнами, оснащенными режущим исполнительным органом. Анализ выполнен по методике, структура которой приведена на рис. 2.4. Статистическая обработка исходного массива параметрической информации проводилась с использованием прикладных программ «Statgraphics».
В качестве обобщенного показателя принят коэффициент технического уровня (КТУ), характеризующий модель по отношению к образцам той же классификационной группы функционального назначения:
1 где к\ - относительные единичные показатели образцов техники; j\ - коэффициент весомости показателей.
С использованием инструкций по эксплуатации и фирменных проспектов собран массив информации о 76 моделях, разработанных различными фирмами, объединяющий 12 паспортных показателей. Массив пополнен двумя рассчитанными относительными показателями, которые характеризуют мощность привода исполнительного органа, приходящуюся на единицу минимального и максимального сечения выработки. При выполнении факторного анализа, из-за отсутствия некоторых паспортных данных для отдельных моделей, использованы следующие показатели: коэффициент крепости пород; максимальное сечение выработки; установленная мощность на комбайне; мощность привода исполнительного органа; масса комбайна; удельное давление на почву; угол наклона выработки; отношение установленной мощности к максимальному сечению выработки.
Анализ технического уровня горных машин с ударно-скалывающим исполнительным органом
Принцип действия гидроударника заключается в следующем. В исходном положении рабочая жидкость из напорной магистрали МИ подаётся в гидропневмоаккумулятор 4, камеру управления КУ1 распределителя и камеру Б обратного хода, при этом распределитель 3 сообщает камеру рабочего хода со сливной магистралью МС. Так как сила давления, действующая со стороны камеры обратного хода, больше силы давления - со стороны камеры рабочего хода, боёк совершает движение и вытесняет рабочую жидкость из камеры рабочего хода по сливной магистрали МС в маслобак. Когда боек откроет канал с, жидкость из напорной магистрали через камеру Б обратного хода поступит в камеру управления КУ2 распределителя. Сила давления, действующая со стороны камеры управления КУ1 больше силы давления - со стороны камеры КУ\, поэтому распределитель переключается и сообщает камеру Л рабочего хода с напорной магистралью МИ. Под действием силы давления жидкости, которая больше со стороны камеры А рабочего хода (S S0.x) боёк 2 движется с ускорением в направлении инструмента /, а жидкость из камеры Б обратного хода через распределитель 3 переливается в камеру А рабочего хода. В конце рабочего хода боёк 2, накопив заданную кинетическую энергию, наносит удар по инструменту /, а датчик положения бойка, выполненный в виде проточки на бойке 2, сообщает каналы с и t/, т. е. камера управления КУ1 сообщается со сливной магистралью МС. Одновременно с ударом происходит переключение распределителя, который возвращается в исходное положение. Далее рабочий цикл повторяется.
Таким образом, гидроударник, воздействующий на массив горной породы, представляет механическую систему, состоящую из четырех тел, в которую входят: массив обрабатываемого материала, корпус, боек и золотник.
Для разработки математической модели целесообразно выделить характерные такты, составляющие рабочий цикл гидроударника.
В рабочем цикле выделены основные такты, характеризующиеся новым состоянием одного из элементов системы, и их границы.
В качестве исходного принято положение, при котором инструмент и корпус прижаты к массиву горной породы статической силой Nit боек, смещенный инструментом, занимает в неподвижном корпусе позицию с координатой 13. 1 такт (рис. 3.6, а). Массив, корпус и золотник в неподвижном состоянии. Инструмент и корпус прижаты к массиву статической силой Ns. Камера рабочего хода сообщена со сливной магистралью (золотник открыт). Боек под действием жидкости, поступающей из напорной магистрали, совершает поступательное движение - обратный ход, изменяя положение в пределах /з у із + Ц- Жидкость из камеры рабочего хода вытесняется бойком через распределитель и сливную магистраль в маслобак. На входе в гидроударник давление жидкости ниже давления создаваемого насосом на величину потерь давления в напорном трубопроводе от насоса до гидроудариика. Давление сливной магистрали определяется ее сопротивлением и скоростью движения жидкости. Возможна зарядка гидропневмо-аккумулятора. Завершается первый такт, когда боек займет позицию с координатой li + /4.
2 такт (рис. З.б, б). Массив и корпус неподвижны. Боек открывает канал, по которому жидкость из камеры обратного хода поступает в камеру управления золотника, и совершает поступательное движение в пределах /з + h У h + h + /5. Золотник, совершая поступательное движение в пределах 0 л: !и перекрывает канал, соединяющий камеру рабочего хода со сливным трубопроводом, и вытесняет жидкость из камеры возврата в напорную магистраль. Увеличивается гидравлическое сопротивление золотника как дросселя с уменьшающимся проходным сечением. Возможна зарядка гидропневмоаккумулятора.
3 такт (рис. 3.6, в). Массив и корпус неподвижны. Боек завершил обратный ход и сохраняет неподвижное состояние в крайнем положении с координатой у — /з + Л + h Золотник отсек камеру рабочего хода от сливного трубопровода и движется в зоне перекрытия, изменяя положение в пределах 1х х 1\+IQ. Происходит зарядка гидропневмоаккумулятора.
4 такт (рис. 3.6, г). Массив и корпус неподвижны. Золотник открывает канал соединяющий камеру рабочего хода с напорной магистралью, перемещаясь в пределах / + /о д: / + /0 + /2. Уменьшается гидравлическое сопротивление золотника как дросселя с увеличивающимся проходным сечением. Боек под действием жидкости, поступающей из напорной магистрали в камеру рабочего хода, начинает движение в направлении инструмента (рабочий ход). Координата его положения изменяется от /з + / + h Д h + U, скорость движения увеличивается до значения v = QJ(SP,X. -S0.x).
Программное обеспечение для реализации математической модели
В рабочем цикле выделены основные такты, характеризующиеся новым состоянием одного из элементов системы, и их границы.
В качестве исходного принято положение, при котором инструмент и корпус прижаты к массиву горной породы статической силой Nit боек, смещенный инструментом, занимает в неподвижном корпусе позицию с координатой 13.
1 такт (рис. 3.6, а). Массив, корпус и золотник в неподвижном состоянии. Инструмент и корпус прижаты к массиву статической силой Ns. Камера рабочего хода сообщена со сливной магистралью (золотник открыт). Боек под действием жидкости, поступающей из напорной магистрали, совершает поступательное движение - обратный ход, изменяя положение в пределах /з у із + Ц- Жидкость из камеры рабочего хода вытесняется бойком через распределитель и сливную магистраль в маслобак. На входе в гидроударник давление жидкости ниже давления создаваемого насосом на величину потерь давления в напорном трубопроводе от насоса до гидроудариика. Давление сливной магистрали определяется ее сопротивлением и скоростью движения жидкости. Возможна зарядка гидропневмо-аккумулятора. Завершается первый такт, когда боек займет позицию с координатой li + /4.
2 такт (рис. З.б, б). Массив и корпус неподвижны. Боек открывает канал, по которому жидкость из камеры обратного хода поступает в камеру управления золотника, и совершает поступательное движение в пределах /з + h У h + h + /5. Золотник, совершая поступательное движение в пределах 0 л: !и перекрывает канал, соединяющий камеру рабочего хода со сливным трубопроводом, и вытесняет жидкость из камеры возврата в напорную магистраль. Увеличивается гидравлическое сопротивление золотника как дросселя с уменьшающимся проходным сечением. Возможна зарядка гидропневмоаккумулятора.
3 такт (рис. 3.6, в). Массив и корпус неподвижны. Боек завершил обратный ход и сохраняет неподвижное состояние в крайнем положении с координатой у — /з + Л + h Золотник отсек камеру рабочего хода от сливного трубопровода и движется в зоне перекрытия, изменяя положение в пределах 1х х 1\+IQ. Происходит зарядка гидропневмоаккумулятора.
4 такт (рис. 3.6, г). Массив и корпус неподвижны. Золотник открывает канал соединяющий камеру рабочего хода с напорной магистралью, перемещаясь в пределах / + /о д: / + /0 + /2. Уменьшается гидравлическое сопротивление золотника как дросселя с увеличивающимся проходным сечением. Боек под действием жидкости, поступающей из напорной магистрали в камеру рабочего хода, начинает движение в направлении инструмента (рабочий ход). Координата его положения изменяется от /з + / + h Д h + U, скорость движения увеличивается до значения v = QJ(SP,X. -S0.x).
Рис. 3.6. Схемы тактов (І - 10) рабочего цикла гидроударника с управляемой камерой рабочего хода 5 такт (рис. 3.6, д). Массив и корпус неподвижны. Золотник занимает крайнее положение с координатой х = 1г + /о + h, открывая полностью канал, сообщающий камеру рабочего хода с напорной магистралью. Боек продолжает рабочий ход, координата его положения изменяется от /j + /4 + /5 до /3 + Л, скорость движения превышает значение v = QHf(Sp-x. - S0rX). В камеру рабочего хода поступает жидкость от насоса и из гидропневмоаккумулятора, при этом происходит понижение давления в камере рабочего хода.
6 такт (рис. 3.6, е). Массив, корпус и золотник находятся в неподвижном состоянии. Боек продолжает рабочий ход в направлении инструмента, координата у его положения изменяется от /j + /д до /з- В камеру рабочего хода поступает жидкость от насоса и из гидропневмоаккумулятора. В связи с его разрядкой понижается давление в напорной магистрали. При достижении бойком координаты /з происходит удар бойка по инструменту.
7 такт (рис. 3.6, ж). Корпус сохраняет неподвижное состояние. Боек продолжает движение совместно с инструментом (сопровождение) при этом координата его положения изменяется от /з до 0, а скорость уменьшается от vy до 0. Во время сопровождения инструмента кинетическая энергия бойка переходит в энергию деформации (разрушения) массива. На боек действует сила давления рабочей жидкости со стороны камер рабочего и обратного хода и сила сопротивления Fm со стороны горного массива, которая создает дополнительное давление (Fn/S ), передаваемое по магистрали в камеру управления КУ\ и действующее на площадь SH. Датчик положения, в виде проточки на бойке, сообщает камеру управления КУ2 золотника со сливной магистралью. Золотник начинает движение в обратном направлении, изменяя координату от h+h+h ДО Л+/о, и перекрывает капал, сообщающий напорную магистраль с камерой рабочего хода. Жидкость протекает через уменьшающееся проходное сечение золотника (дроссель переменного сечения). Когда скорость бойка становится меньше значения v — QJ(SPtX, - S0 )f жидкость из напорной магистрали частично поступает в гидропневмоаккумулятор.
Возможно три варианта развития физического процесса внедрения инструмента в массив горной породы: 1) 0,5/мб у2 Fmh - при данном сопротивлении забоя не вся энергия, накопленная бойком, передается забою при внедрении инструмента на величину /3 и возможно продолжение движения бойка; 2) 0,5m6vy2 = Fmh - вся энергия, накопленная бойком, полиостью передается забою при внедрении инструмента на величину 1у, 3) 0,5/7fflvy2 Fm/3 - энергии, накопленной бойком, недостаточно для внедрения инструмент на величину /з. такт (рис, 3.6, з). Корпус сохраняет неподвижное состояние. Боек, возможно, продолжает сопровождение инструмента при развитии процесса внедрения по третьему варианту. В массиве материала происходят процессы, связанные с изменением его напряженного состояния. Золотник перемещается в зоне перекрытия, изменяя координату от 1\ + /о до /ь т. е. все каналы закрыты. Жидкость из напорной магистрали поступает в гидропневмоаккумулятор.
9 такт (рис. 3.6, и). Часть массива деформирована или разрушена. Инструмент упирается в не разрушенную горную породу массива. Золотник продолжает движение, изменяя координату от 1\ до 0, и сообщает камеру рабочего хода со сливной магистралью. По мере открытия сливной магистрали корпус под действием постоянной силы (Ns) начнет движение в сторону массива горной породы, а жидкость из камеры рабочего хода вытесняется через канал увеличивающий проходное сечение. Систему координат целесообразно связать с бойком, сохраняющим неподвижное состояние.
Исследование рабочего цикла гидроударника ГУ-400/600 с управляемой камерой рабочего хода
Объектом исследований являются опытные образцы импульсной техники: гидроударник ГУ-400/600 с управляемой камерой рабочего хода и дифференциальным включением бойка, изготовленный экспериментальным заводом НИГТИ-гормаш (г. Екатеринбург), и гидропневмоударник УПГ-250 с управляемой камерой рабочего хода, изготовленный Копейским машиностроительным заводом.
Гидроударник ГУ-400/600 (рис. 4.1) [112], разработанный согласно техническому заданию [113], содержит корпус 7, в котором расположен дифференциальный боек 3 с кольцевой проточкой и торцовыми площадками, инструмент 2, поршневые гидропневмоаккумуляторы б и 7, золотник 4 с плунжерами 5 и 8, причем площадь поперечного сечения плунжера 8 больше чем плунжера 5.
Элементы гидроударника образуют гидравлические камеры: тормозную А; обратного хода В и рабочего хода С бойка; возврата D и управления G золотника. Расточки h, к, /, выполненные в корпусе, постоянно сообщены с камерой управления С?, сливной магистралью, тормозной камерой А, соответственно. Камера С рабочего хода периодически сообщается посредством золотника 4 со сливной или напорной магистралями. Напорная магистраль постоянно подведена к гидропнев-моаккумулятору о , к камере обратного хода В и камере возврата D золотника 4. Камеры Е, F гидропневмоаккумуляторов заполнены инертным газом - азотом.
Гидроударник работает следующим образом. При подаче жидкости по напорной магистрали производится зарядка аккумулятора 6, переключение золотника 4 (по рис. влево), заполнение жидкостью камеры обратного хода. При этом камера С рабочего хода сообщается со сливной магистралью. Перемещение бойка не происходит, так как жидкость не поступает на его торцовую площадку, находящуюся в тормозной камере А. После некоторого перемещения корпуса 7 в сторону деформируемого материала статической силой подачи, инструмент 2, вдвигаясь в корпус, смещает боек 3 (по рис. вправо), который вытесняет жидкость из камеры С рабочего хода на слив и сообщает камеру А с напорной магистралью. Дальнейшее перемещение бойка 3 осуществляется силой давления жидкости, действующей на торцовую поверхность со стороны камеры обратного хода В. Обратный ход бойка 3 совершается до момента соединения камеры В с расточкой h. После их соединения жидкость из напорной магистрали поступает в камеру G. Золотник 4 переключается в противоположное положение и соединяет камеру С рабочего хода с напорной магистралью. В камеру С рабочего хода жидкость поступает по напорной магистрали от насоса, гидропневмоаккумулятора 6 и переливается из камеры обратного хода В. Боек 3 перемещается с ускорением и в конце рабочего хода (разгона) наносит удар по инструменту 2, поджатому к деформируемому материалу. При передаче энергии от бойка к инструменту камера G сообщается через расточки h и к со сливной магистралью. Золотник 4 переключается в исходное положение. Цикл работы гидроударника повторяется.
Если перед инструментом 2 при передаче ему кинетической энергии образовалось пространство, то боек 3, пройдя расстояние, равное длине кольцевой камеры В, начинает вытеснять жидкость из тормозной камеры А через дроссельный канал и расточку / в камеру С, которая в этот момент сообщена со сливной магистралью. При этом камера В отсекается от камеры А и торца бойка 3, поэтому не происходит повторного цикла и холостого удара по инструменту. После прохождения расстояния, равного ширине камеры А, возникает эффект торможения бойка 3 с более высоким значением замедления, т. е. происходит переход с плавного на жесткое торможение. После полного торможения боек 3 также не совершает обратный ход, так как камера В отсечена от торца бойка. Чтобы произвести обратный ход бойка 3 с последующим ударом по инструменту, необходимо переместить корпус 1 в сторону деформируемого материала.
Гидропневмоударник УПГ-250 (рис. 4.2) [114, 115, 116, 117], разработанный совместно с Копейским машиностроительным заводом состоит из инструмента /, корпуса 2, бойка 3, поршня 5, золотник 7, плунжеров б и 8 расположенных соосио с золотником 7. Боек и корпус образуют камеры обратного хода А и рабочего хода В. На средней ступени бойка выполнены проточки /и т. В корпусе выполнены сливная g, напорная к, управляющая h расточки, а также образованы гидравлическая С и воздушная D камеры. Камера С сообщена со сливной магистралью и отделена от камеры D поршнем 5. С камерой рабочего хода В связан мембранный гидропневматический аккумулятор 4. Расточки кик сообщаются проточкой т, а расточки g и h проточкой/ Запуск в работу гидропневмоударника осуществляется ручным распределителем Р. Камера рабочего хода В сообщена с напорной магистралью посредством обратного клапана, а со сливной - предохранительного клапана (на рис. 4.2 не показаны). Гашение скорости бойка в конце рабочего хода осуществляется за счет вытеснения жидкости из тормозной камеры Е через дроссельный канал в обратном клапане 10.
