Введение к работе
Актуальность работы. Производство земляных работ в зимнее время при строительстве новых промышленных и гражданских объектов, а также ведение аварийных работ по ремонту подземных коммуникаций требует применения все более совершенного специализированного оборудования для разработки мерзлых грунтов.
Из всего многообразия разрабатываемых грунтов большие трудности возникают в процессе разрушения мерзлых грунтов, разработка которых является трудоемким и малопроизводительным процессом. Стоимость разработки чрезвычайно высока и во много раз превышает стоимость разработки грунтов в летний период, поскольку прочность мерзлого грунта в десятки раз выше прочности немерзлого грунта.
Почти все типы землеройных машин мало используются в зимний период. Если бы были созданы методы и средства, позволяющие осуществлять разработку мерзлых грунтов с производительностью, близкой к производительности в летних условиях, общий объем земляных работ, выполняемых ежегодно в стране, значительно бы возрос.
Непосредственная эффективность разработки мерзлого грунта землеройными машинами существующих типов практически невозможна, поэтому для успешной разработки таких грунтов требуется создание новых специальных конструкций машин типа экскаваторов с ковшом активного действия и навесных молотов, среди которых пневматические молоты даже в сравнении с гидравлическими являются предпочтительными.
Данная работа выполнялась по научному направлению гос. per. №01940009360 Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета «Разработка на основе импульсных систем новых и повышение эффективности существующих ручных машин и инструментов, применяемых в промышленном, гражданском и сельскохозяйственном строительстве в условиях Сибири».
Идея исследований: использование положительных качеств дроссельных пневмоударных механизмов (конструктивная простота и высокая надежность) с центральной воздухоподво-
дящей трубкой (ДПУМ(Т)) при разработке навесных пневматических молотов.
Цель работы: повышение эффективности навесных молотов за счет создания дроссельных пневмоударных механизмов с улучшенными эксплуатационными характеристиками.
Объект исследований: дроссельные пневмоударные механизмы навесных молотов.
Предмет исследований: закономерности, связывающие показатели рабочих процессов навесных молотов с дроссельным пневмоударным механизмом с центральной воздухоподводящей трубкой и присоединенным объемом камеры наддува рабочего хода (ДПУМ(ТН)).
Задачи исследований:
разработка классификации признаков стабилизации параметров энергоносителя;
разработка классификации признаков трубки пневматических ударных механизмов;
разработка принципиальных схем пневматических молотов с ДПУМ(ТН);
обеспечение параметров физико-математической модели ДПУМ(ТН) с предкамерой сетевого воздуха;
установление баро- и термодинамических зависимостей ДПУМ(ТН);
установление рациональных соотношений между основными размерами и энергетическими параметрами создаваемых ДПУМ(ТН);
установление параметров рабочего процесса механизма и уточнение методики его инженерного расчета;
создание экспериментального образца навесного пневматического молота с ДПУМ(ТН) с присоединенным объемом камеры рабочего хода и предкамерой сетевого воздуха, исследование и испытание его в лабораторных условиях;
разработка типоразмерного ряда навесных молотов для разрушения всех категорий мерзлых грунтов.
Методы исследования. Применен комплексный метод, включающий аналитический обзор и обобщение известного опыта; теоретические разработки с использованием методов механики; математическое и физическое моделирование рабочих
процессов ПУМ с целью установления рациональных соотношений между геометрическими и энергетическими параметрами, экспериментальные исследования созданного навесного пневматического молота в лабораторных условиях и сопоставление полученных результатов с результатами других исследований.
Основные научные положения, защищаемые в работе:
дополнения к классификации пневматических механизмов и машин ударного действия классификации признаков стабилизации параметров энергоносителя, признаков трубки, позволяющей осуществить анализ, синтез и прогнозирование качеств ДПУМ(ТН) с использованием формализованной записи их структуры;
физико-математические модели пневмоударных механизмов с ДПУМ(ТН) и конструктивными признаками камер средств стабилизации параметров энергоносителя процесса наддува (перепуска, утечек, форсажа, присоединенных объемов), дающие возможность качественно и количественно изменять рабочий процесс пневмоударного механизма;
баро- и термодинамическая теория наддува в камерах рабочего и холостого ходов, позволяющая определить основные удельные показатели качества - расхода сжатого воздуха, мощности, теплоемкости, энтропии, энтальпии и показателя процесса;
системы уравнений, описывающие процессы в камерах наддува рабочего и холостого ходов в молотах с ДПУМ(ТН) с учетом средств стабилизации параметров энергоносителя (перепуска, утечек, форсажа, присоединенных объемов);
результаты исследования ДПУМ(ТН) с различными настройками по определению рациональных соотношений параметров.
Достоверность научных положений обоснована:
анализом физико-математических моделей, которые использовались ранее при создании ПУМ (за период 1900-2008 гг.);
сопоставлением параметров рабочего цикла ДПУМ(ТН), полученных при аналогичных исследованиях другими авторами;
анализом результатов моделирования рабочих процессов в камерах наддува с применением апробированных методик моделирования;
- всесторонним исследованием на ЭВМ и в лабораторных
условиях спроектированного и изготовленного навесного моло
та с ДПУМ(ТН).
Научная новизна заключается:
в разработке и создании классификации признаков трубки, дополняющей существующую классификацию пневматических механизмов и машин ударного действия, позволяющей осуществить анализ, синтез и прогнозирование качеств ДПУМ(ТН) с использованием формализованной записи их структуры;
в разработке принципиальных схем навесных молотов с использованием классификации дроссельных пневмоударных механизмов с трубкой, имеющих новые признаки средств наддува, перепуска и форсажа, позволяющих качественно и количественно улучшить рабочий процесс ДПУМ(ТН);
в разработке баро- и термодинамической теории дроссельных пневмоударных механизмов с наддувом на основе закономерностей трансформации энергии сжатого воздуха в работу;
в разработке физико-математических моделей рабочих процессов в камерах наддува навесных молотов с ДПУМ(ТН) с учетом процессов в камерах присоединенных объемов, перепуска, утечек и форсажа, направленных на совершенствование энергетических параметров;
в установлении соотношений геометрических размеров от энергетических параметров навесных молотов с ДПУМ(ТН), позволяющих получить рациональные габариты и массы пнев-моударного узла молота.
Практическая ценность работы заключается:
в разработке новых принципиальных схем дроссельных пневмоударных механизмов с трубкой, позволяющих создавать навесные молоты с улучшенными эксплуатационными характеристиками;
в разработке удобной для практического использования методике инженерного расчета и выбора основных параметров навесного пневматического молота с ДПУМ(ТН);
в разработке и изготовлении навесного пневматического молота с ДПУМ (ТН) для разрушения мерзлых грунтов;
в создании экспериментального образца навесного пневматического молота с дроссельным воздухораспределением на энергию единичного удара 600 Дж, не имеющего аналогов в РФ и за рубежом, выгодно отличающегося по металлоемкости на единицу ударной мощности от зарубежных аналогов и не уступающий отечественным образцам;
в использовании навесного пневматического молота с ДПУМ(ТН) в учебном процессе в качестве наглядного пособия по учебным дисциплинам «Строительные машины» и «Механизация и автоматизация строительства» в НГАСУ (Сибстрин).
Личный вклад автора заключается:
в формулировании основных принципов и подходов теоретических и экспериментальных исследований, направленных на выполнение задач исследований;
в разработке новых признаков стабилизации параметров энергоносителя и их классификации;
в создании классификации признаков трубки и применении ее при анализе, синтезе и прогнозировании новых пневмо-ударных механизмов;
в создании принципиальных схем навесных молотов с ДПУМ(ТН), имеющих новые признаки средств стабилизации параметров энергоносителя, позволяющих качественно и количественно улучшить рабочий процесс пневмоударного механизма;
в развитии метода назначения структуры ударной мощности в зависимости от единичного усилия нажатия на корпус навесного молота с ДПУМ(ТН);
в разработке баро- и термодинамической теории наддува дроссельного пневмоударного механизма на основе закономерностей трансформации энергии сжатого воздуха в работу;
в создании и исследовании физико-математических моделей рабочих процессов в камерах наддува навесных молотов с ДПУМ(ТН) с учетом камер средств стабилизации параметров энергоносителя (перепуска, утечек, форсажа, присоединенных объемов), направленных на совершенствование энергетических параметров;
в разработке методики инженерного расчета и выбора основных параметров навесного пневматического молота для разрушения мерзлых грунтов;
в разработке типоразмерного ряда навесных молотов с ДПУМ(ТН) с энергией удара 600, 1000, 1600 и 2500 Дж.
Апробация работы. Основные научные положения и результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на Международной конференции к 60-летию Горногеологического института ЗСФ АН СССР - Института горного дела СО РАН «Проблемы и перспективы развития горных наук» (г. Новосибирск, 2004 г.), Международной научной конференции «Наука и образование» (г. Белово, 2006 г.), Международной научно-практической конференции «Интерстроймех-2009» (г. Бишкек 2009 г.), Всероссийских научно-технических конференциях «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Рубцовск, 2002, 2004 гг.), Всероссийских научно-технических конференциях «Актуальные проблемы строительной отрасли» (г. Новосибирск, 2008-2009 гг.), Научно-технических конференциях Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (г. Новосибирск, 2002-2007 гг.).
Публикации. По результатам исследования опубликованы 46 печатных работ, в том числе 2 монографии, 12 статей - в рекомендованных ВАК РФ изданиях, получено 4 патента на изобретения РФ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, заключения, списка литературы, приложений и включает 434 стр. машинописного текста, в том числе 143 рис., 29 табл. и список литературы из 338 наименований. Приложения содержат 81 стр., в том числе 13 рис. и 30 табл.
