Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, научное обоснование, задачи исследования и создание пневматического ручного лома 9
1.1. Применение пневматических ручных ломов в строительном деле.. 9
1.2. Направления исследования в области пневмоударных машин 19
1.3. Проблемность задач создания и исследования пневматического ручного лома строительного 26
1.4. Выводы и задачи исследования 27
2. Обоснование структурной схемы и конструктивных параметров пневматического ручного лома 30
2.1. Основные требования, предъявляемые к пневматическим ручным ломам и их структурные схемы 30
2.2. Графическое моделирование пневматического ручного лома 34
2.3. Пневмоударные механизмы с дросселями впуска постоянного геометрического сечения 40
2.4. Физико-математическая модель, допущения и ограничения при описании рабочего процесса дроссельного пневмоударного механизма 45
3. Исследование основных параметров дроссельного пневмоударного механизма лома строительного 50
3.1. Расчетная схема и уравнения динамики синтезированного дроссельного пневмоударного механизма 50
3.2. Критерии оценки рабочего процесса дроссельного пневмоударного механизма лома 58
3.3. Результаты численных исследований надежности и устойчивости процесса ДПУМ лома на ЭВМ 61
3.4. Инженерная методика расчета пневматического ударного механизма ручного лома 73
4. Численное исследование баро- и термодинамического процесса в камерах наддува дроссельного пневмоударного механизма 75
4.1. Давление, температура, расход воздуха и показатель процесса в камерах наддува 75
4.2. Показатель удельной энтропии воздуха в камерах наддува. 85
4.3. Влияние давления воздуха на изменение формы диаграммы (p-V) в дроссельных пневмоударных механизмах с камерами наддува 98
4.4. Сравнительная качественная оценка основных энергетических параметров дроссельного пневмоударного механизма 104
5. Результаты экспериментальных исследований лома строительного пневматического и направление дальнейших исследований 113
5.1. Устройство макета лома, программа и техническое обеспечение исследований 113
5.2. Установление соответствия результатов моделирования и физического эксперимента при исследовании макета лома 119
5.3. Результаты исследований пневматического лома для строительства 122
5.4. Направление дальнейпшх исследований по совершенствованию пневмоударных механизмов и машин 129
Заключение 131
Литература 135
Приложение 153
- Проблемность задач создания и исследования пневматического ручного лома строительного
- Пневмоударные механизмы с дросселями впуска постоянного геометрического сечения
- Критерии оценки рабочего процесса дроссельного пневмоударного механизма лома
- Влияние давления воздуха на изменение формы диаграммы (p-V) в дроссельных пневмоударных механизмах с камерами наддува
Введение к работе
Актуальность темы. Механизация большеобъемных и трудоемких технологических процессов обусловливается объемами реставрационных, восстановительных и ремонтных работ и определяет уровень развития строительно-промышленного комплекса России. Важное значение при этом уделяется машинам ударного действия. Ручные машины занимают одно из доминирующих положений. Практика их применения показала, что они являются наиболее пригодными для работы в неординарных условиях: при высоких и низких температурах, в радиационных зонах, при высоких ускорениях, интенсивных вибрационных и ударных нагрузках, в пожаро- и взрывоопасных ситуациях. Потребность строительного комплекса в ручных машинах в условиях сложившихся рыночных отношений покрывается в основном ввозом их из Англии, Германии, США, Японии.
Направленность данных исследований и практических предложений касается улучшения эксплуатационных и экологических характеристик пневматических ручных машин ударного действия для строительства в условиях Сибири. Исследования этого направления являются актуальными в независимости от подчиненности и задач промышленности, поскольку решают извечно важную задачу: улучшение условий труда рабочих в сфере материального обеспечения жизнедеятельности общества.
Из пневматических машин ударного действия особый интерес представляют ручные машины, молотки и ломы с дроссельным пневмоударным механизмом (ДПУМ), в котором единственной подвижной деталью в системе воздухораспределения является сам ударник, что делает их более надежными при эксплуатации в условиях отрицательных температур. Это обстоятельство подчеркивает актуальность разрабатываемой проблемы. Данная работа является логическим звеном в цикле исследований пневматических ручных машин ударного действия, проводимых в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете, и выполнена в соответствии с темой: «Разработка на основе импульсных систем новых и повышение эффективности существующих ручных машин и инструментов, применяемых в
РОС. НАЦИОНАЛыЙТв .
1 БИБЛИОТЕКА |
промышленном, жилищном и сельскохозяйственном строительствах в условиях Сибири» - 019200087776, 1995-2000 гг.
Цель и задачи исследования. Цель работы заключается в создании пневматического ударного механизма ручного лома, а также в установлении баро- и термодинамических зависимостей в дроссельных пневматических ударных механизмах с наддувом при формировании силового импульса давления воздуха со стороны камер рабочего и холостого ходов и создание на этой основе типоразмерного ряда новых конструкций ломов с заданными улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:
разработка принципиальной схемы ДПУМ;
установление баро- и термодинамических зависимостей рабо-
чего процесса ДПУМ;
изучение потенциальных возможностей камер наддува ДПУМ;
установление рациональных значений параметров ДПУМ руч-
ного лома строительного и разработка методики его инженерного расчета;
- создание экспериментального образца ручного лома строи-
тельного пневматического, исследование и испытание его в
лабораторных условиях.
Методы исследования. Применен комплексный метод, включающий: аналитический обзор и обобщение существующего опыта; теоретические разработки с использованием методов механики, баро- и термодинамики; математическое и физическое моделирование рабочих процессов с целью установления адекватности рациональных соотношений между параметрами ДПУМ; экспериментальную проверку эффективности новой машины в лабораторных условиях.
На защиту выносятся следующие положения:
- физико-математическая модель баро- и термодинамического процесса пневматического ударного механизма с дроссельным воздухораспределением с камерами наддува при формировании силового импульса со стороны камер рабочего и холостого ходов ударника, дающая возможность установить наиболее характерные для данного класса машин баро- и термодинамические пара-
метры, а также основные показатели качества - удельного расхода сжатого воздуха и съема мощности;
система уравнений, описывающая рабочий процесс ДПУМ с камерами наддува , позволяющая раскрыть закономерности и установить основные соотношения между геометрическими размерами и энергетическими параметрами, характерными для ручных ломов строительных пневматических;
зависимости между показателями процесса, расходом воздуха и удельной теплоемкостью, удельной энтропией, температурой и давлением воздуха в рабочем процессе ДПУМ с камерами наддува;
инженерный метод расчета ДПУМ с камерами наддува при использовании рациональных значений параметров, полученных физико-математическим моделированием;
принципиальная схема и конструкторское решение ДПУМ, реализованные в конструкции высокоэффективного ручного лома строительного пневматического.
Достоверность научных положений обоснована:
анализом направлений совершенствования пневмоудар-ных механизмов с воздухораспределением ударником (по патентным материалам за период с 1900 по 2004 г.г.), а также механизмов с дроссельным воздухораспределением (по патентным материалам за период с 1964 по 2004 г.г.);
результатами исследований и анализа физико-математической модели рабочего процесса ДПУМ с камерами наддува ручного лома строительного пневматического, а также сопоставлением известных результатов, полученных другими исследователями;
всесторонним исследованием в лабораторных условиях нового высоконадежного образца ручного лома строительного с ДПУМ.
Научная новизна заключается:
- в разработке и применении в исследовании физико-
математической модели баро- и термодинамического процесса
ДПУМ с камерами наддува, позволяющими улучшить качествен
но и количественно энергетические параметры рабочего процесса
механизма;
в исследовании и установлении зависимостей между показателем процесса и удельной энтропией, расходом сжатого воздуха, удельной теплоемкостью, температурой и давлением воздуха в рабочем процессе Дії УМ с камерами наддува;
в установлении основных соотношений геометрических размеров и энергетических параметров ДТГУМ с камерами наддува;
в разработке методики инженерного расчета ДТГУМ с камерами наддува с использованием рациональных значений параметров для ручного лома строительного пневматического со сниженной вибрацией.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Разработана и обоснована новая принципиальная схема ДТГУМ с камерами наддува, позволяющая создать ручной лом строительный пневматический с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Разработана методика инженерного расчета ДТГУМ с камерами наддува, позволяющая создать ручной лом строительный пневматический на любые, практически приемлемые, сочетания энергии и частоты ударов при ограничении по удельному расходу воздуха и усилию нажатия с приемлемой амплитудой колебаний корпуса.
Создан экспериментальный образец ручного лома строительного пневматического с дроссельным воздухораспределени-ем - ЛСП-100. Указанный лом используется в учебном процессе как наглядное пособие по разделу «Строительный механизированный инструмент» курсов «Строительные машины» и «Механизация и автоматизация строительства» в НГАСУ.
По металлоемкости на единицу ударной мощности ручной лом строительный ЛСП-100 выгодно отличается от зарубежных и отечественных аналогов. Себестоимость изготовления лома, благодаря конструктивной простоте, может быть снижена вдвое в сравнении с аналогами. Лом обладает вдвое большим ожидаемым ресурсом, а его вибрационные характеристики (без специальных защитных устройств) предпочтительнее характеристик аналогичных серийно выпускаемых, включая зарубежные. Рассчитаны, созданы и находятся на стадии исследований и разработок по
МНТП РФ «Архитектура и строительство» высокопроизводительные, надежные и удобные в эксплуатации ручные ломы строительные пневматические на энергии единичного удара 63 и 80 Дж. Внедрение ручных ломов пневматических в машинные парки строительного комплекса для нужд строительно-монтажных, восстановительных и ремонтных работ даст существенные экономический и социальный эффекты. Личный вклад автора в следующем:
в разработке и применении в исследовании физико-математической модели баро- и термодинамического процесса ДПУМ с камерами наддува;
в исследовании зависимостей между показателем процесса и удельной энтропией, удельной теплоемкостью, температурой и давлением воздуха в рабочем процессе и установлении основных соотношений геометрических размеров и энергетических параметров рабочего процесса ДПУМ с камерами наддува;
в разработке методики инженерного расчета ДПУМ с камерами наддува с использованием рациональных значений параметров для ручных ломов строительных пневматических со сниженной вибрацией;
в расчете, разработке конструкции, доводке и испытаниях ручного лома строительного пневматического - ЛСП-100.
Апробация исследований. Изложенные в диссертации результаты обсуждались на научно-технических конференциях Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин) (Новосибирск, 1998-2001 г. г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных статей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 168 наименований. Работа изложена на 228 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 17 таблиц и 10 приложений.
Проблемность задач создания и исследования пневматического ручного лома строительного
Учитывая комплексность задач создания ручной машины в виде пневматического лома, представляет теоретический и практический интерес отдельные вопросы. Вот некоторые из них.
Существующие предложения и рекомендации по установлению энергетических рядов ручных машин не учитывают характер обрабатываемых материалов, а базируются на исторически сложившемся перечне выпускаемых ранее машин, в то время как характер технологических операций и свойств обрабатываемых материалов изменяются. Предпринятые попытки [100,131] определения влияния структуры ударной мощности пневматических механизмов на вибрационные и силовые характеристики машин ударного действия показали, что существенного их изменения следует ожидать от неоправданного увеличения энергии единичного удара.
Доведение вибрационных и шумовых параметров ручных машин до регламентированных величин является важным решением народнохозяйственной задачи, а ее положительное решение обеспечивается синтезом такого рабочего процесса, который предопределяет их безопасность уже на стадии проектирования [16,18,19,60,94,105,132].
Анализ отмеченных задач и известных решений указывают на обязательность комплексного их рассмотрения с целью удовлетворения по возможности большего числа требований практики. Необходимо отметить также то, что даже незначительные упущения при создании новых машин могут отрицательно сказываться не только на производительности и качестве работ, но и на здоровье оператора. Отмеченное будет снижать экономический и социальный эффект от применения ручных машин, предназначенных для облегчения условий труда.
Наиболее полно информация о дроссельных, струйных, беззолотниковых и бесклапанных пневмоударных механизмах представлена патентными источниками в монографии справочного характера [133]. Физко-математичекие модели и методы расчета пневматических ручных машин ударного действия достаточно полно представлены в трехтомном справочнике-монографии [134-136]. Положительные стороны пневмоударной системы с дросселем на впуске очевидны - это предельная простота, высокая устойчивость и надежность [16, 18]: размеры ударника могут быть установлены только из условий его прочности на ударную нагрузку. Классификация признаков механизмов и машин [16,18,60,133,137-142] и развитие физико-математических моделей подтверждают возрастающий научный уровень подхода к вопросам анализа, синтеза, прогнозирования и определения новизны решения, и позволяют подойти к созданию машин с нужными качествами еще на стадии проектирования.
Проведенный анализ состояния вопроса по исследованию и созданию пневматических ручных машин ударного действия позволил установить, что несмотря на относительно высокий уровень, достигнутый в этой области, ряд важных вопросов структурного анализа и синтеза, динамики дальнейшего развития требуют вопросы установления рациональных размеров и параметров пневматических ручных машин ударного действия с необходимой и достаточной по величине энергией единичного удара и частотой ударов при заданной производительности и силе нажатия. Целью предлагаемых исследований является разработка экономически эффективного дроссельного пневмоударного механизма, достаточно точного метода его расчета, что обеспечит создание высокопроизводительных, надежных вибро- и шумобезопасных пневматических ручных ломов для строительного комплекса.
Для достижения указанной цели в данной работе предусматривается решение следующих задач: 1) разработка принципиальной схемы дроссельного пневмоударного механизма с учетом основных требований к ручному бетонолому; 2) установление баро- и термодинамических зависимостей рабочего процесса дроссельного пневмоударного механизма; 3) изучение потенциальных возможностей камер наддува дроссельного пневмоударного механизма; 4) установление рациональных значений параметров дроссельного пневмоударного механизма ручного лома строительного и разработка методики его инженерного расчета; 5) создание экспериментального образца ручного лома строительного пневматического, исследование и испытание его в лабораторных условиях. На различных стадиях совершенствования пневматических ручных ломов любого назначения и типоразмера, к ним предъявляются в основном одни и те же требования [143]. Без претензий на исчерпывающую полноту, эти требования применительно к пневматическим ломам можно разделить на группы, которые представлены нарис. 2.1. Как показывает практика всегда наблюдалось стремление к максимальному удовлетворению всех перечисленных требований. Эта задача в научном и инженерном плане решается более 100 лет. Основным параметром, определяющим производительность лома, как и других машин ударного действия, является энергия единичного удара. Поэтому назначение других параметров, как правило, следует только после установления необходимой и достаточной величины энергии единичного удара [18,100]. При этом частота ударов может назначаться в соответствии с допустимым усилием нажатия на рукоять лома, т.е., не зная границ прочности обрабатываемого материала, нельзя рекомендовать какие бы то ни было величины параметров пневмоударного механизма (ПУМ) лома, от которых будет зависеть надежность других его параметров. Следовательно, необходимо исчерпать все возможности совершенствования самого ПУМ и только затем предусматривать реализацию других устройств, удовлетворяющих требованиям: санитарно-гигиеническим, экономическим, надежности и долговечности.
Пневмоударные механизмы с дросселями впуска постоянного геометрического сечения
Как уже отмечалось [143], возвратно-поступательное движение ударника в дроссельном пневматическом ударном механизме (Д1ІУМ) предопределено разностью сил (импульсов) со стороны его торцов. Эту разность можно реализовать одним из трех способов подбора объемов камер рабочего Vp и холостого Vx ходов и питающих их проходных сечений wp и wx дросселей впуска: Третий способ реализации объемов камер и проходных сечений дросселей впуска наиболее широк, т.к. позволяет варьировать при создании ДПУМ большим числом переменных. По признаку впуска из имеющегося количества ДПУМ можно выделить следующие группы механизмов с дросселями впуска: 1) постоянного геометрического сечения; 2) регулируемого проходного сечения. Каждая из групп ДПУМ согласно [133] может быть представлена неподвижными дросселями впуска, выполненными в (на) корпусе (цилиндре), трубке, стержне (1-ая подгруппа) и подвижными - в (на) ударнике и трубке (2-ая подгруппа). То есть специфические особенности механизмов, указанных групп, могут быть представлены двумя подгруппами: 1) механизмы с неподвижными дросселями впуска (рис. 2.6, а схемы 1-6); 2) механизмы с подвижными дросселями впуска (рис. 2.6, б схемы 7-12). Как показывает анализ механизмов 1-го исполнения 1-ой подгруппы все ДПУМ обладают независимостью величины хода ударника от его длины. Критерий габарита [96, 97] в таких механизмах может быть реализован достаточно малой величиной, поэтому вопрос об уменьшении массы ударника в таких ДПУМ может быть решен наиболее рационально. В механизмах 2-го исполнения, 2-ой подгруппы для камер (полостей), расположенных со стороны рабочего и холостого ходов ударника, величина давления воздуха неодинакова (рр t px).
Суммарные же рабочие площади со стороны торцов ударника могут быть подключены в работу (нагружены давлением воздуха) не полностью, а только частично, но быть равными между собой (Sp = Sx). Таким образом движение ударника осуществляется за счет разности давления на его рабочие площади. При этом выполняется неравенство: Кроме отмеченного в механизмах 2-го исполнения, 2-ой подгруппы рабочий процесс может протекать при различных давлениях {ppj pxi) и различных рабочих площадях ударника (Spj & Sxi), несмотря на то, что суммарная площадь со стороны торцов одинаковая. Движение ударника в этом случае осуществляется, благодаря неравенству: Отметим, что 2-ая подгруппа 1-го и 2-го исполнения ДПУМ может быть представлена ступенчатыми ударниками. Последние усложняют конструкцию как механизма, так и лома в целом.
Однако специфика отдельных технологических процессов (бестраншейная проходка подземных коммуникаций в виде горизонтальных скважин, пробивка отверстий для дутья в литейном производстве и т.п.) может оправдать применение в машине ударного действия ступенчатого ударника и оказаться наиболее целесообразным или даже необходимым техническим решением. Учитывая целенаправленность исследований ДПУМ, а также требования к ручной машине ударного действия, рассмотрим особенности некоторых характерных механизмов 1-ой группы, 1-ой подгруппы, 1-го исполнения. То обстоятельство, что камеры ДПУМ сообщены посредством дросселей с сетью сжатого воздуха постоянно и, что поступление его в камеры не прерывается какими-либо клапанами, золотниками или ограничительными кромками ударника, определяет простоту конструкции и надежность лома. Вместе с тем отсутствие отсечки подачи сжатого воздуха в камеру, когда она сообщается через выпускные каналы и дроссели с атмосферой, обусловливает повышенный расход сжатого воздуха. Улучшение расходных характеристик ДПУМ существенно зависит от правильного выбора соотношения между объемами рабочих камер и проходными сечениями впускных дросселей [96]. Объемы камер рабочего и холостого ходов в сочетании с проходными сечениями дросселей впуска позволяют реализовать рабочий цикл со сниженным давлением в управляемых камерах. Соотношение между сечениями дросселей и объемами камер имеет вид: где о - коэффициент пропорциональности, который в зависимости от типоразмера механизма может принимать значения от 0,15 до 0,50 [96]. Проход ные сечения дросселей впуска должны определяться из следующих приве денных ниже соображений. Используя известную формулу Сен-Венана-Вантцеля [149], площадь проходного сечения соэ дросселя можно определить по выражению: где давление сжатого воздуха на выходе и входе дросселя; g ускорение свободного падения; ро — плотность сжатого воздуха на входе; к - показатель процесса (адиабатического) истечения. Под проходным сечением о)э здесь и ниже будем понимать произведение минимальной площади o)mi„ поперечного сечения воздухопроводящего тракта (включая дроссель), питающий управляемую камеру, и коэффициента расхода fi этого тракта, выраженного через сумму его местных сопротивлений Ее [150], т.е. В соответствии с (2.7) проходные сечения дросселей камер рабочего и холостого ходов будут определяться из условий: где Gp, Gx - расход воздуха через дроссели камер рабочего и холостого хо дов. В этом случае площадь проходного сечения всех дросселей впуска в целом должна удовлетворять выраженшо (2.7), а общий расход воздуха должен быть суммарным. Представленные на рис. 2.6 - 2.7 пневмоударные механизмы снабжены дросселями впуска в виде обычного отверстия-насадка или сопла (сх. 1,2,7), канала с радиальным выходом (сх.3,8), пористого проточного элемента (сх.4,9), канала-паза (сх.5,10), канала-лыски (cx.ll) и винтового канала (сх.6,12). Ввиду известности признаков, конструктивных элементов и технических решений дроссельных, струйных, беззолотниковых и бесклапанных ПУМ [133] и представленных на рис. 2.6 и 2.7, их описание в данной работе опущено. Основываясь на приведенных выводах, механизмы по сх. 1-6 следует считать наиболее предпочтительными из рассмотренных. С целью реализации в конструкции лома строительного пневматического ДПУМ по сх. 1 выбран в качестве предмета теоретического, численного и натурного исследования. Указанный механизм и его варианты конструктивного исполнения синтезированы при творческом участии автора данной работы. Задача по установлению энергетических характеристик рабочего процесса ДПУМ лома сводится к отысканию значений давлений воздуха в рабочих камерах (/ ,) скорости ударника («,), наилучшим образом удовлетворяющих минимуму расхода воздуха (G;) и максимуму ударной мощности (JV,.) при ограничениях по скорости ударника связанной с прочностью материала и по давлению воздуха в сети (p0i). Следствием такого решения будут: минимально возможный шум на выпуске, (без дополнительных средств снижения шума) и максимально возможная ударная мощность и минимально возможная вибрация корпуса (без дополнительных средств снижения вибрации) при ограничении силы нажатия на корпус ПУМ ( Fm ). Принимая ограничения на условия протекания рабочего процесса, используемых при оценке ДПУМ, требуется обеспечить получение соотношений основных геометрических размеров, необходимых и достаточных для проектирования и конструирования пневматической машины ударного действия. Исследования [107,109] подтверждают достаточность для практических целей использование при оценке звуковой мощности средних давлений в камерах или давлений на выпуске у сравниваемых ПУМ [151]. В данном исследовании вопросы вибрации корпуса и шумообразования на вьшуске в ДПУМ решались на уровне системы уравнений, описывающих рабочий процесс, во взаимосвязи с принятыми ограничениями. Бародинамические и термодинамические процессы, протекающие в ДПУМ, представляют теоретический (модель процесса) и практический (инженерный метод расчета) интересы.
Критерии оценки рабочего процесса дроссельного пневмоударного механизма лома
В соответствии с поставленными задачами исследований, примем в качестве критериев [18,15]: - съем мощности с единицы площади ударника В (3.13)-(3.16) обозначены: N - ударная мощность; С?-расход воздуха за цикл; rj — (l-(FH / (p fy))(2my (1+ky)2 N / ipoSy - коэффициент пропорциональности между подводимой и отводимой энергией к корпусу, вызывающей его перемещение [91,158,164]; FH - сила нажатия на корпус; і - частота ударов. Рв — (2/3) (фо -рс) + (рс + Зрс PQ} л) - давление воздуха в начале выпуска из камеры, полученное из выражения зависимости для среднего давления рс по пути ударника [18,34,15]. Предварительные исследования рабочего процесса ДПУМ показали, что для оценки баро- и термодинамических процессов на инженерном (прикладном) уровне, можно воспользоваться параметрами, поясняющими причину и следствие кинетики процессов во времени и пространстве. Для указанных целей приняты закономерности изменения параметров: - давления воздуха - расход воздуха - температуры и удельных теплоємкостей - удельной энтропии процесса - показателя процесса В (3.17) - (3.21) обозначены: рх - давление воздуха в камере с объемом Vt\ І - температура воздуха в камере; cph cvi - удельные теплоемкости воздуха в камерах соответственно при р const и V const; St - энтропия процесса в камере; и,- - показатель процесса (политропа); t - время. Перечисленные параметры и зависимости (3.19) - (3.21) заимствованы из известных источников [153,159,160], рассчитывались по отдельным программам. Исходными данными для указанных расчетов служили параметры, полученные при решении систем уравнений, описывающих рабочий процесс ДПУМ (3.1) с соответствующими ограничениями. Так, расчет термодинамических параметров и построение зависимостей (р - V), (S - в) осуществлялись по следующим уравнениям [16,87]: (3-22) В (3.21) - (3.23) обозначены: Ср(р,д cV(p,x), Sp(pt t SypjQ - теплоемкость, удельная энтропия соответственно для камер рабочего и холостого ходов при постоянном давлении и при постоянном объеме; щрХ) - показатель процесса для камер рабочего и холостого ходов. Расход воздуха подсчитывался по зависимостям (3.8) и (3.9), а показатель процесса (политропа) по зависимости и сопоставлялся с зависимостью. Контроль решений системы (3.1) осуществлялся сближением (+10% результатов расчета расхода воздуха по (2.12) и (2.14), а соответствие параметров (3.17) - (3.19) и (3.21) - по графическому представлению функции ху = x(t), которое «накладывались» на временные зависимости других параметров одновременно. Отметим, что для ДПУМ графическое представление функции Ху = x(t), поскольку удовлетворяется через суммарный объем камер рабочего и холостого при выполнении условия VP/ Vx = Я = const Использование двух критериев оценки и избавляют от однобокости анализа выходных параметров ДПУМ. Задача моделирования сводится к отысканию безразмерных параметров в соответствии с (3.1): Расчет и уточнение геометрических параметров выпускного тракта выполнено по уравнениям в размерном виде (3.1а). Программа расчета ДПУМ по уравнениям в размерном виде, включает специфические особенности процесса впуска и может быть использована для инженерных целей. Отыскание рациональных значений параметров (3.24) осуществляется при фиксированных значениях коэффициента отскока ку и давления сжатого воздуха ро на впуске. Объяснение фиксации ку и ро следующее. Коэффициент ky зависит от свойств системы инструмент - обрабатываемая среда и варьировать ими конструктор вряд ли сможет. Давление р0 воздуха определено возможностями компрессора и обычно лимитировано с ограничением по большему значению, например,/ = 0,5 МПа + 0,1 МПа. Давление воздуха рп в предкамере изменяется от рп = р0 до р„ р0, что тождественно исследованию изменений энергетических параметров при р0 = 0,3...0,7 МПа. Наиболее громоздким в (3.24) является Д однако его использование позволяет конструктору варьировать большим количеством параметров, отдавая предпочтение наиболее приемлемым с конструктивной и технологической точки зрения. Настройки ДПУМ с развитыми пиками давления pf (t) и со стороны камер рабочего и холостого ходов показаны осциллограммами на рис 3.2 и 3.3 Там же проиллюстрированы изменения расходов воздуха в камерах рабочего и холостого ходов по впуску (Gpm и Gxen) (рис 3.2) и выпуску (Gpebl и Gxmt) (рис 3.3). для ориентации по перепадам давления в сети (ро) и камерах на рис. 3.2 и 3.3 представлены значения р{/ро =р,ф = 0,5288 (критическое истечение). На рис. 3.2 представлен суммарный расход воздуха Gr камерами рабочего и холостого ходов за время цикла Т.
Результаты исследования параметра hx показали, что он ответственен за формирование импульса давления со стороны камеры холостого хода. Его изменение от 0,10 до 0,15 показывает увеличение пика давления воздуха. При этом увеличивается съем мощности eN до 10%, а удельный расход воздуха в объёме Vx снижается до 25%. Однако, с практической стороны увеличение объема Vx из-за конструктивных соображений не желательно, а возможное увеличение зазоров в трущихся парах "ударник-цилиндр", "хвостовик инструмента-букса" не позволит при необходимости реализовать настройку с большим пиком давления воздуха в камере. Отметим также, что уменьшение Vx эквивалентно увеличению Я, что также способствует росту пика px(t) и соответствует некоторому снижению qv и менее интенсивному росту е . Меньшие значения hx однозначно требуют увеличения Vx- а следовательно, увеличения проходного сечения дросселя впуска ФХ в камеру холостого хода, иначе импульс давления будет недостаточным для формирования параметров холостого хода ударника. Заметим, что на рис. 3.3 импульс давления очерченный зависимостью px(t) представляется более полным по площади при отсутствии пика давления, что подтверждает приемлемость для практической реализации указанных настроек ДПУМ по параметру hx Характер изменения дс(Л) и є (Л) проиллюстрирован графическими зависимостями на рис. 3.4. При выборе рациональных значений hx и Я необходимо учитывать, что при больших значениях hx и Л давление воздуха в камере холостого хода может превысить давление воздуха в сети, т.е. для практической реализации ДПУМ целесообразно пользоваться hXpm - 0,15 и ЯраЦ = 7. Отметим, что с увеличением ку от Одо 0,3 для меньших Я (4...5) значения qG отличаются до 8%, а при больших Я (6... 8) разница достигает до 18%. При этом разница значения SN наоборот уменьшается с 16% до 9%, что характеризует более высокую экономичность ДПУМ при Я = 7...8.
Влияние давления воздуха на изменение формы диаграммы (p-V) в дроссельных пневмоударных механизмах с камерами наддува
Определяющее значение изменения давления воздуха и соответствующее ему значение температуры, позволяет более точно представить физическую картину (кинетику) протекания рабочего процесса в ДПУМ по (р - V) в замкнутом или разомкнутом объеме камеры. Рассмотрим изменения На рис.4.7 а,б представлены (p-V)p и (p V)x - диаграммы, описывающие рабочий процесс в камерах рабочего и холостого ходов ДПУМ. Специфика ДПУМ сопряжена с непрерывным поступлением рабочего тела (сжатого воздуха) из сети, количество которого определяется соотношением состояний параметров воздуха в сети, рабочей камере и атмосфере (окружающей среде). Как показывает анализ {р - V)p и (р - V)x диаграмм и подобная их оценка [152], процессы протекающие в камере ДПУМ можно свести к следующим. 1. Сжатие воздуха, имеющегося и поступающего из сети с одновременным выпуском отработавшего воздуха в атмосферу (камера рабочего хода, уч. 1-2; камера холостого хода, уч. 4 -2 ; рис. 4.7). 2. Сжатие воздуха, имеющегося и поступающего одновременно из сети (камера рабочего хода, уч. 2-3; камера холостого хода, уч. 1 -2 , рис. 4.7) 3. Стабилизация параметров состояния воздуха, имеющегося и поступающего из сети за счет «деформации» его объема и давления при V = const и р = const (камера рабочего хода, т.З и вблизи ее, рис.4.7; камера холостого хода, участок 1 -0 , 0 -1 ; т.З и вблизи нее, рис. 4.7). 4. Расширение воздуха, имеющегося и одновременно поступающего из сети (камера рабочего хода, уч.3-4; камера холостого хода, уч.З -4 , рис.4.7). 5. Расширение воздуха, имеющегося и одновременно поступающего из сети с одновременным выпуском отработавшего воздуха в окружающую среду - атмосферу (камера рабочего хода, уч. 4-1, камера холостого хода, уч. 4 -Г, Г-0 иО -1 ,рис.4.7.). Здесь понятия «адиабатный» и «политропный» опущены и под показателем процесса понимается такой по величине, какой обуславливается изменяемыми параметрами состояния. Заметим также, что значение показателя п = 1,4 в принципе не означает для ДПУМ адиабатичность процесса, хотя его можно наблюдать при Q= const и G = const.
Анализ процессов в отношении np(t) и nx(t) показывает, что щ const, а состояние при котором поддерживается п = к = const характерно для процессов истечения в камеру из сети и из камеры в окружающее пространство при сравнительно малых значениях. Для сравнения на рис. 4.8а представлены характерные (р - V)- диаграммы для ПУМ с воздухораспределением золотником (ЗПУМ), клапаном (КПУМ) и ударником (БзПУМ или БкПУМ), а на рис.4.9б диаграммы тепловых двигателей [152], приведеные к параметрам ДПУМ (объемы камер, давление воздуха) для циклов Отто (V = const), Дизеля (р = const) и Тринклера-Сабатэ (V const, р const). На рис. 4.10 представлены (p-V) -диаграммы циклов ДПУМ, ДПУМ(Т), ДПУМ(ФП), ДПУМ(ФН) для сравнения. Сравнение площадей (p-V) - диаграмм рабочих циклов, представленных на рис. 4.8, 4.9,4.10 дают основание считать, что значение КПД бароди-намического цикла ДПУМ не ниже значений КПД, приведенных термодинамических циклов тепловых машин и машин пневматических. Отметим, что особенности рабочих циклов ЗГГУМ, КПУМ, БзПУМ и БкПУМ рассматривались в работах [21-24,29,33, 37-41,43-49,152] с позиций двигателей, в которых первопричиной формирования силового импульса является давление воздуха в замкнутом объеме рабочей камеры. В работах [17,18, 24, 52, 57, 83-87, 152, 162,163] рабочие циклы пневмоударных механизмов с дроссельным воздухораспределением ДПУМ, ДПУМ(ФН), ДПУМ(ФП) рассматривались как бародинамические, для которых первопричиной формирования силового импульса является изменение давления воздуха. В данной работе автор придерживается взглядов на рабочий процесс как на бародинамический с привлечением информации по термодинамике процесса. Анализ рабочих процессов ДПУМ показывает целесообразность считать процессы (1-5) бародинамическими, что позволяет опускать обсуждение физической стороны показателей процесса, считать их политропическими с некоторым значением, близким к единице (и 1) и рассматривать характерные участки рабочих процессов на (р - V) — диаграммах с привлечением информации об изменении / ,(/),р;.(0» Л0 и ((0І получаемой наиболее доступным путем, с минимальным пересчетом параметров.
