УДК 622.232.32

Разработка гидравлических механизмов ударного действия различной мощности

Селивра С.А., к.т.н., Устименко Т.А., к.т.н., Яценко А.Ф., к.т.н., Донецкий национальный технический университет

Источник: Научные труды Донецкого национального технического университета. Серия «Горно-электромеханическая». Выпуск 17(157).-Донецк:ДонНТУ, 2009с.235-244 (специальное издание)

Гидравлический ударный механизм, мощность, рабочая жидкость, имитационное моделирование, эксперимент.

Селівра С.О., Устименко Т.О., Яценко О.Ф., Разробка гідравлічних механизмів ударної дії різної потужності. Наведені дослідження гідравлічних ударних механизмів різної потужності: від істотно потужних, що можуть мати застосування у якості робочих органів прохідницьких комбайнів, до компактних ручних механизмів.Особливістю розробок є отсутність високих вимог до робочої рідини: в якості енергоносія можливе застосування як водомастильної емульсії, так і технічної води. Роботоздатність наведених схем перевірена за допомогою імітаційного моделювання на ЕОМ та підтверджена експериментальними даними на натурних устатковинах.

Гідравлічний ударний мезанізм, потужність, робоча рідина, імітаційне моделювання, експеримент.

Selivra S.A., Ustimenko T.A., Yatsenko A.F.Different power Hydrolic percussion mechanisms creation. This article describes the reseaching of different power hydrolic percussion mechanisms: from great power ones(like executive device of heading machine) till hand tools. The main difference of this investigation from others is low demand to hydraulic fluid. Oil-water sludge or industrial water can be used like a working fluid in system. Workability of desinged systems was checked by PC’s imitation modeling and confirmed by experimental information.

Hydrolic percussion mechanism, power, hydraulic fluid, imitation modeling, experiment.

Проблема и ее связь с научными и практическими задачами.

Механизмы ударного действия широко используются в различных промышленности. Наибольшее распространение получили ударники с электрическим, пневматическим и гидравлическим приводом. Гидравлические ударные механизмы находят все большее применение как в качестве исполнительных органов мощных гидромолотов, так и ручных машин – перфораторов и отбойных молотков. Это объясняется их неоспоримые преимущества по сравнению с пневматическими аналогами: высокая энергия удара, возможность ее регулирования в широких пределах. Однако используемые гидравлические ударные механизмы имеют существенный недостаток: в качестве носителя энергии используется индустриальное масло, а это значит, что им присущ ряд недостатков, характерных пневмосистемам (пожароопасность, загрязнение окружающей среды). Замена индустриального масла в гидросистемах на водомасляную эмульсию, а лучше – на техническую воду, устранит имеющиеся недостатки и значительно расширит область их применения.

Анализ исследований и публикаций. Анализ разрабатываемых в мировой практике промышленных ударных механизмов [1-2] показывает, что предпочтение отдается гидравлическим: в Финляндии и Голландии созданы мощные устройства для разрушения негабаритов (бутобои), в Англии – устройства для эффективного бурения скважин на горных предприятиях. На Украине и в странах СНГ ведутся работы как по созданию машин, оснащенных ударными механизмами большой массы и, соответственно, обладаюших высокой энергией удара, так и переносных и ручных машин: перфораторов и гидравлических отбойных молотков.

Постановка задачи. Основной задачей является исследование рабочих процессов гидроударных механизмов путем математического моделирования с целью определения оптимальных конструктивных и рабочих параметров

Изложение материала. В ДонНТУ разработаны опытные образцы гидравлических ударных механизмов, работающих на технической воде, и предназначенных

• для исполнительных органов проходческих комбайнов;

• для исполнительных органов буровых машин;

• для гидравлических отбойных молотков.

Гидравлические ударные механизмы проходческих комбайнов должны обладать энергией удара не менее 500 Дж. Исследования [3,4,8], показали, что при проходке выработок с породами крепостью выше средней наиболее эффективным является комбинированный способ разрушения, который сочетает ударное воздействие на забой с импульсным струйным (с давлением воды перед рабочим насадком монитора до 30 МПа). Было показано [3], что ударные нагрузки образуют систему трещин в горном массиве, а воздействие импульсных струй воды создает растягивающие усилия, что окончательно разрушает массив.

На рис. 1 приведена структурная схема гидроударного механизма комбинированного типа.

Рис. 1. Принципиальная схема гидроударного механизма комбинированного типа

Разгон жидкости в ударном трубопроводе 1 осуществляется с помощью генератора колебаний 2 и перед насадком гидромонитора 3 формируется импульсный поток жидкости высокого давления. Генератор колебаний 3 формирует импульсы высокого давления в потоке, направляемом в камеру прямого хода 4 цилиндра гидроударника. Под действием этого давления происходит перемещение поршня-бойка 5, наносящего удары по хвостовику инструмента 6. А на выходе из гидромонитора 3 создается поток жидкости выкокого давления, осуществляющий струйное разрушение массива. Возвращение бойка 5 осуществляется под действием подводимого давления в камере обратного хода в фазе низкого давления в камере прямого хода.

Исследования, выполненные в ДонУГИ [4] показывают, что использование гидравлических ударных устройств в буровых машинах значительно повышает производительность бурения. Создание динамических нагрузок порядка 200 кН частотой 30 уд/с на шарошке буровых головок уменьшает в 10 раз статические усилия подачи.

Данные, приведенные в работах многих авторов [7,8,9] свидетельствуют об эффективности использования ручных гидроударных механизмов с энергией удара от 20 до 50 Дж.

Предпринятая попытка создать ручной гидроударный механизм по той же схеме ,что и гидроударный механизм проходческого комбайна не увенчалась успехом.Т.к. пульсирующее давление приходилось подавать по гибким высоконапорным рукавам, то, во- первых, скорость распространения ударной волны снижалась до 250 м/с (по сравнению с требуемой 1350 м/с), что приводило к значительному снижению импульса давления, во-вторых, пульсирующее давления в системе гидроимпульсатора вызывало сильную вибрацию высоконапорных рукавов. Поэтому было принято решение о разработке ручных, переносных ударников в системе объемного гидропривода с распределительными системами, вырабатывающими сигналы управления по взаимодействию бойка с инструментом и сигналы задержки по направлению движения бойка. При этом было принято решение использовать клапанное распределение, вместо общепринятого золотникового, что позволило снизить требования к рабочей жидкости вплоть до использования технической воды.

Гидравлический ударный механизм каждого из рассмотренных типов машин, работающий в системе объемного гидропривода представляет собой сложную гидродинамическую систему, которая характеризуется большим числом (более 20) факторов. Для всестороннего исследования ее функционирования, выбора основных конструктивных и рабочих параметров, для выявления рациональных режимов, необходимо проведение большого числа экспериментов. Причем проведение каждого опыта будет сопряжено с изготовлением отдельных узлов и деталей устройства. Наиболее эффективным путем решения является математическое, а точнее, имитационное моделирование рабочего процесса установки. В связи с этим ставится задача математического описания рабочего процесса с целью разработки имитационного алгоритма и программы. Данный подход позволит исследовать большой объем вариантов и произвести выбор оптимальных параметров каждой из систем без проведения трудоемких экспериментов.

В качестве схемы, принятой за основу при моделировании гидроударника бурильной машины и отбойного молотка была принята показанная на рис. 2.

Рис.2. Принципиальная схема гидравлического ударного механизма.

На схеме указаны основные узлы устройства: узел ударника с рабочим инструментом 13 и поршнем-бойком 6; узел управления с поршнем-клапаном 7, а также гидропневмоаккумулятор (ГПА) гидроударного механизма 8 и элементы гидроэнергетического снабжения: насос объемного принципа действия 1 с предохранительным клапаном 2 и емкостью для рабочей жидкости 12, ГПА 3 и напорной магистралью 4, т.е. основные структурные звенья системы, математические модели которых будут построены. При разработке математической модели были приняты следующие основные допущения: во входном сечении напорной магистрали предполагается постоянный расход рабочей жидкости; массы подвижных элементов (поршня-бойка и поршня-клапана) предполагаются сосредоточенными; волновые процессы в соединительных каналах не учитываются, гидравлические сопротивления каналов считаются сосредоточенными у соответствующих камер; изменения значений давления и объема воздуха в ГПА подчиняется адиабатному закону; утечки жидкости в системе отсутствуют; волновые процессы, происходящие в рабочем инструменте и бойке не учитываются.

Основными звеньями при моделировании любой из рассматриваемых схем являются: узел ударника, поршень-боек которого совершает возвратно-поступательное движение под действием сил давления на его рабочие поверхности и узел распределителя, обеспечивающий автоколебательный режим работы.

Уравнение движения бойка имеет вид:

(1)

где маса поршня-бойка; х – координата положения поршня-бойка положение; - давления жидкости в соответствующих рабочих камерах; - площади рабочих поверхностей поршня-бойка в соответствующих камерах; - сила трения, создаваемая резиновыми уплотнениями (кольцами) поршня-бойка, рассчитывается по формуле:

. (2)

В соответствии с классической теорией удара скорость после соударения с инструментом определяется формулой

при ,

где - коэффициент восстановления скорости, который может находиться в пределах [5] 0,1 …0,3.

Подвижным элементом узла распределителя является поршень-клапан, уравнение движения которого имеет вид:

(3)

Давления в рабочих камерах рассчитываются по формулам:

, – давления в соответствующих рабочих камерах. Расходы определяются скоростью движения поршня-бойка: . – гидравлические сопротивления каналов, соединяющих соответствующие камеры. - переменное гидравлическое сопротивление между седлом и клапаном.

Давления в камерах клапана-распределителя:

Здесь - гидравлическое сопротивление канала ВЕ, – переменное гидравлическое сопротивление между головкой клапана и седлом со стороны сбросной магистрали, рассчитываемое по формуле , – сосредоточенное сопротивление сбросной магистрали. – расход, определяемый скоростью перемещения клапана распределителя, - расход, поступающий в сбросную магистраль. Давление в камере С можно выразить как

.

Совместное решение всех указанных выше уравнений и составляет основу математического моделирования рабочего процесса гидравлического ударного механизма каждой из рассмотренных схем.

Математическую модель гидроударного механизма, работающего совместно с гидроимпульсатором, необходимо дополнить волновыми уравнениями, характеризующими течение рабочей жидкости в ударном трубопроводе 1 (рис.1), предназначенном для создания повышенного давления потока перед насадком:

Здесь - контрольное сечение трубопровода 1, - скорость распространения ударной волны, - удельные гидравлические потери, – площадь поперечного сечения трубопровода.

На базе разработанной математической модели созданы моделирующие агоритмы для пошаговой имитации по времени рабочего процесса каждой из рассмотренных систем. На рис. 3 и 5 приведено сравнение рабочих параметров натурных и имитационных экспериментов для гидроударника проходческого комбайна и ручного отбойного молотка, соответственно. Ошибка отклонений не превышает 15%, что свидетельствует об адекватности математических моделей и возможности их использования для определения оптимальных параметров.

Рис.3. Осциллограммы рабочего процесса гидроударного механизма в системе гидроимпульсатора

Расчеты по имитационным моделям стали основой для проектирования конструкций узла ударника (для трех схем) и узла распределителя (для ударника бурильной машины и ручного отбойного молотка). На Рис.4 показаны графики рабочего процесса гидроударника для бурильной машины. Исследования [10] показали, что энергия единичного удара составляет 325 Дж при частоте 25уд/сек.

Рис.4. Осцилограммы рабочего процесса модели гидроударника для бурильной машины

Рис.5. Сравнение расчетных и экспериментальных данных скорости бойка для гидравлического отбойного молотка

Так, на основе предварительных расчетов был создан и испытан опытный образец гидравлического отбойного молотка ГМ-9 массой 8,9 кг и энергией удара 35 Дж, а с с помощью дальнейшей оптимизации параметров и конструкции разработана конструкция гидромолотка ГМ-7, масса которого составляет 7,2 кг, а развиваемая энергия единичного удара – до 40 Дж при подводимом давлении 6МПа. На Рис.6 показан гидромолоток ГМ-7, основные узлы и детали его конструкции. Боек 19 осуществляет возвратно-поступательное движение внутри бронзовых 18 и 17 и соответствующих стальных дистанционных втулок, что позволяет минимизировать длину и массу молотка.

Распределительный узел содержит клапан 15 с корпусом 7 из бронзовых втулок. Узел запуска предсталяет собой клапан 12 с направляющими втулками 8 и 9.

Рис.6. Гидравлический отбойный молоток ГМ-7

Выводы и направление дальнейших исследований. Проведенные исследования свидетельствуют о накопленном опыте проектирования гидроударных механизмов различного назначения. Во-первых, гидроударник в системе проходческого комбайна, обеспечивающий энергию удара 1500 Дж, гидроударный механизм перфоратора для ударно-поворотного бурения с ударной мощностью 8.7кВт, типоразмерный ряд гидравлических отбойных молотков массой 7-9 кг, с энергией удара 20-40 Дж.

Дальнейшие исследования необходимо проводить с целью, во-первых, систематизации разработанных математических моделей гидроударных механизмов различного назначения, во-вторых, обобщения накопленного опыта проектирования путем создания системы автоматизированного проектирования на основе разработанных математических моделей, в-третьих, продолжения экспериментальных исследований энергетических показателей гидроударных механизмов. Решение задачи оптимального синтеза с использованием адекватных математических моделей позволит автоматизировать процесс проектирования и выбора рациональных конструктивных и рабочих параметров.

Список источников:

1. Рожкова Е.Ю. Гидрооборудование и инструмент NYCON – выбор профессионалов. http://smm/tradicia-k.ru/articles.

2. Дмитрович Ю.В. Гидромолот. Общая информация. Принцип работы. http://smm/tradicia-k.ru/articles.

3. Тимошенко Г.М., Яценко А.Ф., Селивра С.А. Гидравлический ударный механизм исполнительного органа буровых машин // Уголь Украины,-1984.-№11.-с.24-25.

4. Алейников А.А., Пересада П.М., Сторчак И.И. Гидроударники для проведения восстающих выработок в крепких породах // Уголь Украины,-1984.-№5.-с.24-25.

5. Механическое разрушение горных пород комбинированным способом/А.Ф.Кичигин, С.Н.Игнатов, А.Г.Лазуткин и др. – М.:Недра, 1972.-256с.

6. Соколинский Б.В. Машины ударного разрушения (Основы комплексного проектирования).-М.: Машиностроение, 1982.-184с.

7. Тимошенко Г.М., Устименко Т.А., Мартыненко В.Ф. Гидравлический отбойный молоток ГМ-9// Уголь Украины,- 1988.-№12.-с.24-26.

8. Селивра С.А. Разработка гидравлических устройств ударного действия для разрушения горных пород. Дисс. … канд. техн. наук:05.05.06.-Донецк,1986.-194 с.

9. Устименко Т.А. Обоснование структуры и выбор оптимальных параметров гидравлического отбойного молотка. Дисс. … канд. техн. наук: 05.05.06.-Донецк. 1990.-204с.

10. Коваленко В.И. Разработка и обоснование рациональных параметров гидроударных устройств шахтных бурильных машин. Дисс. … канд. техн. наук: 05.05.06.-Донецк. 1996.-162с.

11. Яценко А.Ф., Селивра С.А., Коваленко В.И. Испытание экспериментального гидравлического устройства ударного действия //Изв.вузов. Горный журнал.-1995 - №7.-с.109-111.

12. А.с. 1154455 СССР, МКИ³ Е 21 С 3/20. Гидравлическое устройство ударного механизма/ Г.М.Тимошенко, С.А.Селивра, А.Ф.Яценко, Т.А.Устименко. – 3677562/22-03; заявлено 22.12.83; Опубл. 1985. – Бюл.№17.

13. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник для машиностроительных вузов/Т.М. Башта, С.С.Руднев, Б.Б. Некрасов и др. – М.: Машиностроение, 1982.-423с.

14. Караев М.А. Гидравлика буровых насосов. – М.: Недра, 1983.-208 с.

15. Алимов О.Д. Басов С.А. Основы теории и расчета гидрообъемных виброударных механизмов. – Фрунзе; Илим, 1976.-25с.

16. Гидропневмоударные системы исполнительных органов горных и строительно-дорожных машин/ А.С.Сагинов, А.Ф.Кичигин, А.Г.Лазуткин, И.А.Янцен. – М.: Машиностроение, 1980.-299с.