Введение к работе
Объектом исследования настоящей работы являются пневматический, пщрошгоплатп^опппв, гидравлические механизмы ударного действия, буровой ігаструнент и сваи.
В указанных механизмах и устройствах целый ряд вопросов решен недостаточно полно и в их числе такие определяющие, как создание ударных механизмов с использованиэи жидкости (масла, воды) в качестве промежуточного тела, передающего ударные импульсы в буровой инструмент и сваи, а также механизмов с использованием промежуточного элемента (твердого тела).
Для бурения шпуров и скважин диаметром 35...70 мм созданы бурильные машины с энергией удара 250 Дм и более.
Кроме того, для забивания свай под фундаменты строительных сооружений созданы молоты с энергией удара 10 000...100 000 Дж.
Однако повышение энергии удара в бурильных машинах и в молотах ограничивается прочностью бурового инструмента и свай.
Недостаточная работоспособность штанг и соединительных узлов приводиї не только к необходимости увеличения производства и расхода буровой стали, но и вызывает большие потери времени на замену вышедошх из строя штанг, а поломки свай приводят к удорожании строительных сооружений.
Актуальность проблемы определяется:
низкой производительностью молотов и ударных механизмов, которая напрямую зависит от энергии удара и формы импульса;снижение амплитуды напряжений при возрастании энергии удара пораня и увеличение длительности ударного импульса, за счет использования столба япдкости, позволяет повысить производительность колота и ударных механизмов, а также забивать сваи и другие строительные элементы без разрушения;
разработкой научных основ расчета ударных механизмов с использованием жидкости и промежуточного твердого тела.
Цель работы - разработать и исследовать механизмы с раз -личными ударным! системами, позволяющими управлять амплитудой и
д«;;:ічєльксс'іь^ ударного г.^г.улъса з бурово.і 1.::^;„>;..;. ; ~; 'г:;:?, ооосноваї-ь г::..р;у;':ру расчетным и опыти::.; пуго:.
Осібная >:;;с.і - введено прздставяеш;о об уігог.^;;;;:::::: еішлн-тудоіі а дкі?гяі.-;-:гстьа удертого импульса.
Задач,': гссладовзшй:
разработать классификации цоханизюБ с различными ударными системами;
разработать новые схсіз изхйнаэыэв с ударниця елстсиаг.-я, позволяющими управлять амплитудой и длительность!} ударного иа-пульса в широком диапазоне;
аналитическое исследования ударной системи порознь-промежуточный элемент-воздушный зазор-ннструмзнт-порода;
аналитическое исследование ударной систеїа пораень-столб
ЕИДКОСТИ-КНСТ-руМсНЇ \
разработать методику исследования волновых процессов в ударных системах;
исследовать форш импульсов для оценки парамзтров ударных систем;
установить закономерность передачи давления жидкости при ударе в замкнутой камеро;
исследование основных параметров новых типов пновіакіче-еких машин с различными ударными системами и напряжений в елементах резьбовых соединений при одновременном действии крутящего момента, осевого усилия подачи и двойном соударении тол;
Методы исследований. Теоретической основой рєаашія поставленных задач явилась классическая и волновая теория с привлечением теоретического исследования удара операцію иного исчисления.
Экспериментальные исследования проводились на стендах с применением современного метрологического оборудования по' проверенным и отработанным методикам с привлэчениги !.;отодов статистической обработки информации.
Задачи, поставленные в работе, ;: особенности объектов ;:г-следований предопределили создание двух стендов для и^педіу; рс~
альных условий механизмов ударного действия и бурсюто инструмента.
Научные положения, защищаемые автором:
-
Введение в структуру механизмов, ударного действия промежуточного жидкостного элемента позволяет управлять амплитудоіі и длительностью ударного импульса силы, не ухудшая параметрсз ударной системы.
-
При передаче энергии поршня через промежуточный элемент (масса промежуточного элемента постоянная) и столб иидкости с увеличением скорости поршня максимальная амплитуда импульса силы в буровой штанге увеличивается линейно, причем с увеличением массы (сечения) поршня максимальная амплитуда ударного импульса силы приближается к максимальной амплитуде импульса силы при жестком ударе.
-
Бри постоянной энергии поршня и уменьшении столба жидкости коэффициент передачи энергии удара и максимальная амплитуда импульса силы в штангах увеличиваются и приближаются к единице.
-
Деление энергии поршня на части в ударной системе поршень-промежуточный элемент-столб- жидкости-инструмент-порода происходит за счет различных масс (сечений) поршня и промежуточного элемента, а также сжимаемости жидкости, содержащей не-растворенный воздух, что позволяет уменьшать амплитуду импульса силы в штангах и сваях и увеличить длительность импульса.
-
При постоянной энергии удара поршня максимальная амплитуда ударного импульса силы в буровом инструменте зависит от количества содержащегося в реальной жидкости нерастворенного воздуха, от скоростей звука, разных для Еоздуха и жидкости, и от соотношения диаметров промежуточного элемента и хвостовика инструмента, между которыми в замкнутой камере заключена жидкость, и изменяется по линейному закону, что позволяет изменять амплитуду импульса силы в широком диапазоне, а следовательно, максимальная амплитуда импульса сила становится управляемой.
-
Введение в структуру ударных механизмов промежуточного элемента, установленного с зазором относительно хвостовика инструмента, позволяет увеличить частоту ударов в два раза, изме-
гесть форцу и длительность импульса силы за счет величины зазора, а тыке управлять ашяктудой первого її второго ударннх ігліуль-сос за счет различных (сечений) поршня и промежуточного олсг&кта.
Достоверность научных полонений, выводов и рекомендаций диссертации обоснована:
«Іїсподьвованием общепринятых апробированных допущений при снйлптячэскоа исследовании различных ударных систем;
привлечением для математического описания ударных систем положений классической и еолновой теории удара;
эцсперимзнталькь&и исследованиями, выполненными на оборудования, укомплектованном современной аппаратурой, и использованием тензометрирования и статистических методов обработки зкспоріа:ентальньіх данных;
производственными испытаниями сваебойного колота, разработанного на основании результатов проведенных исследований.
'Научная новизна:
- установлено, что использование столба (прослойки) дидко-
сти в качестве промежуточного элемента при передаче энергии
удара от поршня рабочему инструменту позволяет управлять ампли
тудой я длительностью ударного импульса, снизить уровень шума и
исклвчить возникновение волн изгиба в хвостовике инструмента,
поскольку еидкость равномерно распределена по всему торцу хвос
товика;
^"отнбшенйе максимальной амплитуды импульса сил при передаче энергии удара пориня через столб жидкости на выходе и вхо-деіобратно пропорционально отношению диаметров соударяющихся тел;
- при постоянной энергии поршня с уменьшением столба жид
кости коэффициент передачи энергии удара в инструменте и макси
мальная аштлитуда ударного импульса увеличивается и приближают
ся к единица при использовании в качестве промежуточного эле
мента прослойки жидкости.
Личный вклад автора заключается в следующем:
- в разработке классификации ударных систем)новых ударных
механизмов с использован^ГвдкЪстйГи1 промежуточного элемента;
исследование ударной системы поршень - промежуточный элемент - воздушный зазор-инструмент-порода;
исследование ударной системы поршень-столб жидкости-ин-струмент;
исследование основных параметров пневматических меха - ' низмов и напряжений в элементах резьбовых соединений при одновременном действии крутящего момента, осевого усилия подачи и двойном соударении тел;
в разработке методики исследования и лабораторного оборудования для оценки параметров ударных систем;
в установлении закономерности передачи давления жидкости при ударе в замкнутом объеме;
в экспериментальной оценке параметров различных удар -пых систем по форме, амплитуде и длительности импульса силы в буровом инструменте;
в разработке и промышленном испытании опытного образца молота с использованием жидкости для забивания свай.
Практическая ценность:
-
Введение в структуру механизмов ударного действия промежуточного жидкостного элемента позволяет управлять амплитудой и длительностью ударного импульса силы, не ухудшая параметров ударной системы.
-
Деление энергии поршня на части в ударной системе поршень-промежуточный элемент-столб жидкости-инструмент-шрода происходит за счет различных масс (сечений) поршня и промежуточного элемента, а также сжимаемости жидкости, содержащей не-растворенный воздух, что позволяет уменьшать амплитуду импульса силы в штангах и сваях и увелетить длительность импульса.
-
При постоянной энергии удара поршня максимальная амплитуда ударного импульса силы в буровом инструменте зависит от количества содержащегося в реальной жидкости нерастворенного воздуха, от скоростей звука, разных для воздуха и жидкости, и от соотношения диаметров промежуточного элемента и хвостовика инструмента, меяду которыми в замкнутой камере заключена жид -кость, и изменяется по линейному закону, что позволяет изменять амплитуду импульса силы в широком диапазоне, а следовательно, максимальная амплитуда импульса силы становится управляемой.
4) Введение в структуру ударных механизмов промежуточного элемента, установленного с зазором относительно хвостовика инструмента, позволяет увеличить частоту ударов в два раза в инструменте за один ход поршня, изменить форму и .длительность им -пульса силы за счет величины зазора, а так*о управлять ампли -тудой первого и второго ударных импульсов за счет различных масс (сечений) поршня и промежуточного элемента.
На основании проведенных исследований предложен ряд технических решений оборудования:
пневмоударный механизм [а.с. № 512286) предназначен для снижения расхода воздуха;
бурильные машины с использованием столба жидкости (прослойки жидкости) в качестве промежуточного тела, передающего ударные импульсы от поршня через промежуточный элемент в буровой инструмент (а.с. № 564413, № 597825);
гидроударный механизм с использованием прослойки жидкости в качестве промежуточного тела, передающей ударные импульсы от поршня в инструмент (а.с. № У64І28), предназначен для передачи больших энергий удара поршня в буровой инструмент, сваи и другие строительные элементы, управления амплитудой и длительностью ударного импульса и снижения уровня шума;
буровая головка ударно-поворотного действия с использованием жидкости (а.с. № 8833^1), вращатели бурильных машин и подающего устройства (а.с. № 473Ы2, 8833УІ) предназначены для вращения бурового инструмента, винта подающего механизма, завинчивания винтов и гаек в гайковертах;
амортизатор для ударного механизма бурильной машины
(а.с. № 491784) предназначен для защиты деталей бурильной машины от отраженных импульсов. Подана заявка № 10559 на открытие "Закономерность передачи давления жидкости при ударе".
Реализация работы. В основу диссертации положены материалы комплексных исследований, проведенных лично автором и под его непосредственным руководством в течение 1975...1981 гг., выполняемых по плану госбюджетной работы Г-50/5, гос.регистрационный , N 75012952 Комсомильского-на-Амуре политехнического института.
Диссертационная работа завершена в Комсомольском-на-Амуре государственном педагогической институте.
Разработаны рекомендации по созданию муфтовых соединений и мэханизмов ударного действия с использованием столба (прослойки) аидкости в качестве промежуточного тела при передаче энергии удара в инструмент.
Основные результаты диссертационной работы реализованы в опытном образце дизель-молота для забивания свай, который был изготовлен в УМ—X треста "Спецстроймеханизация-2" г.Комсо -мольск-на-Амурс. Производительность нового дизель-молота увеличилась на 15...20 по сравнения с серийным, а годовой экономи -ческий эффект, на один дизель-молот составил 52,4 млн. руб по ценам на апрель 1996 г.
Внедрение новых типов ударных машин позволит предотвратить поломки свай при их забивании в грунт, увеличить долговечность инструмента, их производительность и уменьшить уровень шума.
Апробация работы. Результаты исследований доложены и обсуждены на научном семинаре отдела буровых машин института НИ-ПИГОРМАШ, г. Свердловск, 1975 г.; на заседании технического совета в конструкторском отделе бурового инструмента Машиностроительного завода, г. Новокузнецк, 1975 г.; на Всесоюзном научно-техническом совещании "Проблемы повышения стойкости бурового инструмента", г. Новокузнецк, 1975 г.; на заседании технического совета отдела бурильных машин, г. Новокузнецк, 1977 г.; на 1Y симпозиуме по динамике виброударных систем, г. Москва, 1978 г. в институте Машиноведения имени академика А.А.Благонравова; в лаборатории бурения Института горного дела СО РАН, г. Новосибирск, 1993 г.
