Содержание к диссертации
Введение
1 Гидромолот как объект исследования
1.1 Область применения гидромолотов строительно-дорожных машин 9
1.2 Обзор и анализ работ в области исследования машин ударного действия 20
1.3 Анализ известных математических моделей 33
2 Моделирование отбойного гидравлического молота
2.1 Условные обозначения, расчетные зависимости и допущения 43
2.2 Математическая модель отбойного гидравлического молота 58
3 Аналитические исследования отбойного гидравлического молота
3.1 Программа «Гидромолот-М» 80
3.2 Анализ рабочего режима гидромолота 83
3.3 Влияние величины зазора в подвижных парах на выходные характеристики гидромолота 91
3.4 Влияние вязкости рабочей жидкости на выходные характеристики гидромолота 95
3.5 Влияние параметров сетевых аккумуляторов на выходные характеристики гидромолота 100
4 Экспериментальные исследования
4.1 Экспериментальный стенд и объект исследования 106
4.2 Анализ результатов эксперимента 114
4.3 Оценка и сопоставление результатов аналитических и экспериментальных исследований 117
4.4 Сопоставление полученных и известных результатов других исследователей 120
5 Практическое применение результатов работы
5.1 Методика инженерного расчета 122
5.2 Программа «Гидромолот-К» 131
5.3 Расчет и выбор рациональных параметров гидромолота 133
5.4 Выбор масла для гидропривода строительно-дорожной машины с отбойным гидравлическим молотом 138
5.5 Рекомендации по проектированию и выбору параметров гидромолота 140
Заключение 143
Список использованных источников 146
Приложение А Окна программы «Гидромолот-М» 163
- Обзор и анализ работ в области исследования машин ударного действия
- Математическая модель отбойного гидравлического молота
- Влияние величины зазора в подвижных парах на выходные характеристики гидромолота
- Оценка и сопоставление результатов аналитических и экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность темы. Гидравлические устройства ударного действия (отбойные гидравлические молоты) широко применяются в технологических машинах предназначенных для разрушения горных пород, прочных и мерзлых грунтов, строительных материалов. Опыт эксплуатации показывает, что машины ударного действия обеспечивают высокую эффективность работ при реконструкции и сносе строительных объектов, прокладке и ремонте коммуникаций и транспортных магистралей, проведении тоннелей, подготовке площадок под строительство (рыхление мерзлых и скальных грунтов или уплотнение грунтов), добыче полезных ископаемых.
В настоящее время известна широкая гамма устройств ударного действия, в основу которых заложены различные принципиальные схемы. Наибольшее распространение получили устройства пневмогидравлические и гидравлические с управляемой камерой обратного хода. При этом результаты ряда исследований свидетельствуют, что гидравлические устройства ударного действия с управляемой камерой рабочего хода обеспечивают относительно высокий коэффициент полезного действия.
Практическое применение гидромолотов с управляемой камерой рабочего хода сдерживается использованием упрощенных инженерных методик расчета, которые не в полной мере учитывают особенности рабочего цикла и факторы, влияющие на формирование конструктивных и режимных параметров.
В связи с этим, работа, посвященная разработке математической модели и методики инженерного расчета, а также обоснованию конструктивных и режимных параметров отбойного гидромолота с управляемой камерой рабочего хода для разрушения строительных материалов и горных пород, является актуальной.
Работа выполнялась по плану-заданию лаборатории «Импульсные технологии» ОрелГТУ (гос. рег. № 0120.504939).
Цель работы – обосновать параметры, обеспечивающие эффективное преобразование энергии, отбойного гидравлического молота строительно-дорожной машины на основе моделирования рабочего цикла.
Идея работы: установить параметры отбойного гидравлического молота, обеспечивающие максимальную частоту и заданную энергию удара при известной напорно-расходной характеристике гидронасоса и допускаемой силе воздействия (отдачи) на базовую машину, повысив точность математического моделирования за счет учета переменных сил трения в уплотнительных узлах, температуры и свойств рабочих сред, величин зазоров в подвижных парах (корпус – боёк, корпус – золотник).
Задачи исследования:
– провести анализ области применения, известных структур и математических моделей устройств ударного действия;
– разработать математическую модель отбойного гидравлического молота с учетом особенностей функционирования и динамики рабочего цикла, а также свойств рабочих сред и параметров гидропривода;
– разработать программное обеспечение для реализации математической модели и графического представления зависимостей, необходимых для анализа динамики рабочего цикла и процесса преобразования энергии в отбойном гидравлическом молоте;
– провести вычислительные эксперименты, установить факторы, конструктивные и режимные параметры, обеспечивающие повышение эффективности процесса преобразования энергии;
– провести экспериментальные исследования отбойного гидравлического молотка при различных температурах рабочей среды для проверки достоверности математической модели;
– разработать методику инженерного расчета и программу для её реализации, сформировать рекомендации по проектированию и эксплуатации отбойных гидравлических молотов.
Методы исследования: обзор, анализ и обобщение результатов исследований и опыта проектирования гидравлических устройств ударного действия; математическое моделирование, основанное на законах кинематики и динамики твердого тела, жидкости и газа; теоретические исследования на основе численных экспериментов; программирование и численное решение уравнений в среде LabVIEW и Matlab; экспериментальные исследования с применением среды LabVIEW.
На защиту выносятся:
– математическая модель отбойного гидравлического молота;
– установленные зависимости и результаты исследований;
– методика инженерного расчета параметров отбойного гидромолота;
– программы «Гидромолот-М» и «Гидромолот-К» для реализации математической модели и методики инженерного расчета, соответственно;
– рекомендации по выбору конструктивных и режимных параметров, повышающих эффективность преобразования энергии в отбойных гидромолотах.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением классических теорий механики твёрдого тела, жидкости и газа, а также известных математических методов решения дифференциальных уравнений движения; достаточным объемом экспериментальных данных, полученных с использованием стандартных средств измерения; подтверждается хорошей сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна работы:
– разработана математическая модель отбойного гидравлического молота, описывающая совместную работу ударного механизма, распределителя, гидропневмоаккумуляторов и гидропривода, отличающаяся тем, что учитывает температуру и свойства рабочих сред, переменные силы трения в уплотнительных узлах, а также величину зазоров в подвижных парах (корпус – боек, корпус – золотник).
– установлено влияние вязкости и температуры рабочей жидкости на частоту и энергию ударов гидравлического молота;
– выявлены особенности процесса преобразования энергии с учетом потерь на трение в уплотнительных узлах и величин зазоров;
– разработана методика инженерного расчета конструктивных параметров гидромолота с управляемой камерой рабочего хода, отличающаяся тем, что учитывает силы трения в уплотнительных узлах.
Практическая ценность работы:
– разработана программа «Гидромолот-М» для реализации математической модели в среде LabVIEW и Matlab, позволяющая вводить и корректировать более 100 исходных параметров и представлять результаты в виде графиков изменения во времени анализируемых факторов отбойного гидромолота с управляемой камерой, как рабочего, так и обратного хода.
– разработана программа «Гидромолот-К» для реализации методики инженерного расчета конструктивных параметров отбойного гидравлического молота с управляемой камерой рабочего хода;
– установлено, что гидропневмоаккумулятор в сливной магистрали отбойного гидромолота с управляемой камерой рабочего хода снижает эффективность процесса преобразования энергии. Исключение его из структуры снижает металлоемкость и повышает надежность конструкции;
– установлен диапазон температуры для ряда масел, при котором обеспечивается наиболее эффективное преобразование энергии.
Реализация работы:
– разработана методика и создан стенд для экспериментальных исследований режимных параметров отбойного гидравлического молотка;
– методика инженерного расчета и программа «Гидромолот-К» переданы ИНТЦ «Орел-Инжиниринг», экспериментальный стенд и результаты исследований – кафедре «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» ОрелГТУ для использования в учебном процессе по дисциплинам: «Гидро- и пневмопривод строительно-дорожных машин», «Расчет и конструирование машин ударного действия», «Моделирование сложных динамических систем»;
– по результатам исследований выполнена корректировка конструкции отбойного гидромолота 2944 для навесного оборудования фронтального погрузчика и предложена усовершенствованная конструкция отбойного гидромолота 2944М.
Апробация работы. Результаты моделирования и экспериментальных исследований представлялись и докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ОрелГТУ, международных симпозиумах «Механизмы и машины ударного, периодического и вибрационного действия» (г. Орел, 2003 г.), «Гидродинамическая теория смазки – 120 лет» (г. Орел, 2006 г.) и «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (г. Орел, 2006 г.), международных научно-практических конференциях «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» (г. Москва, 2005 г.) и «Неделе горняка – 2009» в МГГУ (2009 г.); региональной научно-практической конференции «Вибрация – 2008» (г. Курск) и «Инжиниринг – 2009» (г. Орел).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 статей и тезисов докладов (3,32 п.л./1,67 п.л.– доля соискателя), в том числе одна (0,13 п.л./ 0,04 п.л.) в издании, рекомендованном ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 144 наименований, 3 приложений и содержит 172 страницы, в том числе 162 страницы основного текста, в котором 5 таблиц, 51 рисунок, и 10 страниц приложения.
Обзор и анализ работ в области исследования машин ударного действия
Большой вклад в исследование и создание гидравлических устройств ударного действия внесли ученые: О.Д. Алимов, С.А. Басов, Н.С. Галдин, Ю.В. Дмитревич, Д.Н. Ешуткин, Л.И. Кантович, А.Ф. Кичигин, А.Б. Клок, В.А. Кравченко, Ю.Д. Красников, А.Г. Лазуткин, А.А. Митусов, Г.Г. Пивень, Ю.М. Смирнов, Г.С. Тен, М. Ураимов, Л.С. Ушаков, Д.А. Юнгмейстер, И.А. Янцен, П. Дрешер, Т. Сиппус и др.
Историю исследования и создания машин ударного действия можно проследить в работах [90, 121].
В структуре рабочего цикла гидромолота выделяют такты (или фазы). В различных работах рабочий цикл разбивают на разное число тактов: 2, 3, 4, 6, 10. Так, в работах [56, 61] выделяют и подробно рассматривают 10 тактов. В работах [122, 123] выделяют 6 тактов. В работах [9, 38] рабочий цикл принимают состоящим из трёх фаз (тактов): обратный ход бойка, торможение, рабочий ход бойка, а в работе [36] выделяют всего 2 такта: взвод и разгон.
В некоторых работах рассматривают и исследуют отдельные фазы (такты) рабочего цикла. Например, в работах [119, 120] рассмотрена только фаза рабочего хода бойка как основная в формировании ударного импульса, при этом в работе [119] рассматриваются силы сопротивления движению только при рабочем ходе, так как они имеют максимальные значения именно в этой фазе.
Рабочий цикл гидромолотов преимущественно ассиметричный. Его асимметричность характеризуется коэффициентом асимметрии [107, 141]. Под коэффициентом асимметрии принято понимать соотношение времени обратного и рабочего хода, хотя в работе [ 107] это понятие расширено и подразумевает не только соотношение времени тактов, а также соотношение сил, действующих на боёк и величин его перемещения при обратном и рабочем ходе. Впервые понятия симметричности и асимметричности рабочего цикла ударных машин введено профессором И.А. Янценым [141], причем отмечается, что преимущество по ряду показателей: энергии, частоте, коэффициентам использования мощности и металлоемкости, габаритам, КПД имеют гидромолоты с выраженной асимметрией рабочего цикла.
Анализ и синтез ациклических систем подробно рассмотрен в работе [12].
В работах [23, 46, 98, 101, 122] исследованы тормозные устройства, которые предназначены для рассеивания нереализованной энергии, запасенной бойком. В работе [99] исследованы переходные процессы, протекающие в гидромолоте в фазе торможения.
Жидкость подается и удаляется из гидромолота по трубопроводам, параметры которых оказывают влияние на его характеристики.
Потери в сливном трубопроводе при пульсирующем потоке рабочей жидкости, характерном для гидромолотов, исследованы в работе [83], в которой отмечено, что гидравлические потери в сливном трубопроводе, зависящие от колебаний скорости потока и мощности, могут быть снижены при использовании аккумуляторов.
Потери в сливном трубопроводе для различных классов ударных механизмов исследованы в работе [41].
В работе [114] исследовано влияние параметров напорного и сливного гидропневмоаккумуляторов, а также дополнительной пневмокамеры на характеристики гидромолота. Влияние и выбор параметров напорного гидропнев-моаккумулятора на характеристики гидромолота отражено в работах [12, 114]. При этом в работе [114] принимается изотермический закон состояния газа в аккумуляторе (показатель политропы п = 1), хотя в другой работе [12] он принят адиабатным или политропным (показатель политропы п = 1,4). В работе [ПО] отмечается, что зарядка напорного гидропневмоаккуму-лятора происходит в фазе обратного хода бойка, фазе торможения и частично при рабочем ходе (для гидромолота с управляемой камерой рабочего хода).
По энергии, частоте, металлоемкости, КПД, габаритам преимущества имеют гидромолоты, у которых в системе имеется аккумулятор [141]. Зарядка аккумулятора при обратном ходе бойка позволяет использовать мощность привода более эффективно [141].
В реальных условиях на динамику работающего гидромолота оказывают влияние силы, действующие со стороны обрабатываемого объекта. Процесс взаимодействия инструмента гидромолота с массивом при импульсном на-гружении подробно рассмотрен в работе [76], и учитывается в других работах [9, 122].
Для создания компактного и эффективного гидравлического ударного устройства целесообразно учитывать его конструктивные особенности.
Так, в работе [63] отмечается, что габаритный размер гидромолота по длине зависит от осевых размеров инструмента и бойка, а по ширине от осевого размера распределителя. Полная длина инструмента определяется рабочей длиной (вне корпуса) и длиной хвостовика. Длина бойка определяется длиной разгона, сопровождения, торможения, а также параметрами датчика положения бойка. В работе рассмотрены четыре варианта компоновки датчика положения бойка. Установлено, что для получения минимального осевого размера гидромолота целесообразно использовать I и IV варианты компоновки, которые представлены в работе [63].
Проблемы автоматизированного проектирования и создания программного обеспечения для исследования гидромолотов и машин ударного действия привели к необходимости проведения сравнительного анализа функциональных структур импульсных гидроприводов, представленного в [81, 85]. Гидравлический ударный механизм «рассматривается как основной энерго-преобразующий элемент, находящийся в эпизодических связях с остальными энергетическими элементами». Автоматизированное проектирование гидродвигателей ударного действия подробно представлено в работе [81].
Для герметизации рабочих камер гидромолота в сопряжении боек - корпус применяются уплотнения различного типа (рисунок 1.6) [2, 30, 113]. Основным параметром, определяющим герметичность, является радиальное усилие прижатия уплотнения к поверхности бойка, которое зависит от физико-механических свойств уплотнительного материала, конструкции уплотнения и условий эксплуатации. Уплотнение является высоконагруженным элементом гидромолота: давление рабочей среды 16 - 20 МПа, скорость скольжения в момент соударения бойка и инструмента достигает 10 м/с. Путь трения скольжения за один час работы в зависимости от частоты ударов составляет от 5000 до 10000 м [96].
Математическая модель отбойного гидравлического молота
При работе гидромолота боек совершает возвратно-поступательные движения и наносит удары по инструменту. Во многих математических моделях, представленных в работах [9, 16, 20, 27, 36, 48, 54, 60, ПО], принимается, что удар бойка по инструменту в конце рабочего хода, а также взаимодействие со стенкой или втулкой камеры рабочего хода в конце обратного хода абсолютно неупругий и вся энергия мгновенно поглощается контактирующей средой без перемещений и отдачи. В реальности это не так, что хорошо видно на осциллограммах, представленных в работах [12, 56]. Для гидромолотов с управляемой камерой рабочего хода взаимодействие бойка с корпусом в конце обратного хода не столь существенно, как его взаимодействие с инструментом при ударе. В результате удара бойка по инструменту происходит отскок бойка в противоположном направлении (соответственно меняется знак скорости бойка на противоположный). В идеальном случае значение скорости должно остаться прежним, а направление поменяться. В реальности значение скорости отскока бойка всегда ниже скорости соударения. Соотношение скоростей до и после удара оценивается коэффициентом восстановления скорости, исследования которого приведены в работах [35, 114].
Так, в работе [35] отмечается, что при проектировании гидромолотов коэффициент восстановления скорости бойка является существенным фактором, оказывающим влияние на их динамику. Его необходимо знать и учитывать на начальных стадиях проектирования. Коэффициент восстановления скорости зависит от многих факторов: свойств материалов, геометрии и масс соударяющихся тел, скорости удара и других. Поэтому величину и возможный диапазон его изменения обычно определяют экспериментально. В работе проведены исследования коэффициента восстановления скорости бойка при ударе по упругому волноводу, опирающемуся на металлическую плиту. Именно этот случай (при опоре волновода на металлическую плиту) как правило, в своем большинстве имеет место на экспериментальных стендах и при стендовых испытаниях гидромолотов. Были получены зависимости коэффициента восстановления скорости от соотношения масс бойка и волновода (бойка и инструмента) при скоростях бойка до 7 м/с. По мнению авторов рассматриваемой работы, зависимость коэффициента восстановления скорости от соотношения масс бойка для различных материалов качественно не меняется, меняется лишь количественно. Полученные зависимости представляется возможным экстраполировать с небольшой погрешностью для скоростей до 10 м/с.
Работа гидромолота в результате действия силы отдачи оказывает значительное влияние на базовую машину, что отражено в работах [32, 43, 57]. Это влияние характеризуется высокими динамическими нагрузками на её элементы. Для компенсации таких нагрузок гидромолоты снабжают амортизаторами. Так, «проведенные экспериментальные исследования гидромолотов при использовании их в качестве навесных рабочих органов экскаваторов показали, что возникающие виброускорения в металлоконструкциях экскаватора не превышают санитарных норм, но находятся в верхнем пределе, особенно у экскаваторов 2-ой размерной группы» [43]. В связи с этим возникает необходимость исследования и создания гасящих устройств (амортизаторов). Применение пружинного амортизатора позволило снизить виброускорение на 50-60% [43].
Исследование силы отдачи и её влияние на базовую машину представляет особый интерес.
Условия эксплуатации, режимы работы, продолжительность работы гидромолотов оказывают влияние на его характеристики. Эксплуатация гидромолотов в различных климатических условиях приводит к тому, что параметры гидромолота меняются в зависимости от температуры, особенно при его запуске в начале рабочей смены [33].
Влияние параметров рабочей жидкости и температуры рабочей жидкости на характеристики гидромолотов практически не изучено. В работе [27] теоретически анализировалась работа гидропневматического привода при изменениях параметров рабочей жидкости и представлен график зависимости скорости бойка при различных значениях коэффициента вязкости.
В работе [31] приведены результаты экспериментальных исследований влияния температуры рабочей жидкости на параметры гидромолота, установленного на экскаваторе. Гидромолот НМ-330 при проведении исследований был установлен на экскаваторе ЭО-33211. Измерения проведены в температурном диапазоне от -10 до +14 С. Установлено, что оборудование не реализует при низких, а особенно при отрицательных температурах, своих максимальных возможностей по частоте ударов. В работе [100] проведен анализ тепловых потоков в гидросистеме силового импульсного устройства.
В работе [36] разработана методика расчета теплового режима работы гидросистемы привода гидропневмоударных агрегатов.
В рассмотренных работах не в полной мере изучено влияние температуры рабочей жидкости и её свойств на основные параметры гидромолота. В связи с этим представляется важным провести анализ свойств влияния параметров рабочей жидкости на энергию и частоту ударов, а также на формирование движущих сил при работе гидромолота.
Чтобы оценить эффективность гидравлических ударных механизмов, их характеристики сопоставляют с соответствующими характеристиками какого-либо одного механизма. Для этого в работах [14, 37, 51] вводится понятие эталонного ударного механизма. Цикл движения такой системы состоит из трех фаз: обратный ход, торможение и рабочий ход.
Влияние величины зазора в подвижных парах на выходные характеристики гидромолота
Допущения: изменение расхода жидкости, обусловленное уменьшением частоты вращения гидронасоса вследствие перегрузки двигателя, пренебрежимо мало; вязкость и плотность жидкости постоянны; не учитывается разность геометрических высот трубопровода, так как она мала по сравнению с другими величинами, входящими в уравнение установившегося движения жидкости; величины утечек в гидромолоте и распределителе между подвижными элементами и в гидронасосе пропорциональны перепаду давления; величина расхода жидкости через клапан пропорциональна давлению у гидронасоса; давление газа в сетевом аккумуляторе изменяется по линейному закону; кавитация и гидравлический удар не влияют на энергетические характеристики гидросистемы из-за наличия подпорного клапана и сетевого пнев-могидроаккумулятора; изменение коэффициентов удельного расхода жидкости через клапан и утечки между камерами, вызванных износом деталей, пренебрежимо малы.
В математической модели [ПО] рассмотрена гидроимпульсная система (на примере гидромолота с управляемой камерой обратного хода), состоящая из бойка, распределителя, корпуса, рукоятки, напорного и сливного гидропневмоаккумуляторов, пневмокамеры (пневмоаккумулятора), насосной станции с насосом и предохранительным клапаном, трубопроводов, механизма подачи (гидроцилиндр с двумя камерами). Процесс изменения состояния газа в аккумуляторах политропный.
Допущения: масса жидкости в камерах ударного механизма составляет менее 1% массы бойка, поэтому в уравнениях не учитывается; стенки цилиндров и металлических патрубков абсолютно жесткие; не учитывается разность геометрических высот, так как она мала по сравнению с другими величинами, входящими в уравнение неустановившегося движения; сила сухого трения манжет о корпус находится в линейной зависимости от давления жидкости; диаметры трубопроводов, связывающие рабочие камеры с другими элементами гидроимпульсной системы, постоянны; коэффициенты вязкого трения не изменяются с течением времени; массы жидкости в рабочих камерах распределителя ничтожно малы по сравнению с массой золотника, поэтому в уравнениях не учитываются; после перемещения золотника в одну и другую стороны скорость его равна нулю; состояние распределителя не изменяется, пока не будет подан сигнал в управляемую камеру от датчиков состояния; изменение расхода жидкости через распределитель в момент перекрытия золотником каналов управления не учитывается.
Математическая модель гидравлического ударного механизма (отбой ного молота) с управляемой камерой обратного хода [14] представлена урав нениями движения бойка и корпуса. Учитывается: масса бойка и корпуса, силы давления в рабочих камерах, на корпус кроме сил давления жидкости действует усилие нажатия. За начало отсчета принята точка контакта хвостовика инструмента с бойком. Положительным принято направление оси от инструмента к рукоятке. Допущения: величина усилия нажатия постоянна; силы в рабочих камерах постоянны по величине в фазах их действия; инструмент защемлен; коэффициент восстановления скорости равен нулю; силы сопротивления пренебрежимо малы по сравнению с действующими силами. 6. В работе [16] рассмотрена математическая модель пневмогидравличе ского ударного механизма и исследовано влияние инерции жидкости на вы ходные параметры. Учитывается: масса бойка; масса золотника; зазоры в сопряжениях; механические и гидравлические сопротивления; параметры аккумулятора (давление газа, объем, степень сжатия и показатель политропы); параметры насоса (подача и создаваемое им давление); упругость, длина и диаметр трубопроводов; плотность, сжимаемость и кинематическая вязкость жидкости; потери давления по длине трубопроводов и на местных сопротивлениях; потери расхода, обусловленные объемным КПД системы; сопротивляемость забоя внедрению инструмента (жесткость объекта разрушения и сила сопротивления внедрению инструмента); угол наклона бойка к горизонтали. Допущения: разрыва потока жидкости не происходит; утечки из полости взвода (камеры обратного хода) пренебрежимо малы; тепловой режим установившийся; стенки корпуса абсолютно жесткие; силы от трения подвижных масс пренебрежимо малы; инерция жидкости не учитывается. 7. В работе [48] рассмотрен общий подход к моделированию гидромоло тов различной структуры. Учитываются: силы трения в уплотнительных узлах; силы трения в паре боек-корпус; силы вязкого трения; сжимаемость жидкости; утечки в подвижных элементах; работа предохранительного клапана (в упрощенном виде) ; масса бойка и золотника; работа силового и сетевого гидропневмоаккумуля-тора; увеличение модуля упругости жидкости вследствие увеличения давления; потери напора по длине магистралей. Допущения: все неучтенные параметры считаются пренебрежимо малыми или не значительными в принятой постановке, что является допущением. 8. В работе [54] представлена динамическая модель гидроударника с управляемой камерой рабочего хода. Гидроударник рассматривается как ав тономный автомат, поэтому работа гидроаккумулятора, тормозного устрой ства и процессы внедрения инструмента в массив не учитываются. Учитываются: силы трения в паре боек-корпус; массы бойка и золотника; параметры датчика положения бойка; потери давления по длине трубопроводов и на местных сопротивлениях. Допущения: все детали и узлы абсолютно жесткие; рабочая жидкость неинерционная и несжимаемая; внутренние утечки рабочей жидкости через уплотнения и между подвижными элементами отсутствуют; сила трения в паре боек-корпус считается постоянной по величине; сила трения между золотником и корпусом распределителя отсутствует; насосная установка обеспечивает постоянное давление жидкости в начале трубопровода и имеет неограниченную производительность; запасенная бойком и золотником энергия в крайних положениях мгновенно поглощается внешней средой без перемещения и отдачи. Решение системы дифференциальных уравнений, составляющих модель, осуществляется методом Рунге-Кутта четвертого порядка. 9. В работе [60] представлена математическая модель гидроударника с управляемой камерой рабочего хода. Механическая система гидроударника состоит из четырех тел, в которую входят: обрабатываемый массив, корпус, боёк и золотник. Рабочий цикл представлен в виде 10 тактов. Учитываются: масса бойка; масса золотника; масса корпуса; потери напора по длине трубопроводов и на местных сопротивлениях; силы трения; постоянная сила прижатия корпуса; сила сопротивления разрушению части массива (задается в виде функции на основе экспериментальных данных, полученных при исследовании разрушения соответствующих горных пород и материалов).
Оценка и сопоставление результатов аналитических и экспериментальных исследований
В работе [28] представлена модель гидравлической ударной системы с источником постоянного расхода. В качестве объекта исследования выбран гидромолот с управляемой камерой рабочего хода. Учитываются: масса бойка; параметры аккумулятора. Допущения: насос является источником постоянного расхода; распределитель идеальный; жидкость идеальная; утечки определяются линейными гидравлическими сопротивлением; зависящим от КПД; механическое трение и гидравлические сопротивления отсутствуют. Решение системы уравнений движения осуществляется численным методом Рунге-Кутта 4-ого порядка. В работах [132, 133] разработана математическая модель устройства ударного действия с гидравлическим приводом. Учитываются: масса бойка и золотника; упругость жидкости. Допущения: параметры системы сосредоточенные; узлы и детали абсолютно жесткие; взаимодействие бойка с инструментом не рассматривается; упругость жидкости рассматривается только в полостях ударника; масса рабочей жидкости в трубопроводах приводится к массе бойка. Для решения системы дифференциальных уравнений движения использованы численные методы с применением ЭВМ и системы Matcad. В работе [27] представлена математическая модель гидропневмо ударника. Учитываются: масса бойка, параметры рабочей жидкости Допущения: рабочая жидкость во всех полостях считается несжимаемой и неинерционной; детали абсолютно жесткие; внутренние утечки рабочей жидкости через уплотнения и подвижные соединения отсутствуют; сила трения манжет о ступени бойка находится в линейной зависимости от давления жидкости; сила трения между подвижными соединениями пренебрежимо мала; насосная установка обеспечивает постоянство расхода и давления в нача 40 ле напорного трубопровода; разность геометрических высот не учитывается; кинетическая энергия бойка и золотника в крайних положениях мгновенно поглощается внешней средой; массовые силы пренебрежимо малы; протекающие процессы в гидропневмоаккумуляторах изотермические. . В работах [56, 57] представлена математическая модель гидромолота с управляемой камерой рабочего хода. Рассмотрена механическая система, состоящая из четырёх тел. Учитываются; масса корпуса; масса бойка; масса золотника; обрабатываемый материал; потери напора по длине трубопроводов и на местных сопротивлениях; силы трения. Допущения: все узлы и детали абсолютно жесткие; рабочая жидкость неинерционная и несжимаемая; внутренние утечки через уплотнения и между подвижными соединениями отсутствуют; сила трения между бойком и корпусом постоянна по величине; сила трения между золотником и корпусом отсутствует; насосная станция обеспечивает постоянство давления рабочей жидкости в начале напорного трубопровода и имеет неограниченную производительность; кинетическая энергия бойка и золотника в крайних положениях мгновенно поглощается внешней средой без перемещений и отдачи. В работе [9] представлена математическая модель беззолотникового ударного устройства. Учитываются: масса бойка; обрабатываемый материал; потери давления по длине трубопроводов и на местных сопротивлениях; силы трения; сжимаемость жидкости; содержание в рабочей жидкости растворенных газов; параметры материала запорно-регулирующего элемента. Допущения: рабочая жидкость имеет постоянные параметры (плотность, вязкость, модуль упругости, температуру); объемное содержание нераство-ренного газа в рабочей жидкости не изменяется; утечки рабочей жидкости через уплотнения отсутствуют; коэффициенты гидравлических сопротивлений постоянны; коэффициенты расхода регулировочных дросселей - величины постоянные; разрыва потока жидкости при работе не происходит; дисси 41 пативные потери на механическое трение одинаковы при движении подвижных частей в обоих направлениях и не зависят от скорости относительно корпуса; реакцию корпуса ударника не учитывается, так как рассматривается относительное перемещение подвижных частей; упругий запорно-регулирующий элемент рассматривается как дроссель с изменяемым проходным сечением; утечки газа из газовой полости отсутствуют; показатель политропического процесса постоянен; подача насоса, питающего гидросистему, постоянна; давление в гидросистеме всегда меньше, чем давление, необходимое для срабатывания предохранительного клапана; волновые процессы в гидролиниях не рассматриваются; подвижные части считаются абсолютно жесткими; температура газа в пневмоаккумуляторе постоянна. В работе [36] представлена математическая модель одномассового гидропневмоударного агрегата. Учитывается: масса бойка; потери давления на местных сопротивлениях и по длине трубопроводов; силы трения в уплотнительных манжетах; дисси-пативные силы; инерция жидкости; сжимаемость жидкости. Решение уравнений математических моделей проводится с использованием ЭВМ [20, 58, 62, 65, 95, 123]. Для реализации математической модели, представленной в работе [60], разработана программа «Гидроударник», которая обеспечивает численное решение дифференциальных уравнений движения в среде Delphi методом Рунге-Кутта 4-ого порядка [62]. Программа позволяет вычислять перемещения, скорости и давления, а также представлять их в виде графиков зависимости выбранного параметра от времени. Также рассчитываются частота и максимальная кинетическая энергия бойка.
В работе [123] для решения дифференциальных уравнений движения, описывающих работу гидромолота, составлена программа в системе Matlab, позволяющая определять скорость и перемещения бойка, а также золотника в каждом из шести периодов рабочего цикла. Разработанный программный комплекс позволяет установить зависимости положения золотника и бойка, а также их скоростей от времени, оценить влияние ряда конструктивных параметров на энергию и частоту ударов, имитировать гидроудар, внедрение инструмента в разрушаемый массив, рассматривая его как упругую или упруго-пластическую среду и ряд других явлений.
В работе [20] представлена программа на языке Basic, которая позволяет моделировать рабочий цикл ручного отбойного гидромолотка с учетом переходных процессов, а также исследовать работу на протяжении заданного количества циклов, получить изменение перемещений подвижных элементов, а также давлений в камерах и полостях во времени. Решение уравнений движения осуществляется численным методом Рунге-Кутта.
