Введение к работе
Актуальность темы исследования. Необходимость постоянного увеличения объема строительно-монтажных работ требует поиска путей сокращения их стоимости и времени выполнения операций за счет внедрения новых технологий. Одна из таких возможностей - применение технологий прямого монтажа конструкций, основанных на использовании удара, исключающих подготовительные операции. Производители промышленного крепежа прогнозируют ежегодное увеличение спроса на 4,8%, а в 2012 году объем его рынка составит около 66 млрд. долларов США. Рассматриваемые технологии находят все большее применение в различных областях строительной индустрии, но их широкое распространение ограничено возможностями оборудования, т.к. для реализации применяется преимущественно монтажные пистолеты. С этой точки зрения несомненный интерес представляет разработка более безопасного мобильного оборудования, обладающего мощным ударным воздействием, способного выполнять операцию деформирования или управляемого разрушения материала за несколько ударов. Имея в виду, что наибольшей доступностью обладает электрическая сеть, представляется целесообразным использовать электрифицированный инструмент, среди многообразия которого наибольший интерес представляют электрические машины ударного действия (молотки) линейного типа, поскольку они надежны в работе, обладают минимальными массой и габаритами.
Основой совершенствования электрических ударных машин является увеличение энергии их единичного удара. При ограниченных возможностях сети по мощности повышение энергии единичного удара может быть достигнуто при снижении частоты ударов, т.е. при создании машин с низкой частотой ударов, в том числе и одноударных. Именно эти машины могут обеспечить эффективную реализацию рассматриваемых технологических операций, а поскольку в настоящее время ни в РФ, ни за рубежом нет ручных строительных электрических машин, отвечающих всем предъявляемым требованиям, то их создание является актуальной задачей.
Степень разработанности темы исследований. К настоящему времени накоплен большой опыт проектирования и практической реализации электрических машин линейного типа. Значительный вклад в их развитие внесли П.М. Алабужев, Н.П. Ряшенцев, А.В. Львицын, Г.Г. Угаров, В.А. Каргин, А.И, Москвитин, А.В. Фролов, Ю.З. Ковалев, Ф.Н. Сарапулов, ОН. Веселовский, В.В. Ивашин, Б.Ф. Симонов, Е.М. Тимошенко, А.Т. Малов, В.И. Малинин, Ю.В. Нейман, КМ. Усанов и другие. В работах этих специалистов отражены результаты исследования линейных электроприводов, в том числе ударного действия, и приведены примеры их практической реализации. Вместе с тем, существующие электромагнитные машины ударного действия обладают малой, не превышающей 1,5-2 Дж/кг, удельной энергией удара, т.е. энергией, отнесенной к массе машины, что ограничивает область их использования. Необходимо отметить, что известны отдельные экспериментальные образцы электромагнитных двигателей, обладающих удельной энергией единичного удара 5-7 Дж/кг, однако масса снаряженных электромагнитных машин, как правило, превышает 20 кг, что позволяет классифицировать их как переносное прессовое оборудование. Для использования в качестве ручного инструмента
предпочтительны молотки с массой до 8-10 кг, установленной для ручного механизированного инструмента и энергией удара свыше 20 Дж. Известные на сегодняшний день электрические отечественные и зарубежные молотки в полной мере этим требованиям не отвечают.
Целью работы является обоснование параметров форсированных электрических машин ударного действия для реализации технологий строительно-монтажных работ, основанных на процессах деформации материалов, и создание на основе полученных результатов высокоэффективного ручного электромагнитного инструмента.
Идея работы заключается в создании высоконагруженных малогабаритных ручных машин с электромагнитным приводом для строительно-монтажных работ, на основе применения устройств управления с регулируемой низкой частотой ударов и использованием накопителя энергии, позволяющего исключить импульсное воздействие на сеть и влияние ее параметров на энергию удара, обеспечивающих лучшее качество работ и расширяющих технологические возможности машин.
Объект исследований:
- конструктивно-технологическая система «ручная ударная машина с
линейным электромагнитным двигателем, являющимся генератором ударных
импульсов, направленных на рабочий инструмент, разрушающий и
деформирующий обрабатываемое изделие»;
деформируемый материал изделия с известными физико -механическими свойствами, степень деформирования которого определяется технологией строительно-монтажных работ;
система управления и питания электромагнита, определяющая режим работы и энергетические параметры электромагнитного ударного узла.
Предмет исследований:
закономерности процессов взаимодействия рабочего инструмента строительных машин с деформируемыми средами при производстве строительно-монтажных работ, обосновывающие расчет и проектирование ручных электрических машин ударного действия;
- закономерности деформирования материалов составляющих основу
строительных и монтажных конструкций;
- изучение связи энергетических параметров электромагнитных ударных
машин и их рабочих процессов с целью решения задач по созданию новых
ручных строительных машин, обладающих большими технологическими
возможностями при производстве строительно-монтажных работ.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
классифицировать технологии, используемые при производстве монтажных и специальных строительных работ по виду воздействия на обрабатываемый материал конструкций и сформулировать требования к техническим устройствам для эффективного выполнения работ;
обосновать параметры машин ударного действия на основе исследования процессов деформирования материалов с различными физико-механическими свойствами, составляющих основу строительных и монтажных конструкций и существенно отличающихся друг от друга по характеру требуемого
механического воздействия;
сформировать основные принципы достижения максимальных удельных энергетических показателей в ручных электромагнитных машинах ударного действия и выбрать схему линейного электромагнитного двигателя (ЛЭМД), обеспечивающего их реализацию;
разработать методику расчета форсированных электромагнитных машин, позволяющую найти основные параметры ЛЭМД при минимальном количестве исходных данных - энергий единичного удара прототипа и проектируемого ЛЭМД для реализации требуемого уровня изменения энергии единичного удара в ручных динамически подобных электромагнитных машинах;
создать универсальную схему управления работой ЛЭМД с регулируемой низкой частотой ударов для всего диапазона изменения энергии удара, исследовать взаимосвязь между электромагнитными процессами в форсированных ЛЭМД и нагрузкой на электрическую сеть, оценить возможности питания их от источника ограниченной мощности;
создать ручные форсированные электромагнитные машины для решения конкретных технологических задач и провести их промышленную апробацию.
Методология и методы исследований. В качестве общего методологического подхода работы принята методология системного анализа. В работе использовались методы математического имитационного моделирования, дискретной математики и регрессионного анализа. Представленные в работе результаты получены с применением при теоретических исследованиях методов классической механики и законов электротехники.
Научная новизна проведенных исследований заключается в том, что:
разработана классификация монтажных и специальных строительных работ, с разделением их по степени воздействия на деформируемый материал, что позволило сгруппировать технологические операции и разработать для них ручные форсированные электромагнитные машины;
обосновано применение математической модели деформируемого жесткопластического тела и разработана методика определения параметров статической характеристики по известному динамическому воздействию на испытуемый материал индентором, имеющая сходимость с экспериментом не превышающую 8%;
впервые введено понятие «коэффициент электромагнитного подобия» характеризующего электромагнитные нагрузки подобных ЛЭМД, т.е. энергии на единицу объема, что позволило создать методику их расчета, погрешность которого составляет 8-10 %;
обоснована конструктивная схема ручных форсированных электромагнитных двигателей, позволяющая создавать машины с регулируемой низкой частотой ударов, и разработано устройство управления их работой, обеспечивающее, при минимально возможном угле открывания тиристора (до 5), максимальное использования энергии полупериода синусоидального напряжения, что позволило создать молоток, выполняющий технологическую операцию за один или несколько ударов;
впервые разработано устройство управления работой ручной форсированной электромагнитной машиной (РФЭМ) с использованием накопителя энергии, позволяющие исключить импульсное воздействие на сеть,
вызывающее перекос фаз и снизить падение напряжения с 40 В до 5 В, и использовать для питания машин не только силовые, но и бытовые сети с напряжением 220 В, а также источники ограниченной мощности;
- обоснованы параметры геометрически подобных форсированных электромагнитных двигателей с одинаковыми для всего ряда удельными электромагнитными нагрузками и удельной энергией единичного удара, превышающей 10 Дж/кг.
Теоретическая и практическая значимость работы. Создана методика определения параметров статической нагрузочной F-x характеристики, по известному динамическому воздействию на испытуемый материал индентором, для которой величина общей статической осадки х равна величине общей динамической осадки hK, позволяющая построить его физическую модель, а затем определить оптимальные выходные параметры двигателя, необходимые для расчета проектируемого инструмента. Разработана методика расчета геометрически и электрически подобных ЛЭМД, массогабаритные параметры которых определяются методами подобия, а энергопреобразование рассматривается с точки зрения классических законов электротехники.
Разработаны комплекты унифицированных электромагнитных машин со сменными технологическими насадками, имеющих энергии единичного удара 20, 40, 60 Дж, реализующие 16 технологических операций.
Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнена в Сибирском государственном университете путей сообщения и обобщает результаты научных исследований и практических разработок автора в период с 1997 по 2011 годы. Диссертация является продолжением комплекса работ по разработке системы расширенного использования виброударных машин и технологий в промышленном, гражданском и дорожном строительствах, проводимых в соответствии с планом НИР и внедрения Сибирского государственного университета путей сообщения.
За период с 2000 по 2008 год на договорных условиях передано в эксплуатацию предприятиям на территории РФ более 30 единиц оборудования для выполнения различных технологических операций. География поставок от Иркутска до Москвы, общий объем выполненных договоров составил более 2,5 млн. руб. В 2001 году комплект ударных машин удостоен Малой золотой медали ВВЦ (ВДНХ) г. Москва.
Положения, выносимые на защиту.
-
Классификация монтажных и специальных строительных работ по виду воздействия на материал конструкций позволила объединить технологические операции в группы, характеризующиеся типом инструмента, обеспечивающим это воздействие, и сформулировать требования к техническим устройствам для эффективного выполнения работ в каждой из технологических групп.
-
Замена упругопластичной модели деформирования материала на жестко-пластичную позволяет определять необходимую для выполнения технологической операции энергию удара с погрешностью, не превышающей 6% с использованием статической нагрузочной характеристики, полученной в лабораторных условиях. Статическая нагрузочная характеристика, особенно для конструкций из тонколистовых и хрупких материалов, может быть достоверно
определена путем нагружения их ударом с известной энергией и последующим определением величины внедрения индентора.
-
Введение для характеристики электромагнитных нагрузок в динамически подобных ЛЭМД понятия «коэффициента электромагнитного подобия», т.е. энергии, приходящейся на единицу объема двигателя, обеспечило создание методики определения параметров форсированных электрических машин, которая позволила по критериям максимальной электромагнитной загрузки и минимальной массы активных материалов, установить достигаемые энергетические параметры механизма, при ограничениях на его массу и линейные размеры.
-
Конструктивная схема одностороннего действия, в которой перемещение бойка в одну сторону осуществляется электромагнитными силами, а в другую -упругими силами пружины, имеющей постоянный контакт с ударником, обеспечивает в электромагнитных машинах с регулируемой частотой ударов максимальную энергию удара при минимальной массе машины, а максимальное использование энергии полупериода синусоидального напряжения достигается реализацией минимально возможного угла открывания тиристора (до 5).
-
Устройство управления работой форсированных электромагнитных машин с использованием накопителя энергии позволяет снизить импульсное воздействие на сеть, вызывающее перекос фаз и существенное падение напряжения с 40 В до 5 В, и использовать для питания машин не только силовые, но и бытовые сети с напряжением 220 В, а также источники ограниченной мощности.
Ценность научной работы состоит в том, что автором для исследования режимов динамического деформирования твердых тел предложена методика, позволяющая при невозможности снятия статической нагрузочной характеристики получить ее из динамической характеристики реальной конструкции в условиях выполнения технологической операции. Для расчета электромагнитных ударных узлов методами подобия предложена методика расчета, имеющая сходимость результатов 8-10 %.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов определяется корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений и адекватностью расчетных моделей, применением при теоретических исследованиях методов классической механики и законов электротехники, а также достаточным объемом и удовлетворительной сходимостью результатов расчетов и экспериментов. В процессе расчетов и анализа математических зависимостей применялись специализированные пакеты программ Mathcad 2000.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования - производству» (Барнаул: АлтГТУ, 2001г.); на Научно-практической конференции «Актуальные проблемы ТРАНССИБА на современном этапе» (Новосибирск, 2001 г.); на III Научно-практической конференции «Новые технологии - железнодорожному транспорту: подготовка специалистов, организация перевозочного процесса, эксплуатация технических средств» (Омск, 2000 г.); на Научно-практической конференции «ВУЗы Сибири и Дальнего Востока ТРАНССИБУ» (Новосибирск, 2002 г.); на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы
надежности технологических, энергетических и транспортных машин», посвященной 90-летию Самарского государственного технического университета. (Самара, 2003г.); на международной конференции «Проблемы и перспективы развития горных наук» (Новосибирск : ИГД СО РАН, 2004 г.); на Всероссийской научной конференции с участием иностранных ученых «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте». (Красноярск, 2005 г.); на 44-й Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии -железнодорожному транспорту и промышленности» (Хабаровск, 2006 г.); на VI Всероссийской научно-практической конференции «Политранспортные системы Сибири» (Новосибирск, 2009 г.); на VIII Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии 21 века» (Пенза 2010 г.); на Научно-технических советах Западно-Сибирской железной дороги, научных межкафедральных и семинарах кафедры «Эксплуатация машин» Сибирского государственного университета путей сообщения.
Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 52 работы, в том числе: в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК— 21 статья, в других изданиях— 1 монография, 20 статей, 5 тезисов докладов, получено 5 патентов на полезные модели РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из реферата, введения, семи глав, выводов, списка литературы с указанием работ отечественных и зарубежных авторов и приложений. Диссертация изложена на 327 страницах, содержит 145 рисунков, 48 таблиц, библиографию из 209 наименований и приложения на 47 страницах.
