Анализ влияния конструктивных параметров гидропневмоударников на энергетические показатели гидравлических импульсных систем строительных машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 681.5:621.22+625.76 Н. С. ГАЛДИН

В. Н. ГАЛДИН

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,

г. Омск

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОПНЕВМОУДАРНИКОВ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН

Создание новых, перспективных гидропневматических ударных устройств, обеспечивающих эффективную работу гидроимпульсных средств механизации, является актуальной задачей. Цель исследования — совершенствование математического моделирования энергетических показателей гидропневматических ударных устройств. Задачами исследования является выявление влияния конструктивных параметров гидропневмоударников на их энергетические показатели. Методика исследований включает применение методов имитационного моделирования на ЭВМ. Установлено, что энергетические показатели (энергия, мощность единичного удара) гидропневматических ударных устройств зависят от скорости бойка и таких его конструктивных параметров, как масса, величина хода бойка, давление зарядки газа пневмоаккумулято-ра. Представлены функциональные зависимости скорости, энергии удара от массы, величины хода бойка, давления зарядки газа пневмоаккумулятора. Найденные функциональные зависимости позволяют разработать алгоритмы и инженерную методику автоматизированного моделирования и расчета гидропневматических ударных устройств, что позволит сократить сроки их проектирования.

Ключевые слова: гидропневмоударник, скорость бойка, энергия удара.

Гидравлическая импульсная система включает удара изменением давления зарядки газа в пневмо-

следующие основные функциональные элементы: аккумуляторе [1, 2, 5].

источник питания (насос) базовой машины и гидро- Схема гидропневматического ударного устрой-

ударное устройство, состоящее из энергетического ства показана на рис. 2.

блока, блока управления рабочим циклом и инстру- К основным конструктивным параметрам ги-

мента. В гидравлическом ударном устройстве энер- дропневматического ударного устройства отно-гия подводимой жидкости генерируется в импульсы сятся:

силы определенной частоты и интенсивности, воз- — масса бойка (подвижных частей);

действующие на обрабатываемую среду. — ход бойка;

Применение гидравлической импульсной тех- — давление зарядки газа пневмоаккумулятора;

ники позволяет выполнять разрушение и разра- — диаметр поршня пневмоаккумуляторной ка-

ботку мерзлого грунта, скальных пород и полот- меры;

на дорог, проходку скважин в грунте, забивание — диаметры поршней взводящей, сливной

и извлечение свайных элементов, уплотнение грун- камер; та [1—6]. — диаметр хвостовика инструмента; |

Эффективность использования гидравлической — длина гидроударного устройства.

о

импульсной системы зависит от большого числа Такие конструктивные параметры гидроудар- р

факторов и свойств системы [3, 6]. Блок-схема ра- ного устройства, как давление зарядки газа, масса

бочего процесса гидравлической импульсной систе- бойка, величина хода бойка, существенным обра-

мы представлена на рис. 1. зом влияют на скорость удара, от которой зависит

Из гидравлических ударных устройств гидро- энергия единичного удара. пневматические ударные устройства получили наи- Разработка полных математических моделей о

большее распространение. Преимущества гидро- гидравлических импульсных систем базируется на Ь

пневматических ударных устройств заключаются в представлении их в виде технических систем, со-

компактности, низкой металлоемкости на единицу стоящих из двух видов физических подсистем: ме-

энергии удара, простоте регулирования энергии ханической и гидравлической.

Рис. 1. Блок-схема рабочего процесса гидравлической импульсной системы

основного уравнения динамики; уравнении расходов, учитывающих условия неразрывности потока рабочеИ жидкости; уравнении связи между параметрами потока.

При создании гидравлических импульсных систем необходимо рассматривать большое число вариантов структур, параметров и изменять, уточнять математическую модель.

В общем виде система уравнении движения г-го подвижного элемента гидропневматического ударного устройства в дифференциальной форме может быть представлена уравнениями динамики следующего вида:

Рис. 2. Схема гидропневматического ударного устройства: 1 — инструмент; 2 — корпус; 3 — боек; 4 — камера низкого давления; 5 — камера высокого давления; 6 — пневмоаккумуляторная камера; 7 — орган управления рабочим циклом; 8 — напорная гидролиния; 9 — гидробак; В — взвод бойка; Т — торможение; Р — разгон (рабочий ход)

В зависимости от решаемых задач число элементов механическои подсистемы может принимать различные значения и определяется в основном числом учитываемых при моделировании подвижных масс гидравлических импульсных систем (боек, корпус гидроударного устроиства, запорно-регули-рующие элементы блока управления рабочим циклом, гидрораспределителя, пружины и другие).

Количество гидравлических подсистем определяется особенностями конструктивных решении гидроударного устройства: конструкцией взводя-щеи и сливнои камер (полостеи) гидроударника.

Математическая модель гидропневматического ударного устройства включает основные конструктивные параметры гидроударника, его элементы, параметры гидропривода базовой машины, описывает характерные периоды работы устройства (взвод, торможение, рабочий ход) [1 — 3, 5, 6].

Математическая модель гидроударного устройства записывается в виде системы уравнений, включающей уравнение движения бойка в виде

сС х;

= - Л

(1)

где х т Г

9

Г

перемещение подвижного элемента; масса подвижного -леменха; движущие силы; силы сопротивления;

I — время.

Движущие силы зависят от величин давлений, действующих в поло ствхгндояударногоустр ойства, и эффективных площадей полостей. Силы сопротивления учитывают силы механияескегт трюния, вязкого трения, силы противодавления, силы гидравлического сопротивления, возникающие при вытеснении жидкости из полостей при работе гидроударного устройства и другие. При рассмотрении движения инструмента гидроударного устройства учитываются силы сопротивления со стороны разрабатываемого грунта.

Разработано программное обеспечение для проведения динамического расчета гидропневматического ударного устройства. Программное обеспечение является основой программно-имитационного комплекса моделирования гидроударных рабочих органов дорожно-строительных машин и позволяет определять основные параметры гидропневматических ударных устройств в зависимости от давления зарядки газа пневмоаккумулятора, массы бойка, геометрических параметров гидроударника, длин гидролиний, свойств рабочей жидкости и других характеристик.

Для исследования математической модели гидропневматического ударного устройства при-

т

менялось планирование вычислительного эксперимента.

Тщательный анализ информации о параметрах гидропневматического ударного устройства показал, что факторами, в значительной степени влияющими на энергетические характеристики гидроударного устройства, являются:

— масса бойка т, кг (фактор х1);

— давление зарядки газа в пневмоаккумуляторе рго, МПа (фактор х2);

— ход бойка I, мм (фактор х3).

За функцию отклика, характеризующую работу гидропневматического ударного устройства, принимаем скорость подвижных частей в момент удара У1.

В результате вычислительного эксперимента получено следующе е у]^а внение регрессии

V = 9,121е 2,694и + 1,601и2 + 1,646е3 е е 0,889и1и2 е 0,734и1и + 0,071и2е3 е 0,344и1и2е3. (2)

Пол}"1е1^4^с^ее у]^.а7нетие явг^ет<^:4 функциейтрех факторов. О1Ю 1008^0+^60 выввиец утчecтвeнный и количественный характер изменения скорости удара гид]эя^;ыняp01017 от влцяющиxфaктоpув.

Величина коэффициента регрессии — количественная мера влияоия факто р а. О характере влияния факторов говорят знаки коэффициентов.

Из уравнения регрессии (2) видно, что наибольшее влияние на скорость удара У1 оказывают масса бойка, ход бойка и давление зарядки газа в пневмо-аккумуляторе. При этом с увеличением массы бойка скорость удара уменьшается, а с увеличением хода и давления зарядки газа в пневмоаккумулято-ре скорость удара увеличивается. На скорость удара оказывают влияние также эффекты взаимодей-ствио факдощое, составляющих нелинейную часть уравнелия.

Уравндниерегро4сии (0) в ка^ральных значениях факторов имеет вид

V д 2,412 е 0,0171™ +1,102тго + 0,04860 + 0,0028 утг0 +

+ 0,0000980 + 0,03034тго 0 е 0,00027утго 0. (3)

Частные слтчои иеецe1вoванця повертности отклика представлены на рис. 3 — 4 в виде трехмерных графиков, позволяющих наиболее полно проиллюстрировать влияние исследуемых факторов на функцию отклика — скорость удара (зависимости скорости удара от массы бойка, хода бойка и давления зарядки газа пневмоаккумулятора).

Из прдведещных графических зависимостей (рис. 3 — 4) видно, что скорость удара может изменяться в широком 6Т 4,5 до 16 м/с в завуcимocти от массы бийка, дешления зарядки

газа пнев 1о2 ккуму 1 3 ора и 2 3личин 1 2 3да бойка.

Зндя 412рцcтьyдapе,нaйдeмэнopгию единичного удара п0 формуле

Т д (2,412р 0,0171 у +1,102тго + 0,0486 0 + 0,0028 у^0 + + 0,000098у0 + 0,03034тго 0 р 0,00027утго0)2 о /2. (4)

Эффективная (ударная) мощность гидропневматического ударного устройства определяется из выражения Муд = Т■ /, здесь/ — частота ударов.

На рис. 5 представлены результаты расчетов энергии единичного удара в виде трехмерных графиков.

Рис. 3. Зависимость скорости удара V! от массы бойка m и давления зарядки газа пневмоаккумулятора рго (ход бойка I = 100 мм))

Рис. 4. Зависимость скорости удара V от массы бойка т

и величины хода бойка Ь (£) (давление зарядки газа пневмоаккумулятора р = 1,5 МПа)

Е

X

О

го >

Рис. 5. Зависимость энергии удара Т от массы бойка т и давления зарядки газа пневмоаккумулятора рго (ход бойка I = 100 мм))

Полученные уравнения (3) — (4) позволяют определять энергетические параметры гидропневматического ударного устройства, полнее выявить его возможности, сократив время и средства на проведение вычислительных экспериментов.

Исследование математической модели гидропневматического ударного устройства позволило получить зависимости энергии единичного удара, скорости удара от массы бойка, хода бойка и давления зарядки газа пневмоаккумулятора.

Из приведенных графических зависимостей (рис. 3 — 5) видно, что энергия единичного удара и скорость удара гидропневматического ударного устройства может изменяться в широком диапазоне (1500 — 8000 Дж — для энергии удара, от 4,5 до 16 м/с — для скорости удара) в зависимости от массы бойка, давления зарядки газа пневмоакку-мулятора и величины хода бойка.

Выводы. Существенным фактором, влияющим на эффективность работы гидропневматического ударного устройства, является энергия единичного удара, которая зависит от массы подвижных частей и скорости подвижных частей в момент удара. Широкий диапазон изменения скорости удара (от 4,5 до 11 м/с), энергии единичного удара (от 1500 до 8000 Дж) позволяет использовать гидропневматическое ударное устройство в качестве различных видов сменных рабочих органов (гидромолоты, гидротрамбовки) дорожно-строительных машин, в частности экскаваторов.

Библиографический список

2. Галдин, Н. С. Многоцелевые гидроударные рабочие органы дорожно-строительных машин : моногр. / Н. С. Галдин. — Омск : Изд-во СибАДИ, 2005. - 223 с.

3. Галдин, Н. С. Оптимизационный синтез основных параметров гидравлических импульсных систем строительных машин / Н. С. Галдин, В. Н. Галдин, Н. Н. Егорова // Вестник СибАДИ. - 2013. - № 6 (34). - С. 73-78.

4. Глотов, Б. Н. Научные основы создания гидравлических ручных машин ударного действия : автореф. ... дис. д-ра техн. наук / Б. Н. Глотов. - Караганда, 2010. - 40 с.

5. Теоретические основы создания гидроимпульсных систем ударных органов машин / А. С. Сагинов [и др.]. - Алма-Ата : Наука, 1985. - 256 с.

6. Щербаков, В. С. Моделирование гидравлических импульсных систем / В. С. Щербаков, В. Н. Галдин // Вестник Воронежского государственного технического университета. -2010. - Т. 6, № 5. - С. 121-124.

ГАЛДИН Николай Семенович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой подъёмно-транспортных, тяговых машин и гидропривода.

Адрес для переписки:даЫт_п8@81Ъа<31.огд ГАЛДИН Владимир Николаевич, соискатель по кафедре автоматизации производственных процессов и электротехники.

Адрес для переписки:даЫт_п8@81Ъа<31.огд

1. Алимов, О. Д. Гидравлические виброударные системы / О. Д. Алимов, С. А. Басов. - М. : Наука, 1990. - 352 с.

Статья поступила в редакцию 27.05.2016 г. © Н. С. Галдин, В. Н. Галдин

Книжная полка

621.791/М74

Мозговой, И. В. ИК-ультразвуковая сварка полиамида : моногр. / И. В. Мозговой, С. Б. Березнев. -Омск : Изд-во ОмГТУ, 2016. - 269 с.

Рассмотрены вопросы теории и технологии ИК-ультразвуковой сварки ответственных изделий из полиамидов с использованием энергии силового ультразвука и энергии инфракрасного излучения. Выполнялась сварка встык уплотнителей диаметром 1300 мм из полиамидов ПА-6, ПА-610 и сополимера АУ 80/20, имеющих V-образное сечение, и полиамидных труб диаметром от 10 до 30 мм с толщиной стенки до 6 мм. Разработанные технология и оборудование для сварки включены в производственный процесс изготовления гидравлических устройств усилием 30 000 тонн. Рекомендована специалистам, занимающимся переработкой полимерных материалов в изделия, а также научным работникам, аспирантам и студентам.

Бишутин, С. Технология машиностроения : учеб. и практикум / С. Бишутин [и др.] ; под. ред. А. Тотая. -М. : Юрайт, 2016. - 240 с. - ISBN 978-5-9916-5434-0.

В учебнике представлены все основные разделы курса, обеспечивающие подготовку обучающихся к освоению отраслевых технологий обрабатывающих производств. Даны понятия и определения производственного процесса и характеристика машиностроительного производства, принципы проектирования технологических процессов сборки и их размерно-точностной анализ. Изложены теория базирования заготовок и причины возникновения погрешностей при обработке заготовок. Выделены основные направления технологического обеспечения качества поверхностного слоя деталей машин и способы улучшения их эксплуатационных свойств. Описаны вопросы проектирования процессов обработки для различных типов производств, способы их нормирования и оценки себестоимости изготовления продукции. Рассмотрены конкретные примеры расчетов, сформулированы задачи для самостоятельного решения и контрольные вопросы.

Для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования, обучающихся по направлениям: «Автоматизация технологических процессов и производств», «Конструкторско-техноло-гическое обеспечение машиностроительных производств», «Энергетическое машиностроение», «Техно-сферная безопасность», «Управление качеством».