close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Борисов Константин Валерьевич. Повышение прочности элементов гидромолота

код для вставки
Аннотация
Цель данной выпускной квалификационной работы повышение прочности
элементов гидромолота.
В разделе «Машины ударного действия» рассмотрены и изучены
гидравлические
устройства
ударного
действия
и
также
произведено
математическое моделирование и исследование гидравлических устройств
ударного действия.
В разделе «Выбор принципиальной схемы гидроударника» рассмотрены
схемы гидроударников и структура рабочего цикла гидроударника с управляемой
камерой рабочего хода.
В разделе «Методика инженерного расчета конструктивных параметров
ударного механизма гидроударника с управляемой камерой рабочего хода»
определены площади камер обратного и рабочего хода, рабочий ход и масса
бойка с помощью инженерного расчета.
В
разделе
«Расчет
на
прочность
и
жесткость
золотника
новой
конструкции» рассчитали на прочность и жесткость золотник оригинальной
конструкции и сравнили ее с обычной конструкцией.
В разделе «Мероприятия по обеспечению безопасности жизнедеятельности
при эксплуатации гидравлического устройства ударного действия» рассмотрели
рекомендации по технике безопасности при сборке, разборке и рекомендации по
Взам. инв. №
технике безопасности при эксплуатации
В работе содержится: 5 таблиц, 19 рисунков, 54 формулы, список
использованной литературы содержит 17 источников.
Подп. и дата
Общий объем работы составляет 70 страниц.
Инв. № подп.
ВКР 2018.150303.140832 ДО
Изм. Кол.уч. Лист № док. Подпись
Дата
Лист
Аnnotation
The purpose of this final qualifying work is to increase the strength of the
hydraulic hammer elements.
In the section "Impact machines", hydraulic impact devices were examined and
studied, and mathematical modeling and investigation of impact hydraulic devices
were also carried out.
In the section "Choice of the basic scheme of the hammer" the schemes of
hydraulic hammers and the structure of the working cycle of the hammer with the
controlled chamber of the working stroke are considered.
In the section "Technique of engineering calculation of design parameters of the
impact mechanism of the hydraulic hammer with a controlled chamber of the working
stroke", the areas of the reverse and working stroke chambers, the working stroke and
the mass of the bumper were determined by engineering calculation.
In the section "Calculation of the strength and stiffness of the new design" the
spool was calculated for strength and rigidity of the original design and compared it
with the conventional design.
In the section "Activities to ensure the safety of vital functions when operating a
hydraulic impact device", we reviewed safety recommendations for assembly,
disassembly and safety recommendations for use
The work contains: 5 tables, 19 figures, 54 formulas, the list of used literature
contains 17 sources.
Взам. инв. №
The total amount of work is 70 pages.
Подп. и дата
Инв. № подп.
ВКР 2018.150303.140832 ДО
Изм. Кол.уч. Лист № док. Подпись
Дата
Лист
Содержание
Введение.........................................................................................................................4
1. Машины ударного действия: состояние вопроса..............................................6
1.1.Технологические
машины
с
ударно-скалывающим
исполнительным
органом...............................................................................................................................
....6
1.2. Гидравлические устройства ударного действия.................................................17
1.3. Математическое моделирование и исследование гидравлических
устройств ударного действия...............................................................................26
2. Выбор принципиальной схемы и компоновки гидроударника.....................32
2.1. Выбор принципиальной схемы гидроударника...................................................32
2.2. Выбор компоновки ударного механизма с датчиком положения бойка..........35
2.3. Структура рабочего цикла гидроударника с управляемой камерой
рабочего хода..........................................................................................................41
3. Расчет параметров и разработка конструкции гидроударника....................49
3.1. Методика инженерного расчета конструктивных параметров ударного
механизма гидроударника с управляемой камерой рабочего хода...................49
3.2. Методика инженерного расчета блока управления гидравлическим
устройством ударного действия...........................................................................53
3.3. Расчет и выбор параметров гидромолота ...........................................................56
3.4. Расчет на прочность и жесткость золотника новой конструкции.....................58
4. Мероприятия по обеспечению безопасности жизнедеятельности при
эксплуатации гидравлического устройства ударного
действия.............................63
4.1. Рекомендации по технике безопасности при сборке и разборке......................63
4.2. Рекомендации по технике безопасности при эксплуатации.............................64
Заключение..................................................................................................................66
Список использованных источников.....................................................................68
Приложение А.............................................................................................................70
Введение
Удар, как способ воздействия на различные объекты, с целью разрушения
или формообразования, известен из древности. Область его применения
длительное время ограничивалась физическими возможностями человека,
которые определяли энергию удара.
Существенный прорыв в увеличении энергии удара совершен в результате
создания паровых, а затем и пневматических кузнечных молотов. Наращивание
мощности ударных процессов в строительной индустрии связано с внедрением
сваепогружающих дизель-молотов. Однако наличие сложного дополнительного
оборудования, а, следовательно, большие габариты предопределили их
применение в стационарных условиях.
Во второй половине ХХ века с расширением области применения
гидравлического привода в мобильных машинах, получило интенсивное
развитие относительно новое направление в технике – создание гидравлических
устройств
ударного
действия
(гидроударников1),
отличающихся
от
предшествующих конструкций компактностью, более высокой мощностью и
повышенным коэффициентом полезного действия.
В настоящее время известны десятки моделей технологических машин с
исполнительным органом ударного действия, разработанные зарубежными
фирмами и отечественными предприятиями и имеющие широкую область
применения: проведение, расширение и поддирки выработок на угольных
шахтах; выравнивание (оборка) кровли и стен тоннелей и рудников; дробление
негабаритов на карьерах и приёмных решётках рудников, обогатительных
цехов; добыча угля, вечномёрзлого продуктивного песка, руды; удаление шлака,
отслужившей футеровки ковшей, конверторов в горячем состоянии; разрушение
асфальтобетонных покрытий при реконструкции и ремонте автострад,
аэродромов; разрушение мёрзлых и скальных грунтов при вскрышных работах
на карьерах; прокладка траншей под инженерные коммуникации и фундаменты;
1
дробление кирпича, бетона при реконструкции и сносе строений; уплотнение
грунтов и материалов при выполнении строительных работ; заглубление в грунт
свай, стоек ограждения, заземления и т. п.
Широкое применение машин ударного действия для разрушения горных
пород, строительных материалов, скальных и мерзлых грунтов объясняется тем,
что механический удар обеспечивает высокую концентрацию нагрузки на
локальном участке забоя и относительно низкую энергоемкость разрушения (17
–
25
Дж/см3).
Из
практически
применяемых
в
горнодобывающей
промышленности других способов разрушения горных пород (механическое
резание и взрыв) более низкую энергоемкость (6 Дж/см3) обеспечивает только
взрыв. При этом механическое резание, как показал широкий отечественный и
зарубежный опыт, оправдано на относительно слабых горных породах и углях.
Буровзрывной способ обеспечивает разрушение пород выше средней крепости и
крепких,
но
имеет
ряд
недостатков:
нарушает
целостность
пород
непосредственно прилегающих к горным выработкам, что особенно проявляется
при ведении работ на больших глубинах в зонах высокого горного давления;
относительно низкая производительность из-за цикличности работ; требует
повышенных мер безопасности.
Результаты
промышленного
применения
технологических
машин
ударного действия свидетельствуют, что они обеспечивают разрушение горных
пород, скальных и мерзлых грунтов, металлургического шлака и строительных
материалов различной прочности. Имеются данные о разрушении пород в
массиве с сопротивлением на сжатие (σсж) до 10 МПа, а при вторичном
дроблении – до 18 МПа, с производительностью сопоставимой с буровзрывным
способом.
Таким образом, проблема создания машин ударного действия, которые
расширяют область применения механического способа разрушения на горные
породы выше средней крепости (σсж/ 60.МПа) и сокращают объёмы
буровзрывных работ, является актуальной.
Для успешного создания и внедрения технологических машин ударного
действия необходимы исследования динамики рабочих процессов, определение
рациональных
параметров
и
формирование
базы
обоснованных
конструктивных решений гидроударников, манипуляторов и приводов.
Большой вклад в развитие теории и проектирование машин ударного
действия внесли отечественные и зарубежные ученые: Александров Е.В.,
Алимов О.Д., Ашавский А.М., Войцеховский Б.В., Горбунов В.Ф., Ешуткин Д.Н.,
Кичигин А.Ф., Лазуткин А.Г., Манжосов В.К., Пивень Г.Г., Соколинский В.Б.,
Ушаков Л.С., Янцен И.А., Дрешер П., Менде Е., Мертенс Ф., Сиппус Т., Bourne,
Howkes I., Hermann A., коллективы бывшего СССР – СО АН СССР, ИГД им.
А.А.
Скочинского,
ЦНИИПодземмаша,
ДонУГИ,
КузНИУИ,
ВНИИстройдормаша, Института автоматики АН Кирг.ССР, Карагандинского
политехнических
институтов,
а
также
России
–
МГГУ;
института
гидродинамики СО РАН; Копейского и Кузнецкого машиностроительных,
Тверского и Ковровского экскаваторных заводов и др.
Настоящая
дипломная
работа
посвящена
математическому
моделированию рабочего процесса, расчету конструктивных и режимных
параметров, разработке конструкции гидравлического устройства ударного
действия с управляемой камерой рабочего хода для разрушения горных пород
применительно
к
исполнительному
органу
проходческого
комбайна
избирательного действия.
Разработка математической модели адекватной реальному объекту и
усовершенствованной
методики
расчета
позволит
создавать
импортозамещающие гидроударники с управляемой камерой рабочего хода с
улучшенными качественными характеристиками.
1 МАШИНЫ УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ: СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
1.1 Технологические машины с ударно-скалывающим исполнительным
органом
Широко применяющийся способ разрушения горных пород – механическое
резание, как показал отечественный и зарубежный опыт, оправдан на
относительно слабых горных породах и углях. Буровзрывной способ
обеспечивает разрушение пород выше средней крепости и крепких, но
негативно влияет на окружающую среду и требует повышенных мер
безопасности. В связи с этим проводятся работы по изысканию и реализации
эффективных способов воздействия на породы выше средней крепости и
крепкие с целью их разрушения, и в ряду перспективных механический удар.
Удар, как способ воздействия на объект с целью изменения его формы или
разрушения, известен из древности. Однако энергия удара длительное время
ограничивалась
физическими
возможностями
человека.
Единственным
мобильным устройством долго оставался ручной пневматический отбойный
молоток с небольшой энергией удара, которая у современных моделей не
превышает 45 Дж. Во второй половине XX в. с развитием и широким
применением гидропривода в технологических машинах была заложена основа
для формирования относительно нового направления в технике – машины
ударного действия.
В 60-е годы в ряде стран проведена промышленная апробация
принципиально
новых
конструкций
машин
с
ударно-скалывающим
исполнительным органом для разрушения горных пород, оснащённых
мощными гидроударниками.
Фирма «Хаусхерр» (Hausherr, Германия) в 1963 г. выпустила машину типа
GSR для поддирки почвы с ковшовым исполнительным органом, оснащённым
тяжёлыми отбойными молотками, которые в машине новой серии «Unisenk»
были заменены гидроударниками [1, 2].
В 1966 г. научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт
(MRDE) при Государственном управлении Великобритании начал испытания
машин с исполнительным органом ударного действия для проведения штреков
в подземных условиях, дробления негабаритов на карьерах [3].
Учёные Карагандинского политехнического института (СССР, Казахстан) в
1966 – 1968 гг. провели шахтные испытания статико-динамических угольных
стругов СДС-1 и СДС-2 с гидропневматическим исполнительным органом
ударного действия для разрушения крепких и вязких углей [4].
Фирма «Крупп» (Krupp, Германия) в 1967 г. предложила на рынке горного
оборудования
гидромолот
HM
400,
который
монтировался
на
стреле
гидравлического экскаватора и предназначался для разрушения мерзлых и
скальных грунтов, дробления негабаритов до транспортабельных размеров [5].
Фирма «Секома» (Sekoma, Франция) выпустила машину для удаления
(оборки) отслоившихся кусков породы с кровли выработок, оснащенную
гидроударником PH 400 (от гидравлической бурильной машины модели RPH
400), смонтированным на манипуляторе модели BYAL 1100 [16].
Положительные результаты апробации первых машин их создание и
применение в различных отраслях промышленности: горнодобывающей,
дорожно-строительной, металлургической, коммунальной и др.
В
настоящее
проходческих
[7],
время
известны
десятки
поддирочно-погрузочных
моделей
бурильных
[6],
[1,
очистных
[8],
3],
сваепогружающих и грунтоуплотняющих [9], строительно-дорожных [8]
машин, бутобоев [3], а также машин для оборки кровли [3], прокладки
инженерных коммуникаций [10] и ремонта металлургического оборудования
[11]
с
исполнительным
органом
ударного
действия,
разработанные
зарубежными фирмами и отечественными предприятиями. Имеются данные [12]
о применении генераторов механических импульсов (гидроударников) в
металлообработке. Одни из них выпускаются серийно и эксплуатируются в
различных отраслях промышленности, другие изготовлены в виде опытных и
экспериментальных образцов для проведения научно-исследовательских работ и
апробации конструктивных решений.
Серийный выпуск машин осуществляют преимущественно зарубежные
фирмы, в их числе «Зальцгиттер», «Хаусхерр» (Германия), «Галлик Добсон»,
«Эймко» (Великобритания), «Ингерсолл Ренд» (США), «Раммер-Тамрок»
(Финляндия), «Секома», «Монтабер» (Франция), «Атлас Копко» (Швеция),
создавшие для горнодобывающих предприятий технологические машины
различного назначения (рисунок 1.1).
Известны проходческие машины (рисунок 1.1, а, г) ударного действия,
состоящие из ударно-скалывающего исполнительного органа, механизма
перемещения, электрогидравлического привода, системы управления, а также
проходческие комбайны (рисунок 1.1, б, в), оборудованные еще одним
функциональным элементом – погрузочным органом.
В результате применения проходческих машин с ударно-скалывающим
исполнительным органом в угольной промышленности отмечено увеличение
среднесуточной скорости проведения горных выработок на 42 – 50 %,
уменьшение трудоёмкости проходки одного метра, а также улучшение
состояния боковых пород по сравнению с буровзрывным способом проходки,
что позволило перейти на использование более легкого профиля крепи и
сократить расходы на её возведение [13].
Мобильные
машины
(экскаваторы,
автомобили,
тракторы)
с
гидроударниками (см. рисунок 1.1, е) применяются для дробления негабаритов
(куски породы, которые имеют большие размеры, что затрудняет их
транспортировку и переработку), рыхления скальных и мерзлых грунтов, для
ломки огнеупорной футеровки во время ремонта доменных печей, конверторов,
сталеразливочных чугуновозных ковшей.
а)
б)
в)
г)
д)
ж)
е)
з)
и)
Рисунок 1.1 – Машины с ударно-скалывающим исполнительным органом
избирательного действия:
а – проходческая машина «Импакт Риппер» фирмы «Галлик Добсон»; б – проходческий комбайн
фирмы «Клёкнер-Бекорит»; в – проходческий комбайн HSV-4 фирмы «Хаусхерр»; г –
проходческая машина «Лэманд Оверарм Импактор» фирм «Макол» и «Шэнд»; д – поддирочная
машина фирмы «Хаусалит»; е – бутобой фирмы «Катерпиллар»; ж – стационарная установка
фирмы «Ингерсолл Ренд»; з – скалер А-226 фирмы «Cocentall-CMM»; и – малогабаритная
машина «Брокк-250» фирмы «Атлас Копко»
Анализ результатов промышленного применения технологических машин
ударного действия показал, что они обеспечивают разрушение горных пород,
скальных и мерзлых грунтов, металлургического шлака и строительных
материалов различной прочности, а производительность по разрушению
зависит от структуры, условий залегания и энергии единичного удара. Имеются
данные о разрушении пород в массиве с сопротивлением на сжатие (σ сж) до
10 МПа, а при вторичном дроблении – до 18 МПа.
На основе анализа известных конструкций (см. рисунок 1.1) сформирована
обобщенная компоновка (рисунок 1.2) технологической машины с ударноскалывающим (ударным) исполнительным органом избирательного действия для
разрушения горных пород, грунтов и строительных материалов. Машина не
зависимо от технологического назначения состоит из следующих основных
функциональных узлов: механизма перемещения 1, устройства ударного действия
2 с рабочим инструментом, манипулятора (стрела) 3, энергетического блока 4,
системы
управления,
а
проходческий
комбайн
дополнительно
оснащен
погрузочным оборудованием (см. рисунок 1.1, б, в).
На основе анализа конструкций и обобщенной компоновки сформирована
структурная схема (рисунок 1.3) технологической машины с ударноскалывающим (ударным) исполнительным органом избирательного действия, в
которую вошли основные функциональные органы машины: погрузочное
оборудование;
механизм
перемещения;
манипулятор;
гидравлическое
устройство ударного действия; энергетический блок (насосная станция) [14].
Наложение функциональных связей между подсистемами позволяет
образовать новые технологические машины. При наличии связи энергетического
блока (насосной станции) с исполнительным органом образуется стационарная
установка (см. рисунок 1.1, з). Связь данной установки с механизмом
перемещения позволяет получить мобильную машину ударного действия (см.
рисунок 1.1, а, г, д, е, ж, и), а путем присоединения к мобильной машине
погрузочного оборудования – комбайн (см. рисунок 1.1, б, в ), при
конструктивной связи гидроударников с погрузочным органом и манипулятором
– штрекоподдирочную машину с активным ковшом (см. рисунок 1.1, д).
X2
2
2
3

2
1
X1
1
4
1
Рисунок 1.2 - Компоновка машины с ударно-скалывающим исполнительным
органом:
1 – механизм перемещения машины; 2 – устройство ударного
действия;
3 – манипулятор (стрела); 4 – энергетический блок (насосная
станция);
X1 – телескопическое выдвижение; X2 – подача гидроударника
на забой;
1 – поворот стрелы в обе стороны; 2 – поворот гидроударника
в обе стороны;
1 – подъем и опускание стрелы; 2 – опускание гидроударника;
 – вращение ударного устройства вокруг оси стрелы
В составе машины представляется возможным выделить ещё одну
подсистему – гидропривод, в который входят насосная станция, гидроударник и
гидродвигатели. В "развитом" гидроприводе гидродвигатели как источники
механической энергии используются во всех функциональных органах.
Блок управления
Механизм перемещения
Движители
Источник
механической
энергии
(гидродвигатель)
Гидравлическое устройство
ударного действия
(гидроударник)
Ударно-скалывающий исполнительный орган
Стационарная установка ударного действия
Блок управления
Манипулятор
Энергетический блок
(насосная станция)
Источники
механической
энергии
(гидродвигатели)
Блок управления
Рабочий
инструмент
Боек
Объемный
двухпозиционны
й двигатель
Блок управления
Аккумулятор
рабочей среды
Тормозное устройство
Источник рабочей
среды (насос)
Источник
Гидропривод
Звенья
Ударный механизм
Мобильная машина ударного действия
Мобильный комбайн ударного действия
Рабочий орган
Источник механической
Погрузочное оборудование
энергии (гидродвигатель)
механической
энергии
Блок управления
Рисунок 1.3 - Структура технологической машины с ударно-скалывающим
исполнительным органом избирательного действия
Манипулятор (стрела) и устройство ударного действия (гидроударник)
образуют ударный исполнительный орган, параметры которого определяют
область применения и производительность машины.
Манипулятор
гидроударника
к
обеспечивает
перемещение
разрушаемому
объекту.
и
поджатие
Современные
инструмента
манипуляторы
обеспечивают до семи перемещений. Угол установки рабочего инструмента
гидроударника к плоскости забоя достигается изменением двух параметров (1,
2) в горизонтальной плоскости и двух (1, 2) – в вертикальной плоскости.
Увеличение длины (X1) манипулятора для обработки верхней зоны забоя
осуществляется телескопическим выдвижением
ПГ
ПИ
СН
К1
ДАЦ
ЭСУ
БУ
A
К2
И
Б
УТ
УИ
CУМ
ГУ
M
ДМ1
ДМ2
ЗВ1
ДМN
ЗВ N-1
Рисунок 1.4 – Структурная схема ударного исполнительного органа с
гидроприводом:
ПГ – привод гидравлический; ПИ – привод импульсный; ГУ – гидравлическое
устройство ударного действия; УИ – устройство импульсное; ДАЦ – объемный
гидравлический
двигатель с асимметричным циклом; М – манипулятор; СН – насосная станция; БУ –
блок управления; А – аккумулятор рабочей среды; К1, К2 – возбудители (камеры)
холостого и рабочего хода; УТ – устройство тормозное; Б – боек; И – инструмент; СУМ –
система управления манипулятора; ДМ – гидравлический двигатель; ЗВ – звено
манипулятора
Для изменения положения гидроударника производится его поворот
()вокруг оси манипулятора. Для уменьшения числа перестановок машины при
обработке забоя по всей плоскости гидроударник перемещается на величину X2.
Однако каждая дополнительная степень подвижности связана с усложнением
конструкции манипулятора и системы управления.
Механизм перемещения определяет мобильность и устойчивость машины. В
известных
машинах
с
ударно-скалывающим
исполнительным
органом
применяются опорно-, распорношагающий, пневмоколесный и гусеничный
механизмы перемещения. Преимущество гусеничного хода, без сомнения,
заключается в его маневренности, в достаточно высокой устойчивости и
способности создавать напорное усилие, необходимое для эффективной работы
погрузочного органа. Гидроудврник входит в две подсистемы исполнительный
орган (см. рисунок 1.3 и 1.4) и гидропривод, в которых объединены механизмы,
предназначенные для решения главной задачи – разрушения материала.
Ударно-скалывающий
исполнительный
орган
работает
на
основе
преобразования энергии непрерывного потока рабочей жидкости, создаваемого
насосной станцией СН в дискретное (возвратно-поступательное) движение
бойка Б гидравлического устройства ударного действия ГУ. В результате
взаимодействия элементов ударного преобразователя – бойка Б и инструмента
И создается ударный импульс, который передается объекту (горному массиву,
негабариту и т. п.). Энергия бойка, нереализованная на разрушение объекта,
гасится внутри устройства ударного действия посредством встроенного
тормозного устройства УТ, защищающего конструкцию корпуса от ударных
нагрузок.
В гидропривод входят также гидродвигатели ДМ манипулятора, один ДМ1
из которых является связующим с гидравлическим устройством ударного
действия ГУ, с которым помимо механической имеется связь через
энергоноситель – рабочую жидкость гидропривода. При работе гидроударника
по мере разрушения объекта (массива горной породы) происходит перемещение
его корпуса гидродвигателем ДМ1, т. е. поток рабочей жидкости, создаваемый
насосной станцией СН делится между двумя потребителями. В период
манипуляций увеличивается число потребителей рабочей жидкости на
манипуляторе, но отключается от гидросистемы гидроударник, потребляющий
до 100 % мощности насосной станции [15].
В систему "развитого" гидропривода входят гидродвигатели механизма
перемещения, а на проходческом комбайне и погрузочного оборудования.
Однако механизм перемещения не работает одновременно с исполнительным
органом.
Таким образом, машина ударного действия имеет сложную структуру со
взаимосвязанными
функциональными
органами
с
индивидуальными
двигателями. При реализации "развитого" гидропривода, объединяющего
гидродвигатели введенные во все функциональные органы, ударное устройство и
насос, можно установленную мощность машины уменьшить до мощности
приводного двигателя насосной станции, которая сосредотачивается в одном
потребителе или распределяется между несколькими, участвующими в
выполнения технологической операции.
1.2. Гидравлические устройства ударного действия
Гидроударник – гидравлическое устройство ударного действия (рисунок 1.5),
предназначенное для преобразования энергии потока рабочей жидкости в
механический импульс, который передается через инструмент объекту с целью
изменения его формы или разрушения.
Боек 4, образующий с корпусом 3 минимум две рабочие камеры, под
действием рабочей жидкости, подаваемой от внешнего источника (насоса),
совершает
возвратно-поступательное
движение.
В
направлении
рабочего
инструмента 1 он движется с ускорением и наносит удар по его торцу. В момент
удара энергия, накопленная бойком в процессе разгона, формирует в инструменте
1 импульс силы, который передаётся обрабатываемой среде (объекту). Одна из
рабочих камер является управляемой, т. е. посредством распределителя 6
поочередно сообщается с напорной и сливной магистралями внешней насосной
установки. Для стабилизации параметров потока жидкости в магистрали
используется
гидропневмоаккумулятор
5.
В
пневмогидроударнике
рабочая
жидкость подается в одну, как правило, переднюю камеру, боек перемещается и
сжимает газ в задней камере. Когда давление газа достигает определенной
величины, переключается распределитель и рабочая жидкость из передней камеры
сливается по трубопроводу в маслобак. Под действием расширяющегося газа боек
разгоняется и совершает удар по инструменту.
Энергия удара гидроударника – кинетическая энергия бойка в момент
3
4
5
6
соударения
с
рабочим
инструментом
определяется по известной формуле.
2
Рисунок 1.5 – Гидравлическое устройство
ударного действия (компоновка):
1
8
7
1 – рабочий инструмент; 2 – ограничители
хода инструмента; 3 – корпус; 4 – боек;
5 – гидропневмоаккумулятор;
6 – распределитель; 7 – шпильки;
8 – направляющая инструмента
Первые гидроударники поступили на мировой рынок во второй половине 60-х
годов
ХХ
в.
[5].
С
начала
серийного
выпуска
ведутся
работы
по
усовершенствованию конструкции, повышению энергии удара и мощности. В
настоящее время известно свыше 300 моделей гидроударников, которые
выпускают более 50 фирм-производителей.
Повышенный интерес к гидроударникам со стороны потребителей и
разработчиков объясняется их преимуществами по сравнению с пневматическими
машинами: использование рабочей жидкости под давлением, которое в 15 – 30 раз
выше давления сжатого воздуха, позволяет увеличить энергию удара и КПД,
сделать конструкцию более компактной; в гидроударниках отсутствует выхлоп
отработанного сжатого воздуха в атмосферу, поэтому снижаются уровень шума,
запыленность и содержание масленых аэрозолей в воздухе, что особенно важно
при эксплуатации машин в подземных условиях.
Большой объем исследований по формированию теоретических основ
создания гидроударников, судя по многочисленным работам [6 – 10, 12, 14 – 28],
выполнен в организациях России и стран СНГ (бывшем СССР). Среди них можно
выделить: Институт гидродинамики СО РАН, КарПТИ, ВНИИСДМ и его
Красноярский филиал, ЦНИИподземмаш, ИГД МЧМ, ДонУГИ, НИИпромстрой,
Институт автоматики АН Киргизии, КузНИУИ, ОрелГТУ.
Однако лидерами освоения мирового рынка импульсной техники стали
зарубежные фирмы, среди которых наиболее известны «Коне», «Раммер»
(Финляндия), «Крупп» (Германия), «Кент» (США), «Фурукава», NPK, «Монтабер»
(Франция), «Атлас-Копко» (Швеция), «Индеко» (Италия), «Таве» (Испания).
В России гидроударники выпускают Тверской и Ковровский экскаваторные
заводы, а также АО «Московский станкостроительный завод». Выпускаемые
модели
преимущественно
предназначены
для
оснащения
гидравлических
экскаваторов, работающих на стройплощадках.
Среди первых моделей поступивших на мировой рынок преобладали
гидропневмоударники для гидравлических экскаваторов. Они имели относительно
простую конструкцию, отличались принципиальными схемами, выходными
параметрами (энергией и частотой ударов), так как проектировались для
экскаваторов конкретных размерных групп, характеризующихся рабочей массой и
мощностью привода. Первые модели послужили в большей степени для апробации
способа разрушения породы мощным ударом и определения возможной области
его применения в промышленности. В результате эксплуатации первых моделей
были выявлены отдельные зависимости между параметрами гидроударника,
разрушаемой породы, базовой машины и производительностью. Так специалисты
фирмы «Раммер» пришли к выводу, что для эффективного использования
гидроударника масса базовой машины должна быть в 10 – 12 раз больше массы
гидроударника [29].
В последующие годы опытно-конструкторские работы в основном были
направлены на совершенствование конструкций – увеличение и стабилизацию
выходных параметров (энергии и частоты ударов), повышение КПД и
экологической безопасности гидроударников.
Современные гидроударники (рисунок 1.6) различных фирм-производителей
имеют во многом аналогичные конструкции и включают следующие основные
узлы:
рабочий
инструмент;
гидропневматические
боек;
аккумуляторы;
золотник
корпусные
и
клапаны
детали;
управления;
защитный
кожух;
амортизаторы и уплотнения [28].
Рабочий сменный инструмент 1, предназначенный для передачи энергии
удара в обрабатываемый объект, установлен в переднем элементе корпуса 5,
оснащенном высокопрочными, износостойкими втулками 14. Удерживается
инструмент специальными планками 15, исключающими его поворот вокруг оси.
Рабочий инструмент 1, предназначенный для передачи энергии удара в
обрабатываемый объект, установлен в переднем элементе корпуса 5, оснащенном
высокопрочными, износостойкими втулками 14. Удерживается инструмент
специальными планками 15, исключающими его поворот вокруг оси.
Боек 12, совершающий возвратно-поступательное движение под действием
силы давления рабочей жидкости, установлен в цилиндре 3, являющемся
элементом корпуса. В ряде моделей пара боек – цилиндр, посредством системы
каналов, проточек и расточек, расположенных на сопрягаемых поверхностях,
выполняет функцию датчика положения бойка.
Золотник 8 и клапан 6, предназначенные для управления рабочими тактами
гидроударника и поддержания заданных параметров энергии и частоты ударов,
расположены в отдельном блоке корпуса.
Гидропневматический аккумулятор 10 стабилизирует энергию удара и
снижает пульсацию давления рабочей жидкости в напорной магистрали, что
положительно влияет на работоспособность насоса и трубопроводов базовой
машины. В качестве разделителя сред преимущественно используется эластичная
диафрагма, реже поршень с уплотнительными элементами.
Элементы корпуса собраны в одну конструкцию с помощью стяжных
шпилек, выполненных из высокопрочной стали. Внутри корпуса размещены
гидравлические каналы, соединяющие рабочие камеры, клапаны, распределитель
в единую функциональную систему
7
6
8
9
5
10
4
11
3
L
12
13
14
15
16
17
2
1
а)
б)
Рисунок 1.6 - Современные гидроударники: а – «Крупп»; б – «Раммер»:
1 – рабочий инструмент; 2 – усиленный контур; 3 – цилиндр; 4 – уплотнение; 5 – корпус;
6 – клапан; 7 – осевой амортизатор; 8 – золотник; 9 –воздушная камера; 10 – аккумулятор;
11 – кожух; 12 – боек; 13, 16 – пружинно-демпфирующие элементы;
14 – износостойкие втулки; 15 – планки; 17 – клыки.
Между торцом корпуса и кожухом расположены осевые амортизаторы 7,
снижающие силу отдачи, вызывающую ускоренное движение корпуса в
направлении противоположном движению бойка, на элементы конструкции
базовой машины. Амортизаторы также уменьшают амплитуду волны напряжения,
отражающейся от обрабатываемого материала после удара.
По контуру кожуха в нижней и средней части установлены предварительно
напряженные пружинно-демпфирующие элементы 13, 16 с износостойкой
поверхностью, которые выполняют функции радиальных амортизаторов и
звукоизоляторов. На кожухе предусмотрены места для крепления гидроударника на
стрелу (манипулятор) базовой машины, а также отверстия для демонтажа
специальных планок 15 при смене рабочего инструмента 1, которая производится
на
рабочей
площадке
при
переводе
машины
на
выполнение
другой
технологической операции.
Для эффективного использования гидроударника разработано несколько
типов инструментов, отличающихся геометрией граней, воздействующих на
объект (рисунок 1.7).
а)
б)
в)
г)
д)
е)
Рисунок 1.7 - Рабочие инструменты для современного гидроударника:
а – коническая кирка; б – плоское долото; в – плоский; г – трамбовка;д – лопата; е –
специальный для забивания стержней
Учитывая скорость перемещения бойка, которая в момент соударения с
инструментом достигает 10 м/с, и высокие нагрузки, возникающие в рабочем
инструменте и бойке, они и сопрягаемые с ними детали изготавливаются из
легированных сталей, прошедших термическую обработку, в результате которой
достигается высокая прочность и износостойкость поверхностей трения. В
зарубежных гидроударниках практически отсутствуют детали не прошедшие
термическую обработку. Для повышения герметичности детали подвижных пар
(боек – корпус, золотник – корпус) изготавливают по 5 – 7 квалитету точности с
высокой
чистотой
поверхности.
Повышение
надежности
обеспечивается
сокращением количества подвижных деталей до 5 – 6 [28].
Технический уровень гидроударника оценивается следующими параметрами:
ударной (выходной) мощностью, энергией удара, коэффициентом полезного
действия (КПД), металлоемкостью и плотностью энергии в сечении инструмента
[28].
Энергия удара определяет крепость разрушаемых пород, а ударная
(выходная) мощность – производительности гидроударника. КПД характеризует
технический уровень гидроударника по энергопреобразованию. Металлоемкость
может служить показателем совершенства и экономичности конструкции.
Как видно из гистограммы (рисунок 1.8) ударная мощность современных
гидроударников не превышает 60 кВт, при этом 155 моделей (67,4 %) имеют
мощность менее 20 кВт, причем 59 моделей – в диапазоне от 5,0 до 10,0 кВт
(рисунок 2.5). Следует отметить относительное увеличение числа моделей в
отдельных диапазонах мощности: 7,5 – 10,0; 15,0 – 17,5; 27,5 – 30,0 кВт, что
характерно при наличии параметрического ряда машин.
90
N
65
59
40
34 32
31
33
25
18
17 15
13
21
20
13 12
10
19
14
9 8 11 7
20
30
11
8
5 3
7
40
50
60
N ,кВт
Рисунок 1.8 – Гистограмма распределения гидроударников по ударной мощности
(выборка 228 моделей)
Тенденция к построению параметрических рядов нашла отражение в
гистограмме распределения гидроударников по энергии удара (рисунок 1.9),
анализ которого показывает, что относительное увеличение числа моделей
характерно для следующих диапазонов энергии удара: 250 – 500; 1750 – 2000;
2750 – 3000; 3250 – 3500; 4250 – 4500 и 4750 – 5000 Дж.
N,
шт
98
N
73
54
50
N=217 моделей
4234
18
16
11
98
0
1000
2000
3000
18
4000
8
3
5000
14
6000
7000
4
0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
3
1
6,0
8000
9000
ÏÓ
ÏÍ
А ,кДж
1
1
7,0
10000
8,0
9,0
Ау, кДж
Рисунок 1.9 - Гистограмма распределения гидроударников по энергии удара
(выборка 261 модель)
Как видно из гистограммы, около 74% (194 модели) гидроударников имеют
энергию удара менее 3000 Дж. Это связано с тем, что наибольшее количество
гидроударников предназначено для эксплуатации в строительстве на легких и
средних
экскаваторах,
параметры
которых
обеспечивают
эффективную
реализацию энергии до 3000 Дж. Такой энергии достаточно для выполнения таких
технологических операций как рыхление и уплотнение грунтов и строительных
материалов; разрушение отслуживших конструкций. Гидроударники с энергией
удара от 1000 до 4000 Дж нашли применение в горных машинах для оборки
кровли и проведения выработок, с энергией более 4000 Дж – для дробления
негабаритов.
Анализ гистограммы распределения гидроударников по КПД (рисунок 1.10,
а) показывает, что 106 моделей (44,5 %) имеют данный коэффициент в диапазоне
0,6 – 0,8, а 57 моделей (24 %) – 0,6 – 0,7. Более высокие значения КПД (0,45 – 0,9)
имеют гидроударники, причем у ряда моделей КПД более 0,8, поэтому
целесообразно
обратить
внимание
на
принципы
функционирования
и
возможности используемых схем с целью выбора рациональных решений для
повышения КПД.
Один из показателей совершенства и экономичности конструкции – удельная
металлоемкость, которая определена по соотношению: mуд = M /Aу, где М – масса
гидроударника; Ау – энергия единичного удара.
Анализ гистограммы (рисунок 1.10, б) показывает, что 135 моделей (60 %)
имеют металлоемкость от 0,3 до 0,6 кг/Дж, а большинство моделей (73 или 32,4 %)
– от 0,3 до 0,45 кг/Дж, т. е. удельная металлоемкость гидроударников находится на
уровне гидродвигателей и значительно меньше, чем у электромашин. Причем
удельная металлоемкость от 0,3 до 0,45 кг/Дж более характерна для
гидроударников с энергией удара от 3300 до 9000 Дж, а от 0,45 до 0,6 кг/Дж – для
моделей с энергией удара менее 3300 и более 9000 Дж.
N,
ш
т
16
52
73
14
62
3
2
3
50
25
0
0,3
mуд, кг/Дж
0,6
N,
5
7
ш
т
4
3
40
2
2
0,9
4
9
2
2
1
6
1
4
7
6
20 2
0
0,2
0,4
η
0,6
0,8
а)
б)
Рисунок 1.10 - Гистограммы распределения гидроударников:
а – по КПД (выборка 238 моделей): б – по удельной металлоемкости (225 моделей)
Отметим, что масса гидроударника зависит от свойств применяемых
материалов
и
размеров,
которые
являются
результатом
принимаемых
разработчиками решений, направленных на достижение заданных параметров,
необходимой
прочности
и
жесткости
определяется
технологическим
конструкции.
назначением
Длина
гидроударника,
инструмента
а
величину
поперечного сечения целесообразно рассчитывать из условия продольной
устойчивости
инструмента
при
передаче
энергии
удара.
Масса
бойка
представляется научно обоснованной, так как в результате ранее выполненных
исследований установлены соотношения масс бойка и инструмента, при которых
обеспечивается эффективность процессов передачи энергии и разрушения породы
в забое. Однако это не исключает поиска новых конструкторских решений
направленных на снижение массы гидроударника.
Таким образом, современный парк гидроударников объединяет более 300
моделей с различными параметрами, которые реализуются при использовании
насосных станций с давлением до 32 МПа и расходом до 480 л/мин. При этом
большинство моделей (более 60 %) имеет следующие показатели: КПД от 0,5 до
0,8; мощность от 5 до 25 кВт; энергию удара от 250 до 3000 Дж; удельную
металлоемкость от 0,3 до 0,6 кг/Дж; плотность энергии в инструменте от 0,12 до
0,30 Дж/мм2.
1.3. Математическое моделирование и исследование гидравлических
устройств ударного действия
Гидравлические объемные силовые импульсные системы и ударные
устройства,
значительно
характеристикам
широко
превосходящие
распространенные
по
своим
энергетическим
пневматические
устройства,
представляются перспективным техническим решением для реализации ударных
(для разрушения твердых материалов), а также безударных (для испытаний)
импульсных нагрузок, получают все большее применение в различных отраслях
промышленности [28] и являются предметом исследования отечественных и
зарубежных ученых.
Под "гидравлической силовой импульсной системой с гидроударными
устройствами", как отмечается в работе [7], "следует понимать преобразующую
установку
для
формирования,
при
использовании
энергии
жидкости
гидропривода, оптимальных импульсов воздействия. Гидравлическая импульсная
система включает гидравлический источник питания, энергетический блок,
формирующий из энергии жидкости привода оптимальные импульсы воздействия,
и блок управления системой, обеспечивающий режим дискретности".
Большой вклад в исследование рабочих процессов и формирование
теоретических
основ
расчета
и
проектирования,
а
также
в
создание
пневматических и гидравлических устройств ударного действия, импульсных
систем внесли отечественные и зарубежные ученые: Александров, О.Д. Алимов,
А.М. Ашавский, Б.В. Войцеховский, В.Ф. Горбунов, Д.Н. Ешуткин, Л.И. Кантович,
А.Ф. Кичигин, А.М. Кочкин, Ю.Д. Красников, А.Г. Лазуткин, И.Б. Матвеев, А.А.
Митусов, Г.Г. Пивень, В.В. Смирнов, В.Б. Соколинский, Б.В. Суднишников, Л.С.
Ушаков, А.И. Федулов, Г.В. Щепеткин, И.А. Янцен, Дрешер П., Сиппус Т. и др.
Ударный механизм – энергетический блок силовой импульсной системы,
преобразующий энергию жидкости в кинетическую энергию бойка массой m1,
который, совершая возвратно-поступательное движение, периодически наносит
удары по рабочему инструменту. Ударный механизм имеет, как минимум, две
рабочие камеры, из них одна или две управляемые.
В работе [22] отмечается, что множество схем однобойкового ударного
механизма с учетом возможных структур размещения рабочих камер и форм
бойка, а также различных схем подвода каналов к датчику состояния,
совмещенного с бойком, можно описать 1440 структурными формулами, а
множество
схем
гидроударников
с
распределительными
устройствами,
изменяющими площадь проходного сечения по заданному закону, – 1793
структурными формулами [15]. Это предопределяет большое разнообразие
возможных конструктивных решений гидравлических и гидропневматических
устройств ударного действия, если не ввести ограничений по показателям
эффективности энергопреобразования, устойчивости работы и др.
В работе [30] "синтезировано 25 возможных к практической реализации
структур", из которых выделено 8 наиболее перспективных по показателям экономичности энергопреобразования, в том числе гидропневмоударник с управляемой
гидравлической камерой холостого хода и неуправляемой пневматической
камерой рабочего хода, а также гидроударник с управляемой гидравлической
камерой рабочего хода.
Установлено
[8],
что
в
импульсной
системе
необходимо
иметь
гидропневматический аккумулятор в напорной магистрали, а при использовании
гидропневмоударника с управляемой камерой обратного хода и в сливной
магистрали. При этом определена рациональная степень сжатия газа в
гидропневмоаккумуляторе
и,
признана
возможной,
линеаризация
политропического процесса сжатия газа в гидропневмоаккумуляторе (при
показателе политропы 1,4 и степени сжатия ε = 1,2 –1,4 ошибка от линеаризации
не превышает 1,7 % [31]). Без сетевого аккумулятора в напорной магистрали при
"переключении
распределителя
возникают
пики
давления,
значительно
превышающие давление настройки предохранительного клапана", а при его
наличии
уменьшаются
"амплитуда
колебаний
давления
и
электрическая
мощность, потребляемая приводным электродвигателем", при этом увеличивается
частота ударов и КПД гидропривода [8].
Надежность ударного механизма в значительной степени зависит от
способности конструкции "гасить" энергию бойка нереализованную на разрушение
(деформацию) объекта. Исследованию устройств для поглощения ударных нагрузок
посвящены работы [32, 33], в которых отмечаются способы торможения
подвижных масс (бойка), особенности синтеза конструкции и закона торможения
гидропневмоприводов, компактность гидравлического тормоза встроенного типа, а
также преимущества его применения в машинах при высокой повторяемости
ударов.
Отмечается,
что
гидравлический
тормоз
имеет
более
жесткую
характеристику, при этом избыточная энергия подвижных масс рассеивается в виде
тепла при дросселировании жидкости через переменное сечение дроссельных окон.
Для проведения теоретических исследований разработаны динамические и
математические модели. Математическая модель – система дифференциальных
уравнений движения основных подвижных элементов гидроударника в рабочем
цикле, в котором выделяют две, три, четыре фазы [15], составленных на основе
закона Ньютона, теоремы об изменении кинетической энергии и количества
движения. Система дифференциальных уравнений дополняется уравнениями
гидродинамики, баланса расходов рабочей жидкости, неразрывности потока для
вязкой жидкости и др. В математической модели используются уравнения с
размерными
переменными
или
размерные
переменные
первичного
математического описания заменяют безразмерными [27].
Математические модели [8, 22, 25, 26, 27] разработаны с применением
допущений, из которых наиболее типичные следующие: все детали гидроударника
абсолютно жесткие; сила трения между бойком и корпусом постоянная по
величине, а между золотником и корпусом распределителя отсутствует;
запасенная бойком и золотником кинетическая энергия в крайних положениях
мгновенно поглощается внешней средой без перемещений и отдачи; органы
управления переключаются мгновенно; начало движения масс происходит после
полного разобщения полостей; реакция породы рассматривается как отскок бойка
после удара по инструменту; рабочая жидкость во всех полостях считается
неинерционной и несжимаемой; вязкость и плотность жидкости постоянны;
внутренние утечки рабочей жидкости через уплотнения и между подвижными
элементами отсутствуют; насосная установка обеспечивает постоянство расхода и
давления рабочей жидкости в начале напорного трубопровода.
Система дифференциальных уравнений, входящих в математическую модель,
представляет задачу Коши, в которой в качестве независимой переменной
выступает время t, а дополнительные (начальные) условия задаются в виде
значения перемещения и скорости подвижных элементов для момента времени t =
0.
Для численного решения задачи Коши, которое широко применяется в
различных областях науки и техники, разработано много методов [34], в их числе
одношаговые (для нахождения следующей точки на кривой требуется информация
лишь об одном предыдущем шаге) и многошаговые, в которых для отыскания
следующей точки требуется информация более чем об одной из предыдущих
точек. Дифференциальные уравнения математической модели гидроударника
решаются методом Рунге-Кутта совместно на каждом шаге, при этом конечные
данные предыдущего шага являются начальными для последующего шага.
Реализации математических моделей осуществлялись с применением ЭВМ
[22] или аналоговой электронно-моделирующей установки [8]. Программное
обеспечение разрабатывалось специально на языках Фортран [22], Бейсик [7] или
базировалось на встроенных функциях MathCAD [26].
Таким образом, в научных трудах получили развитие классификация и синтез
структур машин ударного действия, математическое моделирование систем и
процессов, методы экспериментальных и теоретических исследований; отражены
новые качественные и количественные зависимости, связывающие конструктивные
и режимные параметры устройств ударного действия различной структуры и
назначения; сформулированы требования к силовым импульсным системам.
Причем опережающее развитие получили исследования пневматических
устройств, работающих на доступном энергоносителе (воздухе), а также
гидропневматических
и
гидравлических
устройств
ударного
действия
с
управляемой камерой обратного хода [7, 8, 9, 17, 23, 24, 31], обеспечивающих
получение энергий удара заданного уровня при использовании гидропривода
мощностью до 15 кВт, который имеется на технологических машинах.
В
результате
пневматических
сформирована
и
теория
гидравлических
расчета
устройств
и
проектирования
ударного
действия
соответствующего энергетического уровня – отбойные и бурильные молотков,
разработаны математические модели, достаточно полно описывающие их рабочий
цикл, создан ряд эффективных машин выпускаемых серийно [6, 17, 23].
Между тем в отдельных работах [21] отмечается, что гидроударник с
управляемой камерой рабочего хода имеет простую структуру и относительно
высокий КПД, поэтому данную схему можно отнести к перспективным по
энергопреобразованию.
В работе [22] изложен иной подход к моделированию гидроударников.
"Программа имитации построена по модульно-агрегатному принципу", т. е.
отдельные функциональные элементы описаны как модули, а "связь между ними
учитывается соответствующими операторами". "В основу реализации программы
имитации положен принцип последовательного автономного моделирования работ
модулей-агрегатов на шаге Т". При этом в работе рассматриваются возможные
схемы, но не выделены перспективные по конкретным параметрам и отсутствуют
рекомендации,
которые
могут
служить
основой
для
проектирования
гидроударников для ударно-скалывающих исполнительных органов горных
машин.
Таким образом, представляется целесообразным для создания ударноскалывающих
математические
исполнительных
модели
и
органов
методики
горных
расчета,
машин
позволяющие
рациональные конструктивные параметры гидроударников.
использовать
определить
Выводы
Одним из перспективных способов разрушения пород повышенной
1.
крепости
признан
механический
удар.
Машины
с
ударно-скалывающим
исполнительным органом нашли широкую область применения в различных
отраслях промышленности, так как разрушают породы и полезные ископаемые в
массиве с сопротивлением на сжатие (σсж) до 10 МПа, а при вторичном дроблении
– до 18 МПа, экологически безопаснее буровзрывных работ, обеспечивающих
разрушение аналогичных материалов и пород.
Технологические машины с ударно-скалывающим исполнительным
2.
органом избирательного действия имеют сложную структуру. Использование
гидроударника и гидродвигателей во все функциональных органах, можно
мощность
машины
сосредоточить
в
насосной
станции
и
рационально
распределять между работающими органами или передавать одному из них.
3.
В исполнительных органах технологических машин с гидроприводом
целесообразно использовать гидравлические устройства ударного действия,
которые сочетают мощность, компактность и безопасность в эксплуатации. Масса и
компактность гидроударника имеют большое значение, учитывая его консольное
расположение на манипуляторе и стесненное пространство горной выработки.
4.
Известно свыше 300 моделей гидравлических устройств ударного
действия с энергией удара от 45 Дж (ручной отбойный молоток) до 320000 Дж
(сваепогружающий молот), из которых большинство имеют мощность до 20 кВт,
энергию удара от 250 до 3000 Дж, КПД в диапазоне 0,6 – 0,8, металлоемкость от
0,3 до 0,6 кг/Дж.
5.
Целесообразно, учитывая результаты ранее выполненных исследований
гидравлических устройств ударного действия, разработать математическую
модель, пополнить и уточнить знания о динамике гидроударника с управляемой
камерой рабочего хода.
2 ВЫБОР ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ
ГИДРОУДАРНИКОВ
СХЕМЫ
И
КОМПОНОВКИ
2.1. Выбор принципиальной схемы гидроударника
Ударный исполнительный орган технологической машины предназначен для
выполнения наиболее энергоемкой технологической операции – разрушения
горных пород и полезных ископаемых. К исполнительным органам ударного
действия горных машин, предназначенных для эксплуатации в стесненных
пространствах подземных выработок, предъявляются следующие требования:
 энерговооруженность
ударного
устройства
должна
обеспечивать
эффективное отделение горных пород и полезных ископаемых, как со свободной
поверхности забоя, так и в труднодоступных местах;
 манипуляционные
возможности
исполнительного
органа
должны
обеспечивать оптимальные условия взаимодействия инструмента с массивом по
всей зоне обрабатываемого забоя;
 в конструкции должны сочетаться высокая мощность с относительно
небольшими габаритами;
 технический уровень изготовления и совершенства конструкции машины
должен соответствовать современным требованиям, предъявляемым к очистным и
проходческим горным машинам.
Принципиальная схема и конструкция гидроударника для горной машины,
должны обеспечить получение заданной энергии удара при рациональном
использовании установленной мощности базовой машины и малых габаритах, а
также
и
соответствовать
современным
тенденциям
проектирования
гидравлических устройств ударного действия.
При создании гидроударников разработчики используют различные
принципиальные схемы. Так в работе [28] приведены 23 принципиальные схемы
гидроударников, разработанных зарубежными фирмами «Коне», «Раммер»,
«Крупп», «Галлик Добсон», «Ингерсолл Ренд», «Фурукава», NPK, «Окада»,
«Монтабер», и организациями СНГ. Схемы, лежащие в основе гидроударников с
КПД более 0,5, приведены на рисунке 2.1.
А
А
К
Ак
Б
Б
Ак
КУ2
КУ1
К
а)
Б
КУ2
КУ1
б)
Б
А
А
КУ1
ДС
КУ1
Ак
КУ2
в)
г)
А
Б
Ак
КУ1
КУ2
д)
Рисунок 2.1 - Схемы принципиальные гидроударников:
а – В200; б – серии HD; в – серии GD; г – серии BRH; д – серии HM;
А – камера рабочего хода; Б – камера обратного хода; КУ1, КУ2 – полости
управления распределителя; Ак – гидропневматический аккумулятор;
К – клапан; ДС – датчик состояния
КУ2
В представленных схемах можно выделить следующие основные элементы:
боек, образующий с корпусом камеры рабочего А и обратного Б хода;
двухпозиционный распределитель рабочей жидкости с камерами управления КУ1
и КУ2; датчик положения бойка, формирующий сигнал управления для
переключения распределителя; гидропневмоаккумулятор Ак высокого давления.
Как видно, преобладают схемы (см. рисунок 2.1, а, б, г, д) с управляемой
гидравлической
камерой
А
рабочего
хода,
которые
являются
основой
гидроударников. Одна схема (см. рисунок 2.1, д) с управляемой гидравлической
камерой Б обратного хода и неуправляемой газовой камерой А рабочего хода,
которая используется в гидропневмоударниках серии GD фирмы «Галлик
Добсон».
Для поочередного сообщения управляемой камеры с напорной и сливной
магистралями используется двухпозиционный распределитель преимущественно
с гидравлическим (см. рисунок 2.1, а, б, в, д) и реже с комбинированным, т.е.
механическим и гидравлическим (см. рисунок 2.1, г), управлением.
Сигнал управления в камеру КУ1 или КУ2 поступает от датчика положения
бойка, функции которого выполняет боек (см. рисунок 2.1, б, д) или проточки на
одной (см. рисунок 2.1, г) или двух (см. рисунок 2.1, а) его ступенях. В
гидропневмоударнике (см. рисунок 2.1, в) сигнал управления поступает от датчика
состояния ДС, который в зависимости от давления газа в камере А рабочего хода
занимает одно из двух положений и подает сигнал в камеру КУ1 или КУ2. Датчик
состояния одновременно контролирует давление в камере А рабочего хода,
поэтому при недостаточном давлении не переключается и гидропневмоударник не
завершает рабочий цикл, выключается.
В других схемах (см. рисунок 2.1, а, б) для контроля давления и зарядки
гидропневмоаккумулятора высокого давления, обеспечивающего рациональные
параметры рабочего хода бойка, введен дополнительный клапан К давления,
который исключает переключение распределителя, если давление ниже заданного
для начала рабочего хода бойка.
Учитывая результаты ранее проведенных исследований [7, 8, 21, 30],
представляется возможным при проектировании гидроударника использовать, в
соответствии с располагаемой напорно-расходной характеристикой насосной
станции базовой машины, гидрокинематическую схему с управляемой камерой
рабочего хода и дифференциальным включением бойка (рисунок 2.4, а) или с
управляемой камерой обратного хода и автономной пневматической камерой
рабочего хода (рисунок 2.4, б).
А
Б
А
Б
Ак3
P
Ак1
P
КУ1
КУ2
Ак2
КУ2
КУ1
Ак1
Ак2
а)
б)
Рисунок 2.2 - Схемы принципиальные:
а – гидроударника с управляемой камерой рабочего хода и дифференциальным
включением бойка; б – гидропневмоударника с управляемой камерой
обратного хода и пневматической камерой рабочего хода;
А – камера рабочего хода; Б – камера обратного хода; Р – распределитель;
КУ1, КУ2 – камеры управления распределителя; Ак1, Ак2, Ак3 – гидропневматический
аккумулятор напорной, сливной магистрали и камеры рабочего хода, соответственно
Принимая во внимание результаты исследований [21, 30], в качестве базовой
примем схему гидроударника с управляемой камерой рабочего хода и
дифференциальным включением бойка.
2.2. Выбор компоновки ударного механизма с датчиком положения бойка
Одна из характеристик гидроударника – ударная мощность указывает на
потенциальные возможности механизма по реализации установленной мощности
базовой машины. В работе [7, 28] отмечается, что большинство исследователей
связывают эффективность процесса разрушения горных пород с энергией удара, а
частоту ударов, входящую составной частью в ударную мощность, рассматривают
только в плане достижения определенного уровня производительности при
выполнении технологической операции. Создаваемая ударная (выходная) и
потребляемая
гидроударником
мощности
определяют
КПД,
который
характеризует совершенство конструкции устройства ударного действия.
Принципиальная схема и конструкция создаваемого гидроударника для
технологической машины, должны обеспечить получение заданной энергии удара
при рациональном использовании установленной мощности базовой машины и
соответствовать
современным
тенденциям
проектирования
гидравлических
устройств ударного действия. Конструктивно гидроударник целесообразно
выполнить в виде отдельных функциональных блоков (модулей): ударного
механизма (импульсного преобразователя); инструмента; блока управления; блока
стабилизации давления жидкости (гидропневмоаккумулятора), что позволит в
большей
степени
унифицировать
узлы
и
детали,
упростить
процессы
производства, технического обслуживания и ремонта [15].
Схема
гидроударника
с
управляемой
камерой
рабочего
хода
и
дифференциальным включением бойка (см. рисунок 2.2, а) предполагает наличие
трехступенчатого бойка, двух рабочих камер – обратного и рабочего хода,
гидроуправляемого
двухпозиционного
распределителя,
переключаемого
по
положению бойка, включение гидроударника по нагрузке на инструменте, работу в
автоматическом режиме и выключение в случае "прострела" – отсутствия забоя
перед инструментом.
По данной схеме при рабочем ходе бойка жидкость из камеры обратного
хода переливается через распределитель в камеру рабочего хода, что существенно
снижает потери энергии на преодоление гидравлических сопротивлений. При
обратном ходе боек вытесняет отработанную жидкость из камеры рабочего хода
по сливному трубопроводу в маслобак один раз за цикл. В этот же период
происходит подача рабочей жидкости от насоса в камеру обратного хода и в
гидропневмоаккумулятор.
Переключение
распределителя
производится
автоматически по положению бойка два раза за цикл.
Для уменьшения влияния вибрации корпуса, возникающих при движении
бойка, на стабильность переключения распределителя целесообразно их оси
расположить перпендикулярно. Учитывая, что гидроударник предназначен для
эксплуатации в стесненных условиях горных выработок, необходимо иметь
компактную конструкцию с минимально возможными массой и габаритными
размерами [15].
Габаритный размер гидроударника по длине зависит от осевых размеров
инструмента и бойка, величины рабочего хода последнего, а по ширине от
размеров распределителя.
Длина инструмента определяется рабочей длиной (вне корпуса) и длиной
хвостовика (в корпусе). Рабочая длина зависит от технологического назначения
гидроударника, а длина хвостовика – от величины совместного хода с бойком и
длины поверхности сопрягаемой с корпусом, которая пропорциональна диаметру
инструмента, определяемого из условия прочности и продольной устойчивости
при передаче энергии удара. Длина бойка определяется величиной перемещения в
период разгона lраз, сопровождения инструмента lс, торможения lт, компоновкой
датчика положения, размерами его расточки lр и перекрытия lп между расточками.
Таким образом, уменьшение длины гидроударника возможно за счет выбора
компоновки элементов датчика положения, обеспечивающей минимальную длину
бойка при заданных энергетических параметрах, от которых зависят величины: lраз, lс, lт.
В работе [35] рассмотрены четыре варианта (рисунок 2.3) компоновки бойка и
корпуса ударного механизма с проточками и расточками датчика положения бойка. В
число выбранных вошли технически осуществимые варианты с минимальным
количеством расточек и проточек, расположенных между рабочими камерами, причем в
следующей последовательности от камеры обратного хода Б: напорная, управления,
слива.
Вариант I (рисунок 2.3, а). Датчик выполнен в виде трех расточек,
расположенных в корпусе группой на расстоянии lп, обеспечивающем герметизацию,
и двух проточек на бойке шириной 2lр + lп, разнесенных на величину разгона бойка
lраз.
Вариант II (рисунок 2.3, б). Расточки в корпусе разнесены на величину
разгона бойка lраз, а проточка на бойке одна широкая – (lраз + lр).
Вариант III (рисунок 2.3, в). Расточки в корпусе разнесены, средняя
(управления) расширена до размера (lраз – lп), а проточка на бойке одна узкая – (2lр+
lп).
Вариант IV (см. рисунок 2,3, г). В корпусе выполнены две расточки –
управления и слива, расположенные на расстоянии перекрытия lп, а расточка
напорной магистрали отсутствует (вырождена), её функцию выполняет расточка lс
подвода рабочей жидкости в камеру обратного хода, которая постоянно находится
под номинальным давлением. На бойке выполнена одна узкая проточка величиной
(2lр + lп).
LКI
lт lс
lп
lраз
lр
Б
А
lраз+lт+lc lпlп+2lр lраз
lт+lc+lп lраз+lт+lc
LБI
а)
LКII
lр
lт lс
lраз
lраз+lт+lc lраз+lр+lпlраз+lр lраз+lт+lc+lп lраз+lт+lc
LБII
б)
LКIII
lт lс
lраз
lп
lр
lраз+lт+lc lраз+lр+lп
lраз+lт+lc+lп lраз+lт+lc
LБIII
в)
LКIV
lт lс
lраз
lп
lр
lраз+lт+lc
lраз lп+2lрlт+lс+lп lраз+lт+lc
LБIV
г)
Рисунок 2.3 - Компоновка ударного механизма с датчиком положения бойка
Судя по полученным данным (таблица 2.1), наименьшую длину боек и корпус имею при
выполнении компоновки по варианту IV [35]
Таблица 2.1 – Конструктивные размеры бойка и корпуса
Вариант
Длина бойка, LБ, м
Длина корпуса, LК, м
I
0,63
0,46
II
0,75
0,58
III
0,69
0,52
IV
0,57
0,40
Формулы, описывающие длины бойка и корпуса, выполненных по
варианту IV имеют вид:
LБIV = 3lраз + 3lт + 3lс + 2lр + 2lп;
(2.1)
LКIV = 2lраз + 2lт + 2lс + 2lр + 2lп.
(2.2)
В формулах (2.1) и (2.2) не учтена длина 2lвт втулок с уплотнительными
элементами, охватывающих концевые ступени бойка и закрывающих осевое
отверстие в корпусе.
Следовательно, с целью уменьшения длины и массы ударного механизма
при создании гидроударника с управляемой камерой А рабочего хода
рационально использовать вариант IV компоновки датчика положения бойка. В
данных вариантах имеется резерв увеличения длины и массы бойка с целью
достижения рационального соотношения масс бойка и инструмента, при котором
формируется импульс силы, обеспечивающий эффективное разрушение горной
породы.
Масса
инструмента
зависит от свойств используемого материала,
конструктивных размеров, которые определяются из условия продольной
устойчивости при передаче расчетной энергии удара в массив.
Масса бойка определяет энергию и скорость удара, а также влияет на
надежность пары боек – корпус, работающей в режиме интенсивного трения при
скорости
относительного
перемещения,
которая
ограничивается
преимущественно свойствами материалов инструмента и бойка величиной 11
м/с.
Поэтому важно минимизировать параметр pv (p – давление в паре, v –
скорость движения). Так как давление в паре прямопропорционально массе, то
при всех равных условиях для анализа можно принять количество движения mбv,
что упрощает анализ. С учетом принятого допущения проведены расчеты массы
бойка и количества движения mбv для различных значений энергии и скорости
соударения бойка и инструмента. Результаты расчетов сведены в таблице 2.2.
Таблица 2.2 – Соотношение скорости соударения, массы бойка и энергии удара
Скорость
соударения,
v, м/с
Энергия удара A, Дж
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
7
40,8
235, 6
81, 6
571, 2
122, 4
856,8
163,3
1143,1
204,1
1428, 7
8
31, 2
249, 6
62,5
500
93, 7
749, 6
125
1000
156, 2
1249, 6
187, 5
1500
218, 7
1749, 6
9
24, 7
222,3
49,5
445,5
74,1
666,9
98,8
889, 2
123, 4
1110, 6
148,1
1332,9
172,8
1555, 2
197,5
1777,5
10
20, 0
200, 0
40, 0
400, 0
60, 0
600, 0
80, 0
800, 0
100, 0
1000, 0
120, 0
1200, 0
140, 0
1400, 0
160, 0
1600, 0
11
16,5
181,5
33,1
364,1
49, 6
545, 6
66,1
727,1
82, 6
908, 6
99, 2
1091, 2
115, 7
1272, 7
132, 2
1454, 2
mб
mб
Анализ результатов показывает, что с увеличением скорости соударения
бойка и инструмента в 1,5 раза происходит снижение массы бойка в 2,25 раза и
количества движения (mбv) – в 1,5 раза. Причем удельная металлоемкость бойка
не зависит от энергии удара и при максимальной допустимой скорости (11 м/с)
составляет 0,0165 кг/Дж.
Масса и скорость соударения бойка и инструмента гидроударников ударноскалывающих исполнительных органов горных машин с энергией удара 1000, 4000
и 8000 Дж, с вылетом инструмента 500 мм, рассчитанные с учетом соотношений
масс бойка и инструмента mб/mи = 1..2, рекомендованных [8] для разрушения
крепких пород и передачи максимальной энергии в массив, приведены в таблице
2.3.
Итак, можно создать гидроударники с энергией удара от 1000 до 8000 Дж, не
превышая допустимую скорость соударения бойка и инструмента – 11,0 м/с. Но для
достижения главной цели – разрушения горной породы необходимо проектировать
боек с массой, соответствующей рациональному соотношению с массой
инструмента, не смотря на возрастающую удельную металлоемкость бойка
(таблица 2.3), которая при энергии удара 8000 Дж превышает минимально
возможную на 43,7 %.
Таблица 2.3 – Масса и скорость соударения бойка и инструмента гидроударника
Энергия Плотность
Масса
Масса бойка при
удара,
энергии в инструмента, соотношении mб/mи
Дж
инструменте,
кг
1
2
2
Дж/мм
1000
16,5
16,5
33,0
4000
80,0
80,0
0,3
160,0
8000
190,0
190,0
380,0
Удельная
Скорость
металлоемко соударения,
сть бойка,
м/с
кг/Дж
0,0165
11,0
0,0330
7,8
0,0200
10,0
0,0400
7,1
0,0238
9,2
0,0476
6,5
Таким образом, удельная металлоемкость бойка зависит от энергии удара,
соотношения масс бойка и инструмента, и может быть понижена при изыскании
средств повышения устойчивости инструмента при передаче энергии в массив.
2.3. Структура рабочего цикла гидроударника с управляемой камерой
рабочего хода
Гидроударник,
воздействующий
на
массив
горной
породы,
можно
представить как механическую систему, состоящую из четырех тел, в которую
входят: корпус, боек, золотник и массив обрабатываемого материала. Для
разработки математической модели целесообразно выделить характерные такты,
составляющие рабочий цикл гидроударника и характеризующиеся новым
состоянием одного из элементов системы, и их границы.
В качестве исходного принято положение, при котором инструмент и корпус
прижаты к массиву горной породы статической силой Ns, боек, смещенный
инструментом, занимает в неподвижном корпусе позицию с координатой l3.
1 такт (рисунок 2.4, а). Массив, корпус и золотник в неподвижном
состоянии. Инструмент и корпус прижаты к массиву статической силой Ns.
Камера рабочего хода сообщена со сливной магистралью (золотник открыт). Боек
под действием жидкости, поступающей из напорной магистрали, совершает
поступательное движение – обратный ход, изменяя положение в пределах l3 < y <
l3 + l4. Жидкость из камеры рабочего хода вытесняется бойком через
распределитель и сливную магистраль в маслобак. На входе в гидроударник
давление жидкости ниже давления создаваемого насосом на величину потерь
давления в напорном трубопроводе от насоса до гидроударника. Давление
сливной магистрали определяется ее сопротивлением и скоростью движения
жидкости. Возможна зарядка гидропневмоаккумулятора. Завершается первый
такт, когда боек займет позицию с координатой l3 + l4.
2 такт (рисунок 2.4, б). Массив и корпус неподвижны. Боек открывает
канал, по которому жидкость из камеры обратного хода поступает в камеру
управления золотника, и совершает поступательное движение в пределах l3 + l4 <
y < l3 + l4 + l5. Золотник, совершая поступательное движение в пределах 0 < x < l1,
перекрывает
канал,
соединяющий
камеру
рабочего
хода
со
сливным
трубопроводом, и вытесняет жидкость из камеры возврата в напорную
магистраль. Увеличивается гидравлическое сопротивление золотника как
дросселя
с
уменьшающимся
проходным
сечением.
Возможна
зарядка
гидропневмоаккумулятора.
3 такт (рисунок 2.4, в). Массив и корпус неподвижны. Боек завершил
обратный ход и сохраняет неподвижное состояние в крайнем положении с
координатой y = l3 + l4 + l5. Золотник отсек камеру рабочего хода от сливного
трубопровода и движется в зоне перекрытия, изменяя положение в пределах l1 <
x < l1+l0. Происходит зарядка гидропневмоаккумулятора.
4 такт (рисунок 2.4, г). Массив и корпус неподвижны. Золотник открывает
канал соединяющий камеру рабочего хода с напорной магистралью, перемещаясь
в пределах l1 + l0 < x < l1 + l0 + l2. Уменьшается гидравлическое сопротивление
золотника как дросселя с увеличивающимся проходным сечением. Боек под
действием жидкости, поступающей из напорной магистрали в камеру рабочего
хода, начинает движение в направлении инструмента (рабочий ход). Координата
y его положения изменяется от l3 + l4 + l5 до l3 + l4, скорость движения
увеличивается до значения v = Qн/(Sр.х. – Sо.х.).
l5
l4
а)
l5
б)
l5
в)
г)
l4
l5
д)
е)
ж)
з)
l3
l3
l3s
s
и)
к)
Рисунок 2.4 - Схемы тактов (1 – 10) рабочего цикла гидроударника с
управляемой камерой рабочего хода
5 такт (рисунок 2.4, д). Массив и корпус неподвижны. Золотник занимает
крайнее положение с координатой x = l1 + l0 + l2, открывая полностью канал,
сообщающий камеру рабочего хода с напорной магистралью. Боек продолжает
рабочий ход, координата y его положения изменяется от l3 + l4 + l5 до l3 + l4,
скорость движения превышает значение v = Qн/(Sр.х. – Sо.х.). В камеру рабочего хода
поступает жидкость от насоса и из гидропневмоаккумулятора, при этом
происходит понижение давления в камере рабочего хода.
6 такт (рисунок 2.4, е). Массив, корпус и золотник находятся в неподвижном
состоянии. Боек продолжает рабочий ход в направлении инструмента, координата
y его положения изменяется от l3 + l4 до l3. В камеру рабочего хода поступает
жидкость от насоса и из гидропневмоаккумулятора. В связи с его разрядкой
понижается давление в напорной магистрали. При достижении бойком
координаты l3 происходит удар бойка по инструменту.
7 такт (рисунок 2.4, ж). Корпус сохраняет неподвижное состояние. Боек
продолжает движение совместно с инструментом (сопровождение) при этом
координата его положения изменяется от l3 до 0, а скорость уменьшается от vу до
0. Во время сопровождения инструмента кинетическая энергия бойка переходит в
энергию деформации (разрушения) массива. На боек действует сила давления
рабочей жидкости со стороны камер рабочего и обратного хода и сила
сопротивления Fm со стороны горного массива, которая создает дополнительное
давление (Fm/Spx), передаваемое по магистрали в камеру управления КУ1 и
действующее на площадь Sм. Датчик положения, в виде проточки на бойке,
сообщает камеру управления КУ2 золотника со сливной магистралью. Золотник
начинает движение в обратном направлении, изменяя координату от l1+l0+l2 до l1+l0,
и перекрывает канал, сообщающий напорную магистраль с камерой рабочего хода.
Жидкость протекает через уменьшающееся проходное сечение золотника (дроссель
переменного сечения). Когда скорость бойка становится меньше значения v = Qн/
(Sр.х. – Sо.х.), жидкость из напорной магистрали частично поступает в
гидропневмоаккумулятор.
Возможно
три
варианта
развития
физического
процесса
внедрения
инструмента в массив горной породы:
10,5mбvу2 > Fml3 – при данном сопротивлении забоя не вся энергия,
накопленная бойком, передается забою при внедрении инструмента на величину l3
и возможно продолжение движения бойка;
20,5mбvу2 = Fml3 – вся энергия, накопленная бойком, полностью передается
забою при внедрении инструмента на величину l3;
30,5mбvу2 < Fml3 – энергии, накопленной бойком, недостаточно для внедрения
инструмент на величину l3.
8 такт (рисунок 2.4, з). Корпус сохраняет неподвижное состояние. Боек,
возможно, продолжает сопровождение инструмента при развитии процесса
внедрения по третьему варианту. В массиве материала происходят процессы,
связанные с изменением его напряженного состояния. Золотник перемещается в
зоне перекрытия, изменяя координату от l1 + l0 до l1, т. е. все каналы закрыты.
Жидкость из напорной магистрали поступает в гидропневмоаккумулятор.
9 такт (рисунок 2.4, и). Часть массива деформирована или разрушена.
Инструмент упирается в не разрушенную горную породу массива. Золотник
продолжает движение, изменяя координату от l1 до 0, и сообщает камеру рабочего
хода со сливной магистралью. По мере открытия сливной магистрали корпус под
действием постоянной силы (Ns) начнет движение в сторону массива горной
породы, а жидкость из камеры рабочего хода вытесняется через канал
увеличивающий проходное сечение. Систему координат целесообразно связать с
бойком, сохраняющим неподвижное состояние.
10 такт (рисунок 2.4, к). Инструмент и боек сохраняют неподвижное
состояние. Корпус под действием постоянной силы Ns продолжает движение в
сторону горного массива на величину внедрения инструмента. При этом боек и
золотник остаются неподвижными. Корпус, пройдя соответствующее расстояние,
соприкасается с инструментом, контактирующим с не разрушенной частью
массива, и образует с массивом единое целое. Боек, смещаемый инструментом
относительно движущегося корпуса, занимает по отношению к корпусу
положение с координатой l3. Камера управления золотника отсекается от сливной
магистрали.
Система занимает исходное положение. Цикл повторяется.
Таким образом, рабочий цикл гидроударника с управляемой камерой
рабочего хода состоит из 10 характерных тактов. Разрабатывать математическую
модель, описывающую 10 тактов, целесообразно для глубокого исследования
кинематики
и
динамики
конструктивных
рабочего
параметров
цикла,
гидроударника,
что
возможно
для
при
определения
знании
которых
целесообразно воспользоваться упрощенной моделью, описывающей основные
четыре такта (рисунок 2.5):
– обратный ход (боек совершает поступательное движение в пределах l3 < y <
l3 + l4 + l5);
– переключение распределителя в положение «рабочий ход» (золотник
совершает поступательное движение в пределах 0 < x < l1+l0 +l2);
а)
б)
в)
г)
Рисунок 2.5 - Схемы тактов (1 – 4) рабочего цикла гидроударника с управляемой
камерой рабочего хода
– рабочий ход (боек совершает движение в обратном направлении, изменяя
координату от l3 + l4 + l5 до l3);
– переключение распределителя в положение «обратный ход» (золотник
движется в обратном направлении, изменяя координату от l1+l0+l2 до 0).
Выводы
1Представляется возможным при проектировании гидроударника с значением
КПД более 0,7 использовать, в соответствии с располагаемой напорно-расходной
характеристикой насосной станции базовой машины, гидрокинематическую схему
с управляемой камерой рабочего хода и дифференциальным включением бойка.
2Установлена компоновка ударного механизма с датчиком положения,
обеспечивающая минимальные конструктивные размеры гидроударника при
заданной энергии удара, которая реализуется только при использовании схемы с
управляемой камерой рабочего хода, позволяющей совместить расточку напора
датчика положения с камерой обратного хода. Данная компоновка создает резерв
увеличения длины и массы бойка с целью достижения рационального
соотношения масс бойка и инструмента, при котором формируется импульс силы,
обеспечивающий эффективное разрушение горной породы.
3Удельная металлоемкость зависит от энергии удара, соотношения масс
бойка и инструмента, и может быть понижена за счет уменьшения длины корпуса,
которое обеспечивает выбранная компоновка и изыскания средств повышения
устойчивости инструмента и снижения его массы.
4Признано целесообразным, для определения конструктивных параметров
гидроударника при заданных параметрах насосной станции и энергии удара,
разработать упрощенную математическую модель, описывающую состояние
гидроударника в четырех основных тактах.
3
РАСЧЕТ
ПАРАМЕТРОВ
И
РАЗРАБОТКА
КОНСТРУКЦИИ
ГИДРОУДАРНИКА
3.1. Методика инженерного расчета конструктивных параметров
ударного механизма гидроударника с управляемой камерой рабочего
хода
Для определения параметров ударного механизма, таких как, площади камер
обратного и рабочего хода, рабочий ход и масса бойка, усовершенствована
методика инженерного расчета параметров гидроударника с управляемой камерой
рабочего хода.
Чтобы установить зависимости для расчета площадей рабочих камер So.x. и
Sp.x., рассмотрена упрощенная модель гидроударника, то есть без распределителя и
датчика положения бойка.
В качестве исходных данных приняты следующие параметры: энергия
единичного удара A, номинальное давление pн и подача Q рабочей жидкости,
степень сжатия ε газа в гидропневмоаккумуляторе, допустимые величины силы
отдачи Rот и скорости соударения бойка с инструментом vу, а также длины lсл, lн и
диаметры dсл, dн подводящих трубопроводов.
При рабочем ходе бойка давление жидкости в камере рабочего хода
p
pmin  н
ε
изменяется от максимального давления pmax = pн - ∆pн до минимального
.
Потери на трение в напорной магистрали ∆pн, определны по формуле Дарси:
pн  λ н
lн 8ρQн2 

d н π 2 dн4
,
где λн – коэффициент сопротивления напорного трубопровода;
lн, dн – длина и диаметр напорного трубопровода;
ρ – плотность рабочей жидкости;
Qн – подача рабочей жидкости насосом.
(3.1)
Площадь камеры рабочего хода при дифференциальном включении бойка
Sp.x. = So.x. + Sp,
(3.2)
где
Sp – эффективная площадь камеры рабочего хода, давление жидкости на
которую создает силу, разгоняющую боек.
Эффективная площадь камеры рабочего хода определена из условия
воздействия гидроударника на манипулятор:
Sp 
Rот = Sp·pmax
Rот
pmax
(3.3)
Работа по перемещению бойка (энергию бойка в момент соударения с
инструментом), с учетом формулы (3.3):
A  Sp 
R  1ε
pmax  pmin
lp.x.  от
2
2ε

lp.x.
,
отсюда величина рабочего хода бойка:
2εA
lp.x. 
Rот  ε  1
(3.4)
(3.5)
Площадь камеры обратного хода определим из условия равномерного
движения бойка при обратном ходе
p  pmin
So.x. max
  So.x.  S pсл  p б f m g cosα
 б m g sinα 0 
2
, (3.6)
где ∆pсл – давление жидкости в камере рабочего хода при взводе бойка;
mб – масса бойка;
 – угол наклона оси гидроударника относительно горизонтали.
Массу бойка определим из уравнения кинетической энергии
mб 
2A
ν 2у
,
где νу – допустимая скорость бойка в момент удара по инструменту.
(3.7)
Так как в конце сливного трубопровода избыточное давление равно нулю, то
давление жидкости в камере рабочего хода при обратном ходе соответствует
потерям давления на трение в сливном трубопроводе, которые определим по
формуле Дарси:
pсл  λ сл
lсл 8ρQсл2 

d сл π 2 d сл4
,
где λсл – коэффициент гидравлического трения в сливном трубопроводе;
(3.8)
lсл, dсл – длина и диаметр сливного трубопровода;
Qсл – расход рабочей жидкости в сливном трубопроводе.
При дифференциальном включении бойка объемная постоянная ударного
механизма соответствует объему камеры рабочего хода. За время обратного хода
необходимо заполнить рабочий объем гидроударника, при этом часть жидкости,
помимо камеры обратного хода, поступает в гидропневмоаккумулятор, и такой же
объем необходимо слить в резервуар, поэтому расход в сливном трубопроводе Qсл
равен подаче насоса Qн.
Подставив формулу (3.8) в уравнение (3.6) и проведя преобразования,
определим площадь камеры обратного хода:
lсл 8ρQсл2 
сл

Sp mб g  f cosα
 sinα 
dсл π 2 dсл4
So.x. 
pmax  pminсл
l сл 8ρQ 2 
 λ сл
 2 4
2π
dсл
dсл
Скорость обратного хода бойка можно оценить по формуле:
Q
ν вз  сл
Sp.x.
Время обратного хода определим по формуле:
l
tвз  p.x.
ν вз
Чтобы
найти
скорость
равноускоренного движения:
разгона
бойка
(3.9)
(3.10)
(3.11)
запишем
уравнение
для
ma 
pmax  pmin
 Sp.x.  So.x. 
2
lp.x. 
(3.12)
ν 2раз  ν 02
Выразив ускорение из формулы
2a
и подставив в уравнение (3.12),
определим скорость разгона бойка:
ν раз 
lp.x.  pmax  pmin  S p
m
(3.13)
Время разгона бойка определим по следующей формуле:
tраз 
2 lp.x.
ν раз
(3.14)
Запас гидропневмоаккумулятора, необходимый для поддержания расхода в
период рабочего хода бойка
V   Sp.x.  So.x.  lp.x.
или с учетом (4.3)
R
V  от lp.x.
pmax
(3.15)
Чтобы накопить этот объем жидкости необходимо определить вместимость
гидропневмоаккумулятора, то есть максимальный объем его газовой полости.
Воспользуемся уравнением для политропического расширения-сжатия газа,
которое записывается в виде:
pmin  Vgmin


pmax  Vgmax

n
,
(3.16)
где Vgmin – минимальный объем газовой полости гидропневмоаккумулятора;
Vgmax – максимальный объем газовой полости гидропневмоаккумулятора;
n – показатель политропы.
Запас гидропневмоаккумулятора можно определить также по формуле:
V  Vgmax  Vgmin
(3.17)
Подставив (3.16) в выражение (3.17) и проведя преобразования, с учетом
формулы (3.15) получаем искомую величину:
Vgmax 
Rот lp.x.

p 
pmax  1  n min 
pmax

(3.18)
Минимальный объем газовой полости гидропневмоаккумулятора определим
из выражения (3.17):
Vgmin  Vgmax  V
(3.19)
Диаметры трех ступеней бойка, определяющие площади торцов бойка,
расположенных в камерах обратного и рабочего хода, находим решая совместно
следующие уравнения:
So.x. 
S p.x. 
π 2
d 2  d12 

4
π 2
d 2  d 32 

4
,
(3.20)
,
(3.21)
где d1, d2, d3 – диаметры бойковой, средней и хвостовой ступеней бойка,
соответственно.
3.2.
Методика
инженерного
расчета
блока
управления
гидравлическим устройством ударного действия
В разработанном гидравлическом устройстве ударного действия в качестве
управляющего
блока
используется
распределитель
двухпозиционный
двухлинейный (рабочая камера, напорная и сливная линии), который выполняется
с трехпоясковым золотником.
При расчете распределителя необходимо учесть, что он должен обеспечивать
необходимый расход при разгоне бойка. Максимальный расход рабочей жидкости
определим по формуле:
Qmaxр Sу  ν ,
(3.22)
где Sр – эффективная площадь камеры рабочего хода;
νу – допустимая скорость бойка в момент удара по инструменту.
Площадь проходного окна распределителя:
Sпр 
Qmax Sр  ν у

νж
ж
,
(3.23)
где νж – допустимая скорость движения жидкости в распределителе.
Проходное сечение распределителя по кольцевой поверхности, нормальной к
оси золотника:
Sпр 
π 2
2
Dзол  d зол


4
,
(3.24)
где Dзол, dзол – диаметр золотника и штока, соответственно.
Соотношения между диаметрами штока dзол и диаметром золотника Dзол, а
также величиной перекрытия lп и диаметром золотника принимаем следующими:
d зол  0.6  Dзол
lп  0.1  Dзол
;
, при Dзол ≥ 30 мм;
lп  0.2  Dзол
(3.25)
, при Dзол ≤ 30 мм
С учетом принятых соотношений уравнение (3.24) примет вид:
Sпр 
 2
Dзол  1  0.62 
4
,
(3.26)
отсюда
Dзол 
4  Sпр
π  1  0.62 
(3.27)
Диаметр проточек золотника и величину перекрытия определим по формулам
(3.25).
Проходное сечение распределителя по образующей поверхности золотника:
Sпр  π  Dзол  lот
,
(3.28)
где lот – величина открытия золотника.
Из уравнений (3.26) и (3.28) определяем величину открытия золотника при
рабочем ходе:
lот  0.16  Dзол
(3.29)
Величину открытия золотника в позиции «обратный ход» принимаем равной
открытию золотника при рабочем ходе. Тогда ход золотника определяется
формулой:
Lзол  2  lот  lп
(3.30)
Диаметр плунжера возврата:
d пв 
4  Rп
π  pн
,
(3.31)
где Rп – усилие гидропружины.
Диаметр плунжера управления находим по следующей зависимости:
dпу  2  dпв2
(3.32)
Сила, перемещающая золотник в положение «обратный ход»:
R1пер 
π 2
 d пв  pн
4
(3.33)
Сила, перемещающая золотник в положение «рабочий ход»:
R2пер 
π
2
2
  d пу
 d пв
  pн
4
(3.34)
Время переключения золотника в положение «обратный ход» определим по
формуле:
t1пер 
Lзол
ν зол
,
(3.35)
где νзол – скорость переключения золотника в положение «обратный ход».
Для определения νзол запишем уравнение равноускоренного движения:
ma  R1пер
Lзол
Выразив ускорение из формулы
(3.36)
ν 2зол  ν 02

2a
и подставив в уравнение
(3.36), определим максимальную скорость переключения золотника в положение
«обратный ход»:
ν зол 
2  R1пер  Lзол
mзол
,
(3.37)
где mзол – масса золотника.
С учетом (3.37) выражение (3.35) получает следующий вид:
t1пер 
2  mзол  Lзол
R1пер
(3.38)
Аналогично определяем время переключения золотника в положение
«рабочий ход»:
t2пер 
2  mзол  Lзол
R2пер
(3.39)
Таким образом, длительность цикла, состоящего из 4 последовательных
тактов, определяется по формуле:
T  tраз  t1пер  tвз  t2пер
(3.40)
Частота ударов, создаваемая ударным устройством:
nуд 
1
T
Коэффициент полезного действия устройства определяется формулой:
(3.41)
η
A nуд
Qн pн
(3.42)
3.3 Расчет и выбор параметров гидромолота
Проведен расчет гидроударника с энергией удара до 2000 Дж, используя
приведенную выше методику расчета. Расход 200 л/мин, номинальное давление
16 МПа. Расчетные площади: обратного хода Sox
=
6,745 см2 ; рабочего хода Spx =
26,212 см2 . Принимая диаметр d2 = 118 мм, получаем расчетные диаметры ступеней:
d3
=
102,9 мм и d\ = 114,3 мм. С учетом стандартного ряда уплотнений [30],
принимаем диаметры ступеней: d\ = 115 мм, d3 = 100 мм [94].
Для проверки расчетных данных с использованием разработанной математической модели получена энергия удара отбойного гидромолота при различных
вариантах исполнения бойка (таблица 3.1).
Анализ результатов показывает, что максимальную энергию удара (1984 Дж)
реализует гидроударник с бойком, имеющим диаметры ступеней d\ = 115 мм, d2 =
118 мм, d3 = 100 мм.
Таблица 3.1 – Выходные характеристики гидроударника при различных
вариантах исполнения бойка
Варианты исполнения бойка 1
2
d\, мм
115 115
d2, мм
118 118
flf3, мм
100 105
Энергия, Дж
1984 1584
Примечание: расход Q = 200 л/мин;
номинальное давление рп =16 МПа;
масса бойка тб = 62кг
3
110
118
100
1301
4
110
118
105
740
В строительно-дорожной технике наиболее простым способом управления
характеристиками гидравлической системы является изменение расхода рабочей
жидкости посредством изменения числа оборотов приводного вала гидронасоса,
связанного через вал отбора мощности с приводным валом двигателя.
Оценим изменение характеристик гидроударника (таблица 3.2) в диапазоне
расхода от 80 до 250 л/мин, который обеспечивают гидростанции строительнодорожных машин [6], для 1 варианта исполнения бойка.
Таблица 3.2 – Зависимости выходных параметров гидроударника от расхода
рабочей жидкости
Расход, л/мин
250 200 170 140 130 120 100 80
Энергия, Дж
2008 1984 1974 1930 1753 1510 1176 825
Частота, уд/с
9,2 9,3 9,3 9,1 8,6 7,9 6,6 5,32
Оценка зарядки +
+
+
+
— — — —
аккумулятора
рср, МПа
15,7 15,5 15,19 13,86 13,22 11,77 10 8,48
Ударная мощ18,4 18,45 18,36 17,56 15,08 11,93 7,76 4,39
ность, кВт
7
КПД
0,28 0,36 0,43 0,54 0,53 0,51 0,47 0,39
Примечание:
1. «+» - аккумулятор полностью зарядился;
2. «-» - аккумулятор зарядился не полностью;
3. Рср - среднее интегральное давление;
4. Параметры: т6 = 62 кг; d\ = 115 мм; d2 = 118 мм; d3 = 100 мм;
v = 0,3 Ст; Аб = 0,020 мм; Va = 1039 см3
3.4 Расчет на прочность и жесткость золотника новой конструкции
Расчет на прочность
Рассчитаем на прочность и жесткость золотник оригинальной конструкции
и сравним ее с обычной конструкцией.
Диаметр проходного отверстия рассчитаем из условия того, что золотник
оригинальной конструкции должен иметь одинаковую площадь проходного
сечения и осевой момент сопротивления сечения такие же, как и обычный золотник.
Осевой момент сопротивления сечения золотника [23] известной
конструкции (рисунок 3.1 а)
W1 
где
D
π (0,6 D) 2
 0,0216 D 3
4
,
(3.1)
– диаметр золотника.
Чтобы определить, осевой момент сопротивления сечения золотника новой
конструкции вначале вычислим его осевой момент инерции площади сечения
(рисунок 3.1 б)
.
а)
Рисунок 3.1 – Поперечное сечение золотников
известной а) и новой б) конструкции
б)
3
4
D d отв
π  D 4 d отв D 3 d отв
I2 



64
12
12
12
где
d отв
,
(3.2)
– диаметр проходного отверстия золотника.
Вычислим осевой момент сопротивления золотника новой конструкции
(рисунок 3.2 б)
W2 
3
d4
π  D 3 d отв D 2 d отв


 отв
32
6
6
6D
.
(3.3)
Для обеспечения равной прочности золотника на изгиб необходимо, чтобы
их осевые моменты сопротивления были равны
W1  W2
.
(3.4)
Подставим (3.1) и (3.3) в (3.4) и преобразуем
4
16  d зол
3
 16  d зол D 2  16  d зол
 3  π  (D 3  (0,6 D) 3 )  0
D
.
(3.5)
Из уравнения (3.5) находим диаметр отверстия новой конструкции
золотника
d отв
относительно диаметра известного золотника
d отв  0,419  D
D
.
(3.6)
Теперь сравним площади проходных сечений золотника
Площадь проходного сечения золотника старой конструкции (рисунок 3.1 а)
S1 
π  ( D 2  (0,6 D) 2 )
 0,16πD 2
4
.
(3.7)
Площадь проходного сечения золотника новой конструкции (рисунок 4.1 а)
2
S 2  2  D  d зол  d зол
,
(3.8)
или с учетом (3.6)
S 2  0,662  D 2
Сравним площади золотников
.
(3.9)
S2
0,662  D 2

 1,318
S1 0,16  π  D 2
.
(3.10)
Площадь проходного сечения золотника по схеме а) больше, чем площадь
сечения по схеме б) в 1,318 раз, при одинаковом диаметре и осевого момента
сопротивления сечения.
Расчет на жесткость
Рассчитаем на сколько жесткость золотников по схеме а) и схеме б) и
сравним их.
При изготовлении золотников допустимое отклонение оси симметрии от
прямолинейности составляет 7мкм [2] (рисунок 3.2).
Вычислим силу, которая дает такое отклонение оси от прямолинейности для
каждого золотника, и сравним их.
Рисунок 3.2 – Расчетная схема расчета золотников на жесткость
Расчеты проводим в системе T–Flex Анализ.
Рисунок 3.3 – Расчет на жесткость известного золотника
Рисунок 3.4 – Расчет на жесткость золотника новой конструкции
Расчет показал, что сила, которая смешает ось симметрии на 7 мкм для схем
а) и б) различны (рисунок 3.3, 3.4), причем сила для схемы б) на 1,82 раза больше
чем для схемы а).
Выводы
1. Усовершенствованы методики расчета ударного механизма и блока
управления, в которые введены дополнительные уравнения, связывающие
геометрические, силовые и энергетические параметры, позволившие выполнить
расчет
конструктивных
параметров,
необходимых
для
проектирования
гидравлического устройства ударного действия с управляемой камерой
рабочего хода с заданной энергией удара.
2. Установлено, что зависимость частоты ударов от расхода насоса имеет
экстремальное значение, которое при заданной энергии увеличивается при
уменьшении расхода и диаметра сливного трубопровода.
3. Разработана новая конструкция золотника, в которой поток жидкости
через золотник испытывает меньшее количество изменения направлений
движения.
4. Рассчитано, что новая конструкция золотника при равном диаметре и
осевым моментом сечения имеет большую площадь проходного сечения.
5. Расчет на жесткость показал, что золотник новой конструкции обладает
более высокой жесткостью, чем золотник старой конструкции.
4 МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ
ЭКСПЛУАТАЦИИ
ГИДРАВЛИЧЕСКОГО
УСТРОЙСТВА
УДАРНОГО
ДЕЙСТВИЯ
Анализ показал, что наиболее опасным фактором в гидравлическом
устройстве ударного действия является высокое давление в системе, поэтому в
данном
разделе
рассматриваются
вопросы,
решение
которых
обеспечит
безопасную и безаварийную работу установки, а, следовательно, и безопасность
обслуживающего персонала.
Безопасная эксплуатация гидравлического устройства ударного действия
возможна только в том случае, если каждый элемент конструкции будет обладать
достаточной надежностью, поэтому перейдем к непосредственному расчету
наиболее ответственных деталей. Одной из таких деталей являются болты,
которыми крепится задняя крышка. Если произойдет их разрушение, то крышка и
втулка с уплотнениями вылетят из осевого канала корпуса с высокой скоростью,
что может повлечь травмы обслуживающего персонала.
4.1 Рекомендации по технике безопасности при сборке и разборке
.
1.
Сборка гидроприводов должна производится при строгом соблюдении
технологического процесса, а также инструкций по монтажу и эксплуатации.
2.
Энергоисточники должны подключаться только после окончания
сборки и монтажа гидропривода.
3.
Перед разборкой необходимо отключить энергоисточник; на вводном
рубильнике вывесить плакат «Не включать – работают люди»; проверить по
манометрам
отсутствие
давления
в
системе;
слить
рабочую
жидкость;
разъединить полумуфты с электродвигателем.
4.
Запрещается разборка гидравлического привода, находящегося под
давлением, а также затяжка накидных гаек трубопроводов, находящихся под
давлением.
5.
Резьбовые фланцевые соединения необходимо затягивать равномерно,
поочередно, подтягиванием диаметрально противоположных болтов и гаек. Не
допускается наращивать ключи и применять подкладки между ключом и гранями
гайки.
6.
Детали и узлы гидросистемы, работающие под высоким давлением,
перед сборкой должны быть испытаны на прочность и герметичность пробным
давлением в соответствии с техническими условиями на их изготовление и
приемку.
7.
Подгонка
и
гибка
труб
по
месту
должны
выполняться
высококвалифицированными рабочими.
8.
Длинные трубопроводы должны быть закреплены хомутами.
9.
Все детали, узлы и трубопроводы должны быть перед сборкой
промыты и очищены от грязи, ржавчины и окалины.
10.
Рукава высокого давления должны быть защищены в зонах
перемещения от истирания внешней поверхности и резких перегибов.
4.2 Рекомендации по технике безопасности при эксплуатации
1.
Гидросистемы
должны
эксплуатироваться
в
соответствии
с
инструкциями по эксплуатации.
2.
Баки и отдельные узлы гидросистемы должны быть надежно
защищены от попадания стружки, грязи и т.д.
3.
Сорт масла, залитого в баки, должен соответствовать указанному в
паспорте гидросистемы. Уровень масла в баках должен соответствовать отметкам
маслоуказателей.
4.
Перед первым пуском из гидросистемы необходимо удалить воздух
через специальные пробки.
5.
В процессе эксплуатации гидросистем необходимо периодически
проверять арматуру, трубопроводы, крепежные детали, шланги, штуцера и т.д.
6.
Нельзя оставлять работающий гидропривод высокого давления без
надзора, не разрешается подтягивать болты, гайки и другие соединения во время
работы гидропривода, а также производить его пуск без необходимого количества
рабочей жидкости.
7.
На видном месте должна быть вывешена принципиальная схема
гидросистемы и указания допустимого давления при работе установки, а также
плакат «Внимание! Высокое давление».
8.
Все элементы, представляющие опасность в процессе работы для
обслуживающего персонала, должны быть окрашены в красный цвет.
9.
На шкале манометров должна быть нанесена красная метка,
соответствующая наибольшему допустимому давлению.
10.
−
На установках высокого давления запрещается работать:
если давление поднимается выше разрешенного, несмотря на
соблюдение всех требований инструкции;
−
при
неисправности
предохранительных,
контрольных
и
регулирующих приборов;
−
при неисправном манометре;
−
при обнаружении в узлах гидросистемы трещин, выпучин,
потения и подтекания рабочей жидкости;
−
при отсутствии или неисправности ограждений, а также
заземления узлов гидросистемы.
11.
Эксплуатация гидросистем должна производиться при строгом
соблюдении правил пожарной безопасности и электробезопасности.
Соблюдение этих мер безопасности позволит до минимума сократить
вероятность несчастного случая.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В выпускной квалификационной работе решены научно-технические задачи,
направленные на усовершенствование методики расчета и выбора рациональных
параметров гидравлических устройств ударного действия с управляемой камерой
рабочего хода и дифференциальным включением бойка для технологической
машины избирательного действия.
Основные выводы и результаты проведенных теоретических исследований,
расчетов и проектных работ сводятся к следующему:
– установлено, что машины с ударно-скалывающим исполнительным органом
нашли широкую область применения в различных отраслях промышленности, так
как разрушают породы и полезные ископаемые в массиве с сопротивлением на
сжатие (σсж) до 10 МПа, а при вторичном дроблении – до 18 МПа, и имеют сложную
структуру, которая при использовании гидроударника, сочетающего мощность,
компактность и безопасность в эксплуатации, и гидродвигателей во все
функциональных органах, позволяет мощность машины сосредоточить в насосной
станции и рационально распределять между работающими органами или передавать
одному из них посредством системы гидропривода;
– выбрана компоновка, обеспечивающая минимальные конструктивные
размеры и пониженную удельную металлоемкость ударного механизма гидроударника
с управляемой камерой рабочего хода, дифференциальным включением бойка и
датчиком его положения, т. е. с одной из перспективных схем, и подтверждена
возможность создания на её основе конструкции с заданной энергией удара и КПД
более 0,6;
– проведены численные эксперименты и установлены зависимости между
конструктивными
размерами,
режимными
параметрами,
динамическими
и
кинематическими характеристики гидроударника с управляемой камерой рабочего
хода и дифференциальным включением бойка с учетом параметров гидропривода;
– установлено, что зависимость частоты ударов от расхода насоса имеет
экстремальное значение, которое при заданной энергии увеличивается при
уменьшении расхода и диаметра сливного трубопровода. В диапазоне расходных
характеристик практически применяемых в технологических машин насосов (до 3·10
м3/с) целесообразно применять трубопроводы с диаметром более 16 мм, а при
энергии удара менее 2,5 кДж возможно использование трубопровода с диаметром 12
мм;
– разработана новая конструкция золотника, обеспечивающую большую
прочность и жесткость.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы закреплены и
расширены знания по моделированию, расчету, исследованию и проектированию
сложных машин и систем с использованием законов механики твердого тела,
жидкости и газа, полученные в процессе обучения специальности 15.03.03 –
Прикладная механика.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1.
Циферблат
В.Л.,
Смирнова
О.В.
Горные
машины
с
гидро-и
пневмоударниками за рубежом: Обзор. информ. – М.: ЦНИЭИуголь, 1979. (Сер.
горное дело, вып.6.) – 48 с.
2.
Установка для определения параметров разрушения горных пород
ударом большой энергии. / А.Ф. Кичигин, О.В. Мацуткевич, Л.Д. Салтанов, В.С.
Северинов // Изв. вузов. Горный журнал. – 1960. – № 11. – С. 127 – 132.
3.
Алимов
О.Д.,
Дворников
Л.Т.
Бурильные
машины.
–
М.:
Машиностроение, 1976. – 295 с.
4.
Гидропневмоударные системы исполнительных органов горных и
строительно-дорожных машин. / А.С. Сагинов, А.Ф. Кичигин, А.Г. Лазуткин, И.А.
Ян-цен – М.: Машиностроение, 1980. – 220 с.
5.
Гидропривод сваепогружающих и грунтоуплотняющих машин. /
М.Е. Иванов, И.Б. Матвеев, Р.Д. Искович-Лотоцкий и др. – М.: Машиностроение,
1977. – 174 с.
6.
Залкинд А.С. Механизация ремонтов металлургических агрегатов. –
М.: Металлургия, 1988. – 238 с.
7.
Силантьев С.А. Повышение эффективности статико-импульсной
обработки управлением технологическими режимами и параметрами генератора
импульсов: Автореф. дисс. … канд. техн. наук – Орел: ОрелГТУ, 2003. – 17 с.
8.
Кравченко В.А., Юрьев Д.А., Иванов Б.В. Структура машин с ударным
исполнительным органом избирательного действия. // Механизмы и машины
ударного, периодического и вибрационного действия: Материалы междунар. науч.
симп. – Орел, 2000. – С. 112 – 115.
9.
Кравченко В.А. Создание гидравлических устройств ударного действия
с пониженной удельной металлоемкостью для разрушения горных пород: Дисс. …
канд. техн. наук. – Орел: ОрелГТУ, 2004. – 275 с
10.
Александров Е.В., Соколинский В.Б. Прикладная теория и расчеты
ударных систем. – М.: Наука, 1969. – 201 с.
11.
Соколинский В.Б. Машины ударного разрушения (Основы
комплексного проектирования). М.: Машиностроение, 1982. – 184 с.
12.
ударного
Кочкин А.М. Создание и исследование гидропривода регулируемого
исполнительного
органа
(применительно
к
машинам
для
вспомогательных работ): Автореф. дисс. … канд. техн. наук – Караганда: КарПТИ,
1983. – 23 с.
13.
Теоретические основы создания гидроимпульсных систем ударных
органов машин. / Сагинов А.С., Янцен И.А., Ешуткин Д.Н., Пивень Г.Г. – Алма-Ата,
1985. – 256 с.
14.
Войцеховский Б.В., Войцеховская Ф.Ф. Разрушение крепких горных
пород ударами высокой энергии при проходке и бурении. – Новосибирск: Наука,
сиб. отд-ние, 1992. – 110 с.
15.
Мезенцев И.В. Моделирование импульсного гидрообъемного привода с
торможением бойка в фазе обратного хода. // ФТПРПИ. – 1999. – № 4. С. 103 – 109.
16.
Ушаков Л.С., Котылев Ю.Е., Кравченко В.А. Гидравлические машины
ударного действия. – М.: Машиностроение, 2000. – 416 с.
17.
Щепеткин Г.В., Нерозников Ю.И. Математическая модель
гидропневмоударного
механизма
бурильной
машины.
//
Механизация
и
автоматизация производственных процессов в горной промышленности: Сб. Вып.
3. – Караганда: КарПТИ, 1973. – С. 207 – 217.
ПРЕЗЕНТАЦИЯ ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ
РАБОТЫ НА ТЕМУ:
«ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРОМОЛОТА»
Выполнил: студент группы 41-ПМ Борисов К.В.
Руководитель: к.т.н., доцент Кравченко В.А.
Орел - 2018
Усовершенствованная конструкция золотника
Рисунок 8.1 – Поперечное сечение
золотников известной а) и новой б)
конструкции
Рисунок 8.2
– Расчет на
прочность
известной и
новой
конструкции
Взам. инв. №
Подп. и дата
ВКР 2018.150303.140832 ДО
Изм.
Лист № док Подп.
Инв. № подп.
Разработал Борисов К.В.
ПроверилКравченко В.А.
Паничкин А.В.
Зав.кафедр.
Дата
Лит.
Лист
Результаты расчета на прочность
Листов
ОГУ им. И.С. Тургенева
ПТИ им. Н.Н. Поликарпова
41-ПМ
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа