Введение к работе
Актуальность работы. Одним из направлений развития экономики России в настоящее время является использование своей сырьевой базы. Это требует изыскания энерго- и ресурсосберегающих технологий разработки месторождений полезных ископаемых и перспективных способов разрушения горных пород. Поэтому создание новых и совершенствование существующих способов разрушения, в том числе ударного, горных пород является актуальной научно-технической задачей. Перспективным направлением здесь можно считать применение горных машин с активными исполнительными органами. Использование гидравлического привода для работы таких исполнительных органов представляется наиболее эффективным, а может и единственно возможным на данный момент способом решения данной задачи.
Интенсивные исследования гидравлических ударных (гидроударных) систем в нашей стране начались с середины прошлого века сначала применительно к бурению, а затем и к отбойке горных пород. К настоящему времени накоплен большой объем как теоретических, так и экспериментальных работ в этой области, разработаны и созданы десятки конструкций ударных устройств. Однако практический выход здесь, особенно применительно к отбойке пород, незначителен, до сих пор не создано эффективной (с высоким КПД) выпускаемой серийно ударной машины, характеристики которой не уступали бы аналогичным зарубежным образцам.
Основная причина такого положения, с нашей точки зрения, объясняется общим технологическим отставанием отечественного гражданского машиностроения от мирового уровня. Вместе с тем, как показал анализ предшествующих исследований, определенные проблемы существуют в теории и методах расчета гидроударных систем. Поэтому представляется, что для развития этого направления горного машиноведения и создания эффективных машин необходимо проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований гидравлических ударных систем на основе современной измерительно-вычислительной базы; разработка их теории и методов расчета; создание компьютерных программ, позволяющих производить их расчет, исследование режимов работы и оптимизацию параметров.
Целью работы является разработка основ теории и методов расчета автоколебательных гидроударных систем объемного типа для исполнительных органов горных и строительных машин.
Идея работы заключается в использовании расчетной схемы автономной гидравлической ударной системы с источником постоянного расхода; размерном анализе и выборе динамических критериев подобия; представлении результатов и анализе динамики систем в пространстве критериев подобия.
Задачи исследований:
формирование классификации автоколебательных гидроударных систем по отличительным признакам, относящимся к их гидравлической части, составу элементов и фазовым особенностям приложения сил к бойку;
построение математических моделей основных классов гидроударных систем объемного типа, размерный анализ уравнений, определение динамических критериев подобия;
расчет характеристик предельных циклов основных классов гидроударных систем, их исследование в пространстве критериев подобия;
разработка физических моделей ударных устройств, стенда и методики экспериментальных исследований, позволяющих производить анализ и корректное сравнение с результатами расчета процессов в гидроударных системах;
экспериментальные исследования динамики предельных циклов гидроударных систем, анализ получаемых осциллограмм и их сравнение с результатами численных расчетов;
разработка и отладка программы расчета и оптимизации гидроударных систем; разработка методики расчета параметров, необходимых для их проектирования.
Методы исследований:
применение при построении математических моделей теории гидравлических цепей, рассматривающей систему, как совокупность элементов с сосредоточенными параметрами, поведение которых описывается стандартными алгебраическими и дифференциальными уравнениями;
размерный анализ уравнений математических моделей с применением метода аналогичности, выбор динамических критериев подобия;
численное решение уравнений с применением метода припасо-вывания; представление и анализ результатов расчетов в сечениях пространства основных критериев подобия;
проведение экспериментальных исследований основных классов систем на универсальной модели; применение при регистрации характеристик цифрового оборудования на базе персонального компьютера.
Основные научные положения:
основные динамические критерии подобия, имеющие аналогичный физический смысл для автоколебательных гидроударных систем двухстороннего и одностороннего прямого и обратного действия объемного типа позволяют производить анализ динамики данных систем в области их эффективной работы;
области в пространстве основных критериев подобия, в которых возможна эффективная работа автоколебательных гидроударных систем объемного типа, а также значения характеристик предельных циклов в пределах этих областей позволяют производить оценку и расчет параметров данных систем;
в определенном диапазоне области эффективной работы системы одностороннего прямого действия при росте критерия, выражающего отношение действующих на боек сил со сторон рабочих камер устройства, предударная скорость бойка, время цикла, мощность и КПД системы проходят через экстремальные значения;
в системе одностороннего обратного действия возможны три режима работы: авторезонансный — с временем цикла, определяемым полупериодом собственных колебаний системы «пружина-боек»; од-ноударный — с размахом колебаний бойка, близким к длине фазы его обратного хода, и многоударный — характеризующийся периодически повторяющейся группой колебаний;
увеличение длины хода бойка с момента переключения потоков жидкости от фазы прямого к фазе обратного хода до взаимодействия с ограничителем приводит к повышению предударной скорости и мощности автоколебательных гидроударных систем, а увеличение коэффициента восстановления скорости бойка — к их снижению;
полученные на основе расчетной схемы с источником постоянного расхода теоретические и экспериментальные результаты позволяют по ограниченному количеству параметров автоколебательных гидроударных систем определять необходимые для их проектирования параметры и характеристики.
Достоверность научных результатов обоснована:
применением при теоретических исследованиях методов классической механики и прикладной теории гидравлических цепей;
применением размерного анализа и выбором динамических критериев подобия, позволяющих исключить масштабный фактор при интерпретации результатов исследований;
использованием при экспериментальных исследованиях апробированных приборов, оборудования и датчиков;
удовлетворительной сходимостью результатов численных расчетов и экспериментальных данных.
Новизна научных положений:
определены основные динамические критерии подобия, имеющие аналогичный физический смысл для автоколебательных гидроударных систем двухстороннего и одностороннего прямого и обратного действия объемного типа. В отличие от ранее использовавшихся критериев они позволяют производить анализ динамики данных систем в области их эффективной работы;
впервые для автоколебательных гидроударных систем объемного типа определены области в пространстве основных критериев подобия, в которых возможна их эффективная работа. В пределах этих областей исследованы характеристики основных классов систем;
впервые установлено, что в области эффективной работы системы одностороннего прямого действия при росте критерия, выражающего отношение действующих на боек со сторон рабочих камер устройства сил, предударная скорость бойка, время цикла, мощность и КПД системы проходят через экстремальные значения;
доказано, что в системе одностороннего обратного действия могут наблюдаться три режима функционирования: авторезонансный — с временем цикла, определяемым полупериодом собственных колебаний системы «пружина-боек»; одноударный — с размахом колебаний бойка, близким к длине фазы его обратного хода и многоударный — характеризующийся периодически повторяющейся группой колебаний;
установлено, что увеличение длины хода бойка с момента переключения потоков жидкости от фазы прямого к фазе обратного хода до его взаимодействия с ограничителем приводит к повышению предударной скорости и мощности автоколебательных гидроударных
систем, а увеличение коэффициента восстановления скорости бойка — к их снижению;
- в результате проведенных теоретических и экспериментальных
исследований динамики автоколебательных гидроударных систем до
казана достоверность положенных в основу их математических моде
лей и экспериментальных методик расчетной схемы автономной сис
темы с источником постоянного расхода.
Личный вклад автора состоит:
в постановке проблемы и задач, выборе методов и разработке методик исследований;
в разработке и отладке программы расчета гидроударных систем, расчете характеристик систем в широком диапазоне входных параметров — динамических критериев подобия;
в разработке и создании стенда для исследования гидравлических ударных систем и экспериментальных моделей ударных устройств;
в проведении теоретических и экспериментальных исследований автоколебательных гидроударных систем, обработке и анализе полученных результатов.
Практическая ценность:
предложена методика расчета и оптимизации параметров ударных устройств и согласования их с параметрами применяющегося гидравлического оборудования;
теоретические основы автоколебательных гидроударных систем с одним бойком позволяют перейти к исследованию систем, содержащих несколько бойков;
разработаны конструкции гидроударных устройств для использования в исполнительных органах горных и строительных машин.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на международной конференции «Проблемы и перспективы развития горных наук» (г. Новосибирск, 2004 г.); на IV научно-практической конференции с участием иностранных ученых «Наукоемкие технологии добычи и переработки полезных ископаемых» (г. Новосибирск, 2005 г.); на конференциях с участием иностранных ученых «Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды» (г. Новосибирск, 2006, 2008 гг.); на научных симпозиумах «Неделя горняка – 2002», «Неделя горняка – 2003», «Неделя горняка – 2007», «Неделя горняка – 2008» Московского государственного гор-
ного университета; на Всероссийском семинаре по теоретической и
прикладной механике (г. Новосибирск, 2007 г.); на международном
научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и
технологии» (г. Орел, 2006 г.); на 61-63 научно-технических конфе
ренциях Новосибирского государственного архитектурно-
строительного университета (г. Новосибирск, 2004 - 2006 гг.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликована 31 работа, в том числе 1 монография, 21 статья, получено 8 патентов Российской Федерации.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений, изложенных на 302 страницах, содержит 109 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 153 наименований.
