Обоснование параметров кольцевого упругого клапана системы воздухораспределения при создании пневмоударных машин Примычкин Александр Юрьевич

Содержание к диссертации

Введение

1 Состояние вопроса и задачи исследования 10

1.1 Основные типы клапанных систем воздухораспределения 10

1.2 Кольцевой упругий клапан как элемент системы воздухораспределения пневмоударной машины 12

1.3 Исследование кольцевого упругого клапана 17

Выводы 1 9

2 Разработка расчетной модели кольцевого упругого клапана и определение ее параметров 20

2.1 Разработка расчетной модели кольцевого упругого клапана 20

2.2 Определение среднего давления в клапанной щели

2.2.1 Разработка экспериментального стенда 25

2.2.2 Измерительная аппаратура 29

2.2.3 Оценка погрешностей измерений 30

2.3 Компьютерное моделирование 32

2.3.2 Компьютерное моделирование пневмоударных машин 32

2.3.1 Компьютерное моделирование течение воздуха в клапанной щели 33

Выводы 36

3 Экспериментальное определение среднего давления в клапанной щели 37

3.1 Кольцевой упругий клапан прямоугольного сечения 37

3.2 Кольцевой упругий клапан с наклонным участком (фаской) 47

3.3 Кольцевой упругий клапан круглого сечения 55

3.4 Сопоставление реального процесса срабатывания кольцевого упругого клапана с расчетным 58

Выводы 63

4 Разработка пневмоударных машин с кольцевым упругим клапаном в системе воздухораспределения 64

4.1 Разработка погружного пневмоударника 64

4.2 Разработка кольцевой ударной машины 72

4.2.1 Компоновка пневмоударного привода кольцевой пневмоударной машины 72

4.2.2 Анализ вариантов системы воздухораспределения кольцевой пневмоударной машины 78

Выводы 97

Заключение 99

Список сокращений и условных обозначений 101

Список литературы

• Кольцевой упругий клапан как элемент системы воздухораспределения пневмоударной машины
• Разработка экспериментального стенда
• Кольцевой упругий клапан круглого сечения
• Компоновка пневмоударного привода кольцевой пневмоударной машины

Введение к работе

Актуальность темы. Упругие клапаны в виде кольца круглого или прямоугольного сечения из эластомера впервые предложены в качестве элемента системы воздухораспределения для погружных пневмоударников в ИГД СО РАН В.А. Гауном в 1977 г.

Принцип работы такого клапанного устройства (рисунок 1) заключается в растяжении упругого кольца 1 и перекрытии им кольцевой щели 2 при возникновении перепада давлений p₁ и p₂ между рабочими камерами А и Б пневматического устройства. При выравнивании давлений упругий клапан сжимается и клапанная щель открывается.

Рисунок 1 - Схема клапанного устройства

Неоспоримые конструктивные достоинства кольцевого упругого клапана (КУК) - простота и компактность. Важно также, что при малых перемещениях он способен управлять большим проходным сечением.

Применение упругих клапанов в погружном пневмоударнике позволило при том же диаметре машины и расходе сжатого воздуха на 30 % повысить ударную мощность. В 90-х годах широкую известность получили разработанные В.В. Червовым пневмомолоты «Тайфун». Их система воздухораспределения с упругим клапаном, отличаясь от предложенной В.А. Гауном способом замыкания клапана, обеспечивает возможность получения высокой энергии удара при ограниченном потреблении сжатого воздуха.

Тем не менее, несмотря на широкое развитие современных методов исследования пневматических машин ударного действия, возможность компьютерного моделирования машин с КУК отсутствует, поскольку нет расчтной модели, отражающей особенности его работы. Это существенно затрудняет разработку эффективных пневмоударных устройств различного назначения, реализующих значимые для производства технологические процессы. В этой связи построение расчетной модели кольцевого упругого клапана для компьютерного моделирования пневмоударных машин с КУК и определения их параметров на стадии проектирования является актуальным.

Цель работы: разработать расчетную модель и методику расчта кольцевого упругого клапана, рассчитать и создать на его основе образцы машин для горного производства и подземного строительства с улучшенными энергетическими показателями.

Объект исследования: кольцевой упругий клапан, как элемент системы воздухораспределения в пневмоударной машине, а также созданные с его использованием погружной пневмоударник для бурения взрывных скважин и

кольцевая пневмоударная машина для погружения стержней при усилении грунтовых инженерных сооружений.

Предмет исследования: динамика кольцевого упругого клапана и пнев-моударной машины, в которой этот клапан применяется для формирования автоколебательного процесса.

Идея работы заключается в представлении радиальной деформации кольцевого упругого клапана в виде движения центра массы малого участка кольца, перемещение которого определяет площадь проходного сечения клапанной щели.

Задачи исследований:

1. Разработать расчетную модель кольцевого упругого клапана, как элемента воздухораспределительной системы, встраиваемую в модель пневмоудар-ной машины.

2. Экспериментально установить влияние перепада давления между рабочими камерами, ширины и формы клапанной щели на величину давления сжатого воздуха на наружную поверхность кольцевого упругого клапана и дополнить разработанную расчетную модель полученными зависимостями.

3. Определить с использованием расчетной модели параметры, разработать конструкцию и испытать пневмоударные машины с энергетическими показателями, улучшенными за счет применения кольцевого упругого клапана в системе воздухораспределения.

Методы исследований: аналитическое обоснование расчетной модели кольцевого упругого клапана, эксперименты на физической модели с измерением и регистрацией параметров воздушного потока и компьютерное моделирование работы пневмоударных машин, имеющих такой клапан.

Научные положения, выносимые на защиту

4. В расчетной модели пневмоударной машины адекватное представление кольцевого упругого клапана обеспечивается механическим блоком, включающим массу, упругое звено, радиальную результирующую сил давления сжатого воздуха, а так же силу трения, параметры которых численно соответствуют части упругого кольца клапана, ограниченного единичным центральным углом.

5. По мере уменьшения клапанной щели давление на наружной поверхности кольцевого упругого клапана повышается, препятствуя его закрытию, при этом рост коэффициента среднего давления, определяемого как отношение фактического среднего давления в клапанной щели к среднему арифметическому давлению в рабочих камерах, происходит в пределах от 0 до 1,45.

6. Создание наклонного участка на наружной поверхности кольцевого упругого клапана прямоугольного сечения со стороны выхода потока позволяет линейно снижать среднее давление в клапанной щели по мере увеличения длины наклонного участка и уменьшения ширины клапанной щели, что дает возможность изменять давление срабатывания клапана и повышать его герметичность.

7. При одинаковых массогабаритных параметрах кольцевая пневмоударная машина с упругим клапаном не менее чем на 20 % превосходит бесклапанный

вариант ее исполнения как по экономичности энергопотребления, так и по ударной мощности, а при износе с 2-х кратным увеличением зазоров в подвижных сопряжениях ударника превосходство по экономичности возрастает до 2,1 раза, а по ударной мощности до 1,7 раза.

Достоверность научных положений подтверждается необходимым объемом экспериментальных исследований на стенде и на расчетной модели, сходимостью расчетных и экспериментальных данных.

Научная новизна диссертации:

8. Разработана расчетная модель кольцевого упругого клапана, все точки которого при срабатывании движутся радиально относительно его оси, в которой он представлен в виде сосредоточенной массы, определяющей при своем перемещении площадь проходного сечения клапанной щели, что позволяет встроить упругий клапан в расчетную модель пневмоударной машины, оперирующую перемещением центров масс ее элементов.

9. Установлены эффект повышения среднего давления на наружной поверхности кольцевого упругого клапана, препятствующий его закрытию, и величина коэффициента среднего давления, определяющегося отношением фактического среднего давления в клапанной щели к среднему арифметическому давлению в рабочих камерах, что позволяет количественно учесть влияние этого фактора на работу клапана.

10. Показано, что эффективным способом управления давлением срабатывания клапана и повышения его герметичности является создание на выходе клапанной щели расширения, путем введения наклонного участка на наружной стороне кольца.

11. Методом численного моделирования доказано, что при одинаковых мас-согабаритных параметрах вариант кольцевой пневмоударной машины с упругим клапаном в системе воздухораспределения превосходит бесклапанный вариант как по ударной мощности, так и по экономичности энергопотребления, причем сравнительная эффективность клапанной конструкции возрастает при увеличении зазоров в подвижных сопряжениях ударника.

Личный вклад автора заключается: в разработке расчетной модели кольцевого упругого клапана; в создании экспериментального стенда и разработке методики экспериментальных исследований; в проведении вычислительных и натурных экспериментов по определению среднего давления в клапанной щели при изменении е формы, ширины, перепадов давления; в интерпретации полученных результатов и их реализации в конструкции погружного пневмоударника и кольцевой ударной машины.

Практическая ценность работы:

1. Разработана методика расчета геометрических параметров кольцевого упругого клапана, обеспечивающих требуемое давление его срабатывания и устойчивую работу пневмоударной машины.

2. Предложен способ управления срабатыванием кольцевого упругого клапана и его герметичностью за счет введения наклонного участка на наружной поверхности кольца со стороны выхода потока воздуха.

3. Разработаны конструкции пневмоударных машин с кольцевым упругим клапаном в системе воздухораспределения, созданы и испытаны в производственных условиях погружной пневмоударник для бурения взрывных скважин и пневмоударная машина для усиления грунтовых инженерных сооружений.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференции с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (Новосибирск, 2010), «Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук» (Новосибирск, 2016); 65-й научно-технической конференции «СибАДИ» (Омск, 2011); Международной научной конференции «Интерэкспо Гео-Сибирь» (Новосибирск, 2013, 2015, 2016); обсуждались и получили одобрение на семинарах Лаборатории бурения и технологических импульсных машин ИГД СО РАН.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 13-ти печатных работах, в том числе 3-х работах из перечня ВАК, получен патент РФ на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 137 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка литературы из 107 наименований, 4 приложений, содержит 82 рисунка и 8 таблиц.

Автор выражает искреннюю признательность за помощь в работе к.т.н. Анатолию Михайловичу Петрееву. Автор также благодарен сотрудникам лаборатории бурения и технологических импульсных машин, механизации горных работ, прикладной геомеханики ИГД СО РАН за оказанную всестороннюю помощь и поддержку.

Кольцевой упругий клапан как элемент системы воздухораспределения пневмоударной машины

Такой принцип торцевого уплотнения успешно адаптирован к машине поршневого типа в схеме (рисунок 1.2.5), предложенной в 1993 г. В. В. Червовым с соавторами [53]. Здесь кольцевой упругий клапан 1, размещенный на ударнике 2, в момент удара поджимается своим передним торцом к торцевой поверхности корпуса 3 машины и клапанная щель 4 оказывается перекрытой. Благодаря этому начальный перепад давления на клапане создается уже без перетечки сжатого воздуха через клапанную щель. Нарастающее давление в рабочей камере 5 растягивает упругое кольцо 1, поджимает его к боковой поверхности корпуса и обеспечивает герметизацию рабочей камеры 5 на всем ходе ударника назад до открытия выхлопных окон 6. После выхлопа упругое кольцо 1 сжимается, клапанная щель открывается и через нее при движении ударника вперед воздух из рабочей камеры свободно вытесняется на выхлоп. Таким образом, схема позволяет формировать эффективный рабочий цикл с низким противодавлением при малом объеме рабочей камеры и, главное, создает благоприятные условия для срабатывания упругого клапана. Выполненные на этой основе пневмомолоты Тайфун отличаются простотой и высокими техническими характеристиками [80, 82, 83].

Вместе с тем заложенный в этой схеме принцип начальной герметизации клапанной щели, основанный на торцевом поджатии клапана ударником к корпусу, исключает ее применение для наиболее распространенных классов пневмо-ударных машин, где ударник бьет не по корпусу машины, а по рабочему инструменту (бур, пика, зубило и т. д.). Инструмент имеет свободу осевого перемещения относительно корпуса и при работе точка соударения ударника с инструментом смещается относительно корпуса.

Схема машины с упругим клапаном и подвижным инструментом Наиболее универсальным является решение [54], где начальное перекрытие клапанной щели осуществляется за счет уменьшения не торцевого зазора между клапаном и корпусом, а радиального. Как видно на рисунке 1.2.6, в зоне, где по ходу ударника необходимо обеспечить закрытие клапана, внутренняя поверхность корпуса 1 имеет стартовый цилиндрический участок 2 с уменьшенным диаметром, соответствующим наружному диаметру клапана 3, размещенного с заданным натягом на ударнике 4. При подходе ударника к рабочему инструменту 5 клапан 3 свободно входит в эту стартовую цилиндрическую полость. Благодаря малости радиального зазора и соответственно малой перетечке сжатого воздуха на выхлоп, давление в рабочей камере уверенно нарастает и поджимает упругое кольцо 3 к стенкам цилиндрического участка 2. При движении ударника 4 назад после удара клапан переходит на участок 7 плавного сопряжения с основной частью 8 цилиндра, растягивается и далее по ходу продолжает обеспечивать герметизацию рабочей камеры 6 до открытия выхлопных отверстий 9. При такой схеме начальной герметизации смещение координаты точки соударения ударника с инструментом уже не оказывает существенного влияния на работу системы. Кроме того, такой принцип может быть применен и для камеры рабочего хода ударника, а так же при создании реверсивных машин.

Вопросы, связанные с работой клапанных устройств в пневмомашинах затрагиваются во многих публикациях [9, 32, 37, 38, 43, 74, 79, 88, 95, 107]. Этому вопросу посвящены работы Б.В. Суднишникова, Н.Н. Есина, Н.А. Клушина, Г.И. Кусницына, П.А. Маслакова, В.Д. Рабко, Н.А. Беляева и других ученых. Важный вклад в разработку систем воздухораспределения с упругим клапаном внесли В.А. Гаун [11, 13, 14, 16], А.П. Геде [17], В.В. Червов [99, 100, 101, 102].

Первые подходы к расчету кольцевого упругого клапана сделаны в работе В.А. Гауна [12], где рассматривается схема из двух последовательных проточных камер при постоянном давлении на входе. Клапан размещен межу камерами. Участие КУК в формировании течения газа представлено допущением, согласно кото 18 рому прикрытие проходного сечения прямо пропорционально перепаду давления на клапане: F = F0(1-Ap/Ap ), Ар = p1-p2 , (1.3.1) где р - значение перепада р, при котором желательно срабатывание КУК; F0 -проходное сечение КУК при полном открытии; р\ - давление в проточной камере перед клапаном; р2 - давление в камере за клапаном.

Оперируя этим соотношением и упрощнными формулами расхода газа через проточные камеры В.А. Гаун пришел к выводу, что упругий клапан мгновенно закрывается, когда расход через него достигает максимума, а давление в камере перед ним мгновенно возрастает до сетевого. Геометрические параметры и механические свойства реального упругого клапана здесь не фигурируют. По существу, рассмотрен вопрос: при каких соотношениях давлений р} и р2 может закрыться гипотетический КУК, который удовлетворяет условию (1.3.1). Однако обоснование этого условия и его связь с характеристиками реального упругого кольца отсутствуют.

Полученные результаты успешного применения КУК в пневмоударных машинах основаны на экспериментальном подборе материалов и геометрических параметров КУК при отсутствии обоснованной теории работы такого клапана. Не рассмотрен процесс открытия и закрытия клапана, характер и закономерность действующих на него сил. Это существенно затрудняет эффективное использование КУК в других пневмоударных устройствах.

Для обоснованного назначения конструктивных параметров кольцевого упругого клапана при проектировании пневмоударных машин различного назначения необходимо иметь его расчтную модель, как составную часть расчетной модели пневмоударного привода. Наличие такой модели откроет возможность применения современных методов компьютерного моделирования при создании усовершенствованных пневмоударных машин с кольцевым упругим клапаном. Поэтому е создание и применение при проектировании пневмоударных машин целесообразно и актуально.

Разработка экспериментального стенда

Для формирования устойчивого рабочего цикла пневмоударной машины важно знать, при каких условиях начинается переход клапана из положения закрыто в положение открыто и обратно. Начало перехода — это пограничное состояние статического равновесия клапана, когда реакция со стороны ограничителя (цилиндра или втулки) становится равной нулю. Исходя из этого, согласно (2.1.11), имеем для начала закрытия (х = 0) S1P1-S2p =kxн+FТ, (2.1.14) для начала открытия (х = д): k(xн+8) = S1P1-S2p+FT. (2.1.15)

Построенная математическая модель (2.1.11) и соответствующая ей расчетная схема (рисунок 2.1.2) позволяют смоделировать работу клапана и встроить его в модель пневмоударного привода [60]. Но для получения точной и достоверной картины его поведения необходимо иметь представление о закономерности изменения среднего давления над клапаном р . Оно может существенно зависеть от перепада pi -р2 , от текущего размера щели и ее формы [29, 104]. Точных данных о том, как определяется среднее давление в кольцевой щели, обнаружить не удалось. Для уточнения и развития расчетной модели необходимо рассмотрение среднего давления потока сжатого воздуха на стенки клапанной щели.

Для определения среднего давления необходимо фиксировать давление воздуха в различных точках щели. Это целесообразно сделать экспериментально, например, на установке, разработанной для исследования протечек газа в воздуш 26 ных компрессорах и описанной в работах С.Е. Захаренко [30]. Ее устройство показано на рисунке 2.2.1.

Нижний плоский стальной диск 1 имеет у краев штифты 2, необходимые для правильной установки на нем верхнего стального диска 3. В верхнем диске имеется полость А высокого давления и полость Б – низкого давления, которые разделены перегородкой 4. Между верхним и нижним дисками укладывается кольцевая бумажная прокладка 5 требуемой толщины, которая устанавливает определенную ширину щели , образующуюся между плоскостью перегородки и плоскостью нижнего диска, и одновременно уплотняет кольцевой стык дисков. Собранные для проведения опытов диски сжимались затягиванием болтов на балках из двух швеллеров 6. Воздух подавался в коллектор 9 из ресивера через дроссель и вентиль 10.

Рисунок 2.2.1 – Схема экспериментальной установки С.Е. Захаренко Для замера давления воздуха в щели, в диске 3 просверлены семь отверстий диаметром 0,3 мм на расстоянии 4 мм. Избыточное давление p1 и p2 измерялись при давлении до 1000 мм водяного столба водяным дифманометром, а при более высоком – ртутным. Такая установка имеет ряд недостатков. К ним относятся: сложность изготовления; сложность контроля фактической ширины щели; невозможность изменения длины щели; точки, в которых измеряется давление, фиксированы на строго определенном расстоянии и нет возможность определения давления в произвольной точке.

Поэтому для проведения экспериментов по определению среднего давления в клапанной щели разработана конструкция установки (рисунок 2.2.2), которая имитирует поршень и рабочие камеры пневмоударной машины [73].

Величина зазора , определяющего проходное сечение канала, задается сменными кольцами 1 разной толщины, которые устанавливаются на поршне 2. Воздух в камеру А подается внутри полого штока. Выпуск из камеры Б осуществляется через окна 5. Для создания в камере Б давления, отличного от атмосферного, окна перекрываются обоймой 6, в таком случае выпуск воздуха из камеры происходит через кран 7. С помощью гайки 4 поршень может перемещаться в цилиндре 3. При движении поршня мимо измерительного канала датчика давления ДД2 регистрируется давление в зазоре , а с помощью датчика перемещения ДП – осевая координата поршня. Давление в камере А фиксируется датчиком давления ДД1, в камере Б – ДД3. Расход сжатого воздуха, потребляемого стендом, контролируется расходомером, состоящим из расходомерной станции CS DS-300 и датчика расхода CS VA-400. Сигналы со всех датчиков обрабатываются тензостан-цией ТС и передаются в цифровом виде на компьютер ПК.

Питание установки (рисунок 2.2.3) сжатым воздухом осуществлялось через редукционный клапан ПКРМ-112-25. Источником сжатого воздуха являлся стационарный компрессор с производительностью Q = 10 м3/мин и максимальным давление сжатого воздуха pmax = 0,8 МПа.

Такая конструкция экспериментальной установки позволяет: - измерять давление в произвольной точке клапанной щели; - заменять поршень (что обеспечивает возможность изменять длину и ши рину щели, проводить испытания как с резиновыми кольцами, так и с металличе скими втулками); - изготавливать все детали точением, что облегчает изготовление. 2.2.2 Измерительная аппаратура Измерительную аппаратуру, использующуюся для проведения экспериментов, можно разделить на две группы: к первой группе относятся первичные преобразователи (датчики), ко второй – устройства преобразования и регистрации сигнала [85]. В качестве устройств преобразования и регистрации использовались: - 8-ми канальная тензометрическая станция A178 фирмы Zet (Россия)[52]; - расходомерная станция DS-300 фирмы CS Insruments (Германия) [44]; - ноутбук Samsung R428 (Корея). В качестве первичных преобразователей использовались: - датчики давления P8AP фирмы HBM (Германия): диапазон измерения 0 – 1 МПа, класс точности – 0,3 [46]; - датчик перемещения LPS-100 фирмы Dacell (Корея): диапазон измерения 0 – 100 мм, класс точности – 0,1 [45]; - датчик расхода воздуха VA-400 Standart фирмы CS Insruments (Германия): диапазон измерения 0 – 92,7 м/с, класс точности – 2 [44]. Инструменты для контроля геометрических размеров: - штангенциркуль ШЦ1-125-0,05 (Россия): диапазон измерения 0 – 125 мм, класс точности 1 [51]; - микрометр МК-125-150 (Россия): диапазон измерения 125 – 150 мм, класс точности 1 [51]; - нутромер НИ-100-160 (Россия): диапазон измерения 100 – 160 мм, класс точности 1 [51]. Приборы для измерения давления: - манометр образцовый МО-1226 (Россия): диапазон измерения: 0 – 1 МПа; класс точности – 0,25 [50]; - манометр показывающий для точных измерений МПТИ-У3 (Россия): диапазон измерения: 0 – 1 МПа; класс точности – 0,4 [50].

Кольцевой упругий клапан круглого сечения

Прямоугольная форма поперечного (рисунок 3.1.1) сечения кольца является самой доступной при штучном и мелкосерийном производстве, поскольку позволяет изготавливать упругие клапаны из листовой резины точением и высечкой.

Эксперименты по исследованию среднего давления в клапанной щели проводились с учетом особенностей функционирования КУК при впуске сжатого воздуха в рабочую камеру или выпуске из нее. Если клапан работает на впуске, то для снижения потерь энергоносителя, подачу в рабочую камеру он должен прекратить с упреждением или минимальным запаздыванием относительно момента, когда выпускное устройство откроет выхлоп из этой камеры. На практике это означает, что срабатывание такого клапана должно происходить в условиях, когда давление p1 в подводящей камере близко к магистральному pм = 0,6 МПа, а перепад p = p1 – p2 не превышает 0,3 МПа [63]. Если КУК управляет выпуском, то применительно к схеме на рисунке 3.1.1 камера Б является выпускной и давление в ней всегда близко к атмосферному, а pi — давление в рабочей камере. Исходя из этих особенностей, рассмотренная область значений параметров р} и р2 в экспериментах ограничена условием: для впускного КУК р! = 0,6 МПа, р2 = 0,3…0,6 МПа; для выпускного КУК р2 = 0, pi= 0,1…0,6 МПа. Ширина кольцевого канала (зазор) S менялась от 0,04 до 2 мм, ширина кольца Ъ — от 15 до 25 мм. Диаметр измерительных каналов в стенке цилиндра 1 мм. Диаметр цилиндра 128 мм.

В рамках принятых ограничений решалась задача определения эмпирической функции, позволяющей вычислять среднее значение давления р в канале над КУК в зависимости от ширины канала 8 и перепада давления р = р\ -р2. Полученная при стендовых и вычислительных экспериментах информация формировалась в виде таблиц и графиков распределения давления в канале.

На рисунках 3.1.2 - 3.1.6 представлены характерные графики изменения давления рь по ширине кольца Ъ прямоугольного сечения выпускного КУК при разных значениях ширины канала 8 и разных перепадах давления р = р\ - р2. В результате обработки этой информации сформирован массив значений р, соответствующий области изменения исходных параметров для КУК, работающих на выпуске [70].

Для удобства обработки полученных данных среднее давление в клапанной щели представлено в виде: p-=k.p 2 p+p2 (31Л) Коэффициент среднего давления к может служить некоторым показателем отклонения истинного значения среднего давления р от значения, подсчитанного как среднее арифметическое. При к = 1 истинное среднее значение равно среднему арифметическому: р = (р!+ р2)/2 [66].

На рисунке 3.1.7 показаны результаты обработки зависимостей к(8,р) для выпускного КУК прямоугольного сечения.

Зависимость к от ширины канала и перепада давления р на впускном клапане Из графиков (рисунок 3.1.10) видно, что при перепаде давления р = 0,5 МПа вид кривой изменения к отличается от других. Это может быть связано с изменением характера течения в канале. При г гкр - режим течения докритиче-ский; г гкр - надкритический. [28] где n – показатель изэнтропы. Для воздуха п = 1,4, в таком случае гкр = 0,528 [19]. Т.е. при давлении в питающей камере pi = 0,6 МПа, и перепаде давления свыше р = 0,3 МПа режим течения сжатого воздуха в клапанной щели меняется с докритического на надкритический. На рисунке 3.1.10 видно, что кривые изменения к при перепаде давления от 0,03 до 0,2 МПа практически идентичны. Кривая р = 0,5 МПа - значительно отличается от других. Кривая р = 0,3 МПа находится на границе изменения режима течения. Можно сделать вывод, что при докритическом режиме течения воздуха в щели величина перепада давления р не влияет на величину к.

Значения коэффициента к (для определения давления р ) при перепаде давления свыше 0,3 МПа (pi = 0,6 МПа) при определении параметров упругого клапана практической ценности не имеет, поскольку по опыту эксплуатации пневмо-ударных машин перепад давления при срабатывании клапана не превышает р = 0,2…0,3 МПа

Функция к (3,р) для впускного клапана представлена на рисунке 3.1.11. Видно, что в данном случае изменение перепада в диапазоне 0 р 0,2 МПа мало сказывается на величине к. При переходе от р = 0,2 МПа на уровень р = 0,3 МПа и выше приращение к становится существенным.

Формулы (3.1.1) - (3.1.3) и (3.1.5) вписываются в расчетную модель (2.1.11) и позволяют с приемлемой для практики достоверностью охарактеризовать работу КУК прямоугольного сечения. Не претендуя на полноту учета всех действующих факторов, они раскрывают существование эффекта, учет которого имеет важное практическое значение. Речь идет о нарастающем увеличении среднего давления в канале по мере закрытия клапана (см. рисунок 3.1.7 и рисунок 3.1.11). Это означает, что при растяжении кольца, т. е. с уменьшением ширины канала 3, к упругому сопротивлению материала кольца добавляется действие дополнительной силы пневматического происхождения, что существенно влияет на работу клапана.

Практическую важность этого фактора продемонстрировали расчеты в рамках модели. Они показали, что клапан прямоугольного сечения, спроектированный для работы в пневмоударной машине, не способен надежно перекрыть канал. Можно обеспечить лишь контакт с цилиндром, но без должного для полной герметизации прижатия. Также повышается вероятность возникновения автоколебаний. Эксперименты на стенде [72] подтвердили эту особенность. Например, рабочий клапан сечением 159 мм (3 = 2 мм, диаметр цилиндра D = 128 мм, р = 0,6 МПа), который в пневмоударной машине четко срабатывает на открытие и закрытие, дает в закрытом состоянии протечку 0,45 м3/мин (при общем потреблении машины КУМ42-1К 2,9 м3/мин).

Важным параметром клапанной щели является ее длина b, определяемая шириной упругого клапана. Для определения влияния длины клапанной щели b на среднее давление p (рисунок 3.1.12) были выполнены натурные эксперименты. РъМ 0,5 -0,4 -0,3 -0,2 - П а = 0,25мм p 1 = 0 ,5 МП а Pi = С 15 М p ъ= = 15 0,32 мм 4МПа Ъ = 2 5 мм p М Па 0,1 p 2 = 0 О 5 10 15 20 длина клапанной щели Ъ, мм Рисунок 3.1.12 - Сопоставление распределения давления в клапанной щели при ширине клапана Ъ = 15 мм и Ъ = 25 мм Установлено, что при длине щели 15 мм и 25 мм среднее давление одинаково (при прочих идентичных условиях проведения эксперимента). Разница между величинами среднего давления не превышает 5%. Из этого следует, что при таких размерах клапанной щели, ее длина не влияет на величину среднего давления.

Компоновка пневмоударного привода кольцевой пневмоударной машины

На основании результатов компьютерного моделирования была разработана конструкторская документация, по которой в ЭММ ИГД СО РАН был изготовлен опытный образец пневмоударника ПП105-ЭН (рисунки 4.1.7 и 4.1.8). В период 12 - 18 июня 2016 г. в условиях шахты им. И.М. Губкина ОАО Комбинат КМАру-да г. Губкин были проведены его промышленные испытания.

В акте испытаний отмечено, что пневмоударник ПП105-ЭН с упругим кла паном в системе воздухораспределения легко запускается в работу как при перехвате штанг, так и после наращивания очередной штанги, работает устойчиво, блокируется хорошо. При бурении наблюдался выход более крупных фракций шлама, что свидетельствует о более высоких энергетических характеристиках нового пневмоударника, хорошей очистке забоя и, как следствие более высокой ме 72 ханической скорости бурения по сравнению с серийным образцом. При аналогичных условиях она оказалась выше в 1,5 раза.

Акт сравнительных промышленных испытаний погружных пневмоударни-ков, выполненных на шахте им. И.М. Губкина ОАО «Комбинат КМА-руда» представлен в приложении 3.

На протяжении ряда лет для погружения в грунт длинных стержневых элементов при производстве строительных работ по укреплению инженерных грунтовых сооружений наиболее востребованным является мощный кольцевой погру-жатель ПУМ-65 (рисунок 4.2.1) [10, 59, 94]. Его масса – 65 кг, энергия 196 Дж и частота ударов 9,3 Гц. Потребление сжатого воздуха 4,3 м3/мин [22]. Подобные пневмоударные машины могут, по мнению многих специалистов [39], с успехом применяться и при укреплении, например, отвального массива при открытой добыче полезных ископаемых и других подобных технологиях в горном деле.

Пневмоударный узел машины ПУМ-65 включает в себя корпус 1, ударник 2, кожух 3, центральную трубку 4. Корпус 1 выполнен в виде цилиндрической гильзы, имеющей две внутренние рабочие поверхности разного диаметра с впускными окнами 6 и выхлопными отверстиями 7. Он установлен в кожухе 3 и зафиксирован от осевого перемещения стопорным элементом 8 и разрезным упругим кольцом 9. Ударник 2 имеет сквозной осевой канал и образует с корпусом камеру холостого хода А, а с трубкой 4 и наковальней 11 камеру рабочего хода В.

Зажимное приспособление [33, 93] смонтировано в наковальне 11, и изолировано от корпуса машины при помощи резинового амортизатора 10. Оно содержит зажимные кулачки 13, установленные внутри наковальни 11, направляющую 14, обойму 16, толкатель 17, уплотнительную манжету 18, поршень 19 и воздухо-подводящий штуцер 20. Пневмоударный узел, как видно на рисунке 4.2.1, имеет две управляемые рабочие камеры А, В и бесклапанную систему воздухораспределения. 1 – корпус; 2 – ударник; 3 – кожух; 4 – трубка; 5 – глушитель; 6, 7 – окно; 8 – стопорный элемент; 9 – упругое кольцо; 10 – амортизатор; 11 – наковальня; 12 – рукоятка; 13 - кулачки; 14 – направляющая; 15 – стопорное кольцо; 16 – обойма; 17 – толкатель; 18 – манжета; 19 – поршень; 20 – штуцер; 21 – уплотнение; 22 - стержень Рисунок 4.2.1 – Кольцевая пневмоударная машина ПУМ-65 Опыт эксплуатации этих машин выявил потребность снижения их веса, повышения ремонтопригодности и экономичности [92]. Резервы совершенствования ПУМ-65 в первую очередь связаны с ее компоновкой [35]. Направляющим элементом при возвратно-поступательном движении ударника здесь является корпус машины. Их подвижное сопряжение формируется внутренней поверхностью корпуса 1 и наружной поверхностью ударника 2. Кольцевые зазоры в подвижных сопряжениях ударника и корпуса должны обеспечить свободное движение ударника и их абсолютная величина тем больше, чем больше диаметр сопряжения. Вместе с тем они являются источником непроизводительной потери сжатого воздуха. Для исключения возможного деформирования подвижных сопряжений во время эксплуатации ударной машины толщину стенки корпуса приходится делать достаточно толстой. Это приводит к увеличению массы устройства, что для переносной машины весьма нежелательно.

В связи с этим предложена компоновочная схема кольцевой ударной машины, которая защищена патентом РФ [55], где базирование ударника осуществляется по поверхности с возможно меньшим диаметром – по центральной трубке. Этот вариант компоновки машины представлен на рисунке 4.2.2.

Машина содержит корпус 1, ударник 2, и центральную трубку 3. Базирование ударника 2 при его возвратно-поступательном движении обеспечено взаимодействием сопрягаемых поверхностей А и Б на внутренней поверхности ударника 2 и наружной поверхности центральной трубки 3. Камера рабочего хода 4 образована внутренней поверхностью ударника 2 и наружной поверхностью центральной трубки 3. Центральная трубка, являющаяся направляющей для ударника, имеет в задней части ступень большего диаметра с питающими каналами 5 камеры рабочего хода 4, через которые в эту камеру постоянно поступает из магистрали сжатый воздух. Питание сжатым воздухом камеры обратного хода 6 обеспечивают питающие каналы 7, которые выполнены на центральной трубке 3 с возможностью периодического их перекрытия их ударником 2. Выпуск сжатого воздуха из камеры 6 обеспечивают выпускные окна 14, которые открывает ударник. Наковальня 8 связана с корпусом 1 через упругий амортизатор 11.