Содержание к диссертации
Введение
1. Области применения и основные типы ударных устройств 8
1.1. Области применения механизмов и машин ударного, периодического и вибрационного действия 8
1.2. Основные элементы машин ударного действия 13
1.3. Основные характеристики ударных импульсных устройств 33
1.4. Анализ методов расчета импульсных ударных устройств 42
1.5. Цели и задачи исследования 50
2. Энергетические затраты ударных устройств 52
2.1. Энергетические затраты на разрушение горных пород при ударе 52
2.2. Способы формирования и передачи ударных нагрузок 55
2.3. Определение коэффициента полезного действия ударной установки для очистки технологических емкостей 74
2.4. Очистка бункеров, вагонеток вибрационными способами 83
2.5. Выводы по главе 85
3. Математическое моделирование работы ударных устройств 86
3.1.Математическая модель работы электромеханического * ударного механизма 86
3.2. Методика определения вибрационных и упругих характеристик элементов и узлов горных машин 90
3.3. Определение частоты собственных колебаний стенки рудничной вагонетки 100
3.4. Выводы по главе 108
4. Проектирование ударных устройств для разрушения горных пород и очистки технологических емкостей 109
4.1. Электромеханический ударный механизм 109
4.2. Устройство для очистки емкостей 112
4.3. Коэффициент полезного действия ударного механизма с промежуточным подвижным элементом 1 16
4.4. Выводы по главе 124
5. Экспериментальные исследования эффективности работы ударных устройств 124
5.1. Экспериментальный стенд для оценки параметров работы электромеханического ударного устройства 124
5.2. Критерии подобия для исследования явлений, происходящих при работе ударных устройств 126
5.3. Методика статистической обработки экспериментальных данных 130
5.4. Результаты стендовых и промышленных испытаний 135
5.5. Выводы по главе 142
6. Общие выводы по работе 143
Список использованной литературы
- Основные характеристики ударных импульсных устройств
- Способы формирования и передачи ударных нагрузок
- Методика определения вибрационных и упругих характеристик элементов и узлов горных машин
- Коэффициент полезного действия ударного механизма с промежуточным подвижным элементом
Введение к работе
Ударные устройства периодического действия широко используются в горной промышленности при разрушении и уплотнении минеральных сред, формоизменении конструкционных материалов, очистке технологических емкостей и т.д. К ним относятся пневматические, гидравлические, электромеханические, вибрационные и т.п. устройства с ударно-скалывающим исполнительным органом, наносящие периодические удары по заданной поверхности. Указанные устройства преобразуют энергетические потоки от первичных приводов в механический имиулъс высокой интенсивности и находят применение при проведении горных выработок и добыче полезных ископаемых, а также разрушении негабаритных материалов.
Среди ударных устройств периодического действия электромеханические устройства занимают предпочтительное положение, т.к. электроэнергия общедоступна на всех предприятиях горного производства, а потери электроэнергии при передаче на значительные расстояния невелики.
Проектирование электромеханических ударных устройств связано, прежде всего, с определением их конструктивных параметров на основе анализа энергетических затрат на осуществление необходимого технологического процесса. Эти параметры невозможно определить без обоснованной теории, позволяющей не только оценить технологический процесс, но и вносить конструктивные изменения в проектируемые устройства. Поэтому разработка теоретических основ расчета электромеханических ударных устройств является актуальной научно-технической задачей.
Цель работы. Разработка научных основ для совершенствования методов расчета и проектирования электромеханических ударных устройств, используемых в горной промышленности.
Идея работы состоит в исследовании совместной работы электромеханических ударных устройств во взаимодействии с объектом формоизменения на основе анализа энергозатрат, необходимых для осуществления технологического процесса.
Методы исследования: математическое моделирование динамических процессов методами теоретической механики, теории упругости, теории колебаний и удара; экспериментальная проверка в лабораторных и промышленных условиях результатов теоретических исследований с использованием теории подобия и размерностей и математической стачиетики.
Положения, выносимые на защиту:
Критерием оценки работоспособности электромеханических ударных устройств могут служить энергозатраты для необходимого формоизменения заданного объекта
Для электромеханических устройств периодического действия могут использоваться методы динамического анализа, основанные на исследовании дифференциальных уравнений движения, содержащих электромагнитные и механические параметры устройства
Анализ напряженно-деформированного состояния упругих элементов горных машин, содержащих ударные исполнительные механизмы, возможно осуществить по методике, основанной на энергетическом анализе их статического и динамического нагружения
Установлены закономерности изменения частотных параметров технологических емкостей в зависимости от их конструктивных размеров, служащие основой для разработки вибрационных методов их очистки
Разработана методика определения коэффициента полезного действия электромеханических ударных устройств
Разработаны конструкции устройств для горной промышленности: электромеханический ударный механизм, устройство для очистки емкостей
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается представительностью выборки экспериментальных данных при доверительной вероятности 0,85-0,95; совпадением экспериментальных и расчетных данных: расхождение не превышает 15 %; испытаниями разработанных устройств в лабораторных и промышленных условиях.
Научная новизна работы заключается:
В установлении взаимосвязи конструктивных и режимных параметров электромеханических ударных устройств, оценке эффективности работы устройств по величине энергетических затрат на осуществление технологического процесса
В разработке математических моделей для описания работы электромеханических ударных устройств
В разработке оригинальных методов определения упругих и вибрационных характеристик элементов и узлов горных машин, содержащих ударные исполнительные механизмы.
Практическое значение работы:
Разработана методика определения конструктивных параметров электромеханического ударного механизма
Разработана методика расчета деформаций и частот колебаний упругих элементов и узлов горных машин
Разработана методика оценки коэффициента полезного действия механических ударных устройств
Разработаны способы и устройства для разрушения негабаритных материалов, очистки технологических емкостей от налипшего материала
Реализация результатов работы. Основные результаты работы и практические рекомендации использованы на известняковом карьере Пудлинковского щебеночного завода, на диорито-сиенитовом карьере Миасского завода железобетонных конструкций, в Уральской государственной горно-геологической академии при выполнении госбюджетной НИР по теме Г-8 «Развитие теории оценки технического состояния больших механических систем».
Апробация работы. Результаты работы, ее основные положения докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях УГГГА «Механика в горном производстве» и «Технологическое оборудование для горной и нефтегазовой промышленности», на Всесоюзном научно-практическом совещании «Теоретические и технологические аспекты создания и применения силовых импульсных систем» (Караганда, 1990), на Всероссийской научно-практической конференции «Первые Окуневские чтения» (Санкт-Петербург, 1997), на научно-методических семинарах преподавателей России по теоретической механике (Екатеринбург-1997 г., Оренбург-1999 г.).
Публикации. Основные научные результаты опубликованы в 20 работах, среди них 2 патента РФ на изобретения
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения и шести глав, содержит 157 стр. машинописного текста, 23 рис., списка использованной литературы из 121 наименования и приложения
Основные характеристики ударных импульсных устройств
Как указывалось выше, анализ рабочих процессов импульсных систем в технической литературе выполняют с учетом источников питания. В работе [41] их классифицируют по механизмам на электроимпульсные, дизельные, пневматические, гидравлические и гидропневматические,
Известны следующие конструкции электроимпульсных молотов: электромеханические с пружинным ударным механизмом и с жесткой связью бойка; электрические компрессионно-вакуумные; электромагнитные со свободным выбегом бойка; виброударные. Сравнительные характеристики указанных типов молотов, а также коэффициентов их полезного действия приведены в табл. 1.2.
Разработкой электроимпульсных молотов занимаются предприятия в Магнитогорске, Екатеринбурге, Караганде. В 70-х - 80-х годах молотами большой энергии удара занимались: институт Горного дела СО АН СССР, который создал электромагнитный молот с энергией удара более 4000 Дж и УПИ (УГТУ), разработавший виброударный молот с энергией до 4000 Дж.
Эти конструкции привлекают своей кажущейся простотой, небольшим количеством деталей, возможностью создания бесконтактных систем управления и получения высоких энергетических показателей, но промышленного освоения такие молота не получили. Широкое применение нашли ручные электромолоты различных типов и модификаций.
В дизельных молотах ударного действия энергия газов сжигаемого топлива передаётся непосредственно рабочему органу - ударной части.
Невысокие значения КПД дизель-молотов (0,5-0,6) в большей мерс объясняются потерями энергии на сжатие воздуха для воспламенения горючего при ударе, а также трудностью запуска их при низких температурах. Дизель молоты широко применяют в строительстве для забивания фундаментных свай. В металлургии и горном деле они не применяются, поэтому типы молотов и их технические характеристики здесь не приводятся и не анализируются.
Пневмомолоты можно разделить на две большие группы: погружные для бурения шпуров и скважин, и мощные, которые применяются для дробления негабаритов и шпуров, а также для пробивки леток и фурм металлургических агрегатов. Основные типы и технические характеристики пневматических молотов приведены в табл. 1.3. Для большей наглядности основные характеристики пневматических молотков приведены в виде гистограмм на рис. 1.1, при этом частота удара изображена в масштабе в десять раз большем, чем это указано в табл. 1.3.
Погружные молоты выпускаются заводами горного и бурового оборудования, а мощные конструкции типа ПН разработаны ИГД Сибирского отделения академии наук и изготовляются Новосибирским заводом "Труд" и Нижне-Тагильским Уралвагонзаводом..
Применение отечественных гидро- и гидропневматических молотов позволяет при незначительной мощности привода получить большую энергию удара. Молота монтируют как навесное оборудование на шасси буровых станков, на экскаваторах и других установках. Основные типы и технические характеристики молотов приведены в табл. 1.4. Как навесное оборудование молота монтируются на шасси буровых станков, экскаваторах и других установках, в частности молота типа Г-59В, ГЛ76В, Г-76У устанавливают на буровых станках ударного действия. Для большей наглядности основные характеристики отечественных гидро- и гидропневматических молотков приведены в виде гистограмм на рис. 1.2, при этом частота удара изображена в масштабе в десять раз большем, а масса в сто раз меньше , чем это указано в табл. 1.4.
Способы формирования и передачи ударных нагрузок
Ударные механические нагрузки являются эффективным способом силового воздействия на объект с целью его разрушения или передачи этого воздействия по какой-то другой системе взаимосвязанных элементов. Использование устройств в исполнительных органах горных, строительно-дорожных и других машин открывает перспективу расширения области их применения в специфических условиях энергоемких процессов.
Изучение закономерностей разрушения горных пород предполагает выявление и создание таких условий, при которых процесс разрушения происходит производительно и при наименьших затратах энергии. Практически эта задача сводится к выявлению влияния различных факторов на эффект разрушения горных пород.
Хорошо известен факт, что при динамических испытаниях материал выдерживает напряжения, вдвое превышающие предел его упругости и прочности. С увеличением скорости приложения нагрузки возрастают предел прочности материала и удельная работа разрушения. В связи с этим часто вводится понятие критической скорости смещения частиц породы, при которой происходит ее разрушение. Критические скорости для горных пород, как отмечено в работе [54], имеют тот же порядок, что и для металлов. По мнению автора работы, для достижения одной и той же кинетической энергии увеличение массы движущихся частей является более рациональным, нежели соответствующее увеличение скорости. Вместе с тем, очевидно, что наиболее важное значение имеет абсолютная величина работы удара независимо, получена ли она за счет увеличения массы или скорости. В этом смысле удачным является введение некоторыми исследователями понятия динамической твердости, под которой понимается минимальное значение работы удара, необходимой для полного разрушения породы.
Существует несколько способов передачи энергии. Наиболее характерным для технологических машин является контактный способ передачи энергии, реализуемый с помощью ударно-передающих систем.
Волновой способ передачи энергии имеет место в том случае, когда импульс давления производится взрывом, разрядом, гидравлическим ударом или другим способом в граничной от нагружаемого объекта среде. Данный способ в машинах ударного действия имеет место при передаче гидравлической энергии к гидроударникам по гидравлическим шлангам.
Кинематический способ импульсного нагружения основан на сообщении некоторому исполнительному устройству кратковременного ускорения, превышающего ускорение свободного падения в несколько раз.
В соответствии с принятой в большинстве исследований схематизацией, ударная система технологической машины может быть представлена системой призматических стержней, соотношения длин и сечений которых зависит от конкретных конструкторско-технологических особенностей исполнительного органа. Взаимодействующий с ним массив также условно можно представить в виде стержня со свойствами, характерными для горной породы. Обычно принимаются следующие допущения: при деформации стержней поперечные сечения остаются плоскими и нормальными к продольной оси стержня; деформации стержней так малы, что можно пренебречь изменениями поперечных размеров стержней; силами инерции, соответствующими движению частиц стержней в поперечных направлениях можно пренебречь; соударение бойка и волновода-инструмента упругое; материал, из которого они изготовлены, одинаков; длины их примерно равны; соударение инструмента и породы -упруго-пластическое, изменение напряжения в породе не зависит от скорости ее деформирования.
Решение формализованной задачи взаимодействия стержней обычно проводится на основании анализа одномерного дифференциального динамического уравнения в частных производных, являющегося частным случаем указанных выше волновых уравнений и представляющего уравнение продольных колебаний стержня. Его решение согласно [63] представляется в виде суммы двух волн, перемещающихся соответственно в положительном и отрицательном направлении продольной оси стержня. Анализ такого представления показывает, что амплитуды и фазы этих волн различны, следовательно, эти волны, двигаясь навстречу друг другу, могут вызывать довольно сложную картину сложения колебаний и при определенных соотношениях между параметрами системы образовывать области повышенных давлений в отдельных точках стержней.
Явление распространения упруго-пластической волны в породе исследуется на основании анализа уравнения в частных производных гиперболического типа. Ее решение содержит два семейства характеристик, определяющих законы распространения волн и связывают скорости деформации на характеристиках пород.
Методика определения вибрационных и упругих характеристик элементов и узлов горных машин
Теоретические и экспериментальные исследования электромеханических ударных устройств, установленных в качестве исполнительных механизмов горных машин, невозможны без анализа напряжен но-деформированного состояния узлов и агрегатов этих машин, а также деталей, по которым наносится удар при экспериментах [79]. В большинстве случаев теоретический анализ такого напряженно-деформированного состояния состоит в решении краевой задачи теории упругости, для которой известны граничные условия, а также величины действующих нагрузок [80,81].
Решение задач теории упругости сводится, как правило, к составлению и исследованию дифференциального уравнения в частных производных при заданных краевых условиях. Вместе с тем, в настоящее время известны приближенные методы для определения динамических характеристик упругих систем, позволяющие получить решение непосредственно по выражениям кинетической и потенциальной энергии этих систем. Так, для определения частот собственных колебаний обычно применяют метод Релея [82], в котором используются максимальные значения энергии. Известны также аналогичные методы исследования устойчивости равновесия и стабилизации движения систем, содержащих стержни, пластинки и оболочки [83,84]. Предлагаемый метод энергетического анализа решения краевых задач теории упругости основывается на составлении уравнений Лагранжа второго рода для упругих механических систем [85-87] и является одним из наиболее удобных способов упростить математические выкладки, сопровождающие применение волновой теории.
Точность предлагаемых методов целиком зависит от исходных предположений, задающих форму упругой поверхности исследуемой системы при ее равновесии. Один из методов подбора формы упругой поверхности можно сформулировать как принцип суперпозиции, при котором последовательно решаются задачи сопротивления материалов системы балок, на которые разбивается упругая система. Затем производится стыковка решений так, чтобы удовлетворить всем краевым условиям задачи. Например, прямоугольную пластинку, защемленную с трех сторон и нагруженную равномерно распределенной нагрузкой (рис. 3.1), возможно представить как суперпозицию балок, параллельных оси х, защемленных с двух сторон, и консольных балок, параллельных оси у. После определения уравнений упругой оси Ui(x) и Uj(y) для балки, защемленной с двух сторон (рис. 3.2, а), и для консольной балки (рис. 3.2, б), форму упругой поверхности пластинки можно представить в виде произведения U(x,у) = а- Ux (х) U2 (у), (3.10) где а- коэффициент, подлежащий определению при решении задачи.
Возможен и иной подход, основанный на использовании уравнения краевого контура. Так, для равномерно нагруженной эллиптической пластинки с полуосями а и Ъ (рис. 3.3), уравнение краевого контура представляет собой уравнение эллипса —+ r = l. (ЗЛІ) a b Форму упругой поверхности пластинки в данном случае можно представить в виде: U(x,y) = a-( + -\)2, (3.12) а Ь очевидно удовлетворяющему условию защемления по краям.
После подбора формы упругой поверхности решение задачи сводится к определению коэффициента а, постоянного при решении задач статики и переменного (зависящего от времени /) при решении задач динамики. Ниже приведены методы определения коэффициента а при решении статических и динамических задач теории упругости.
Для пластинок произвольной формы считаем форму упругой поверхности заданной. Величину коэффициента а, входящего в выражение перемещений U(x,y) = a-f(x,y), (3.13) где f(x,y) - известная функция, будем искать из уравнений равновесия пластинки. При решении задач статики, как указывалось выше, a = const. Для определения а применим принцип возможных перемещений в обобщенных координатах [74], согласно которому обобщенные силы, соответствующие каждому возможному перемещению, уравновешены. Рассматривая действующие на пластинку силы, как совокупность потенциальных сил упругой деформации и заданных непотенциальных сил, представим данное условие в виде: где Qu обобщенная потенциальная сила; QH обобщенная не потенциальная сила. Выражение для обобщенной потенциальной силы определяется из выражения потенциальной энергии П в виде частной производной. Обобщенная непотенциальная сила определяется как коэффициент перед вариацией обобщенной координаты в выражении суммы работ действующих на пластинку сил.
Будем считать обобщенной координатой, определяющей состояние равновесия данной системы, коэффициент ОС в уравнении (3.13). Для получения выражения обобщенных сил по данной координате выпишем выражение потенциальной энергии упругой деформации [70] в прямоугольных декартовых координатах:
Коэффициент полезного действия ударного механизма с промежуточным подвижным элементом
Экспериментальная проверка результатов теоретических исследований и разработанных устройств основывается на оценке максимальной величины кинетической энергии, приобретенной ударником в процессе работы устройства [102,103]. Непосредственно измерить энергию удара не представляется возможным, так как в процессе работы механизма производятся удары с высоким ударным импульсом. Возможным вариантом выхода из такой ситуации является опосредованное измерение, при котором величина кинетической энергии ударника определяется по результату его воздействия на заданный объект. В частности, кинетическая энергия механизма может быть определена по величине деформаций объекта нагружения, полученных в результате удара.
Принятые к практическому использованию критерии оценки механических свойств материалов в большинстве случаев базируются на квазистатических методах, когда временной фактор силового воздействия на объект нагружения не играет определенной роли [12]. При ударном нагружении фактор времени имеет принципиальное значение и поэтому не может быть исключен из рассмотрения.
Для оценки параметров работы электромеханического ударного устройства в лабораторных условиях использован экспериментальный стенд, содержащий манипулятор с электромеханическим ударным механизмом, и упругую пластину, по которой производится удар. Пластина имеет прямоугольную форму и закреплена шарнирно по углам. После нанесения удара измерялись максимальные деформации пластины, полученные значения сравнивались с расчетными, полученными на основании формул, приведенных в разделе 3.2. Сравнение полученных результатов позволяет оценить энергию наносимого удара и проверить расчетные зависимости, определяющие деформации пластины.
Максимальные перемещения точки пластины, по которой производится удар, производилось при помощи модифицированного датчика измерения деформации, описанного в работах [110,111]. Модификация датчика состояла в удалении возвратной пружины, предназначенной для восстановления первоначального состояния прибора после измерения деформации. Таким образом, индикатор датчика после удара по пластине (или многократных ударов) останавливался в точке, соответствующей самому большому перемещению точки пластины в заданном направлении. Инерционные свойства чувствительного элемента частично компенсировались потерями на преодоление сопротивления движению и могли повлиять на точность проведения экспериментальных исследований. Практика проведения подобных экспериментов показывает, что погрешность измерения деформации может иметь в данном случае как положительный, так и отрицательный знак, и в силу равновероятности данных событий, не влияет на основные показатели, полученные в результате экспериментальных исследований [112,113].
Работа ударного устройства характеризуется влиянием на него большого числа факторов. Проведение экспериментальных исследований работы ударных устройств в натурных условиях - весьма трудоемкий и дорогостоящий процесс, поэтому предпочтительными становятся модельные исследования, базирующиеся на методах подобия и моделирования. Для анализа работы ударного устройства и разрушения при лабораторных испытаниях следует установить -значения безразмерных критериев подобия, определяющих данный процесс для любых аналогичных ударных систем. Методика определения критериев подобия рассматриваемых процессов изложена в работе [104].
Установление критериев подобия, определяющих тот или иной процесс, возможно двумя способами. Первый из них используется при анализе процессов, для которых возможно записать уравнения, описывающие этот процесс. Суть метода состоит в том, что все величины, входящие в уравнения движения в качестве слагаемых, имеют одинаковые размерности. Поэтому для получения выражений критериев подобия достаточно поделить каждое слагаемое уравнения на любое другое, входящее в это же уравнение [105]. Так, например, для описания работы электромеханического ударного механизма в главе 3 получены дифференциальные уравнения (3.8).
Похожие диссертации на Научные основы разработки электромеханических ударных устройств горного производства
