CC BY
29
© Л.В. Городилов, О.А. Пашина, А.К. Ткачук, 2007
УДК 622.230
Ё.В. Городилов, О.А. Пашина, А.К. Ткачук
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗОЛОТНИКОВОГО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРНОГО УСТРОЙСТВА С ЗАДЕРЖКОЙ УДАРНИКА В НАЧАЛЕ ОБРАТНОГО ХОДА
Семинар № 20
В[ 1] представлена гидравлическая ударная машина с задержкой движения ударника (по давлению) в начале обратного хода. От известных зарубежных аналогов [2] ее отличает простота распределительного устройства. Испытания макетной модели гидравлической ударной машины (далее ударного устройства) показали [3], что в данной система не всегда реализуется расчетный цикл (во время обратного хода ударника при понижении давления в системе возможно возвращение золотника в исходное состояние и преждевременный переход ударного устройства к фазе "торможения и прямого хода”). Поэтому была предложена конструкция [4] двухступенчатого (со стороны камеры управления) золотника. Изготовлено три экземпляра золотников с различными площадями ступеней. Испытания показали, что характер работы такой конструкции (после некоторой доработки) абсолютно устойчив и она может эффективно использоваться в гидравлических ударных машинах с частотой до ~20 Гц. В настоящей работе представлены некоторые результаты экспериментальных исследований заявленной конструкции золотникового распределителя.
Экспериментальная установка ударного устройства и методика измерений
На рис. 1 представлена схема экспериментальной установки ударного устройства с указанием датчиков и измерительного комплекса. Конструктивно установка разделена на ударный узел УУ с управляемой камерой прямого хода; двухпозиционный распределитель Р с ударным узлом обратными связями по положению ударника и по давлению в системе, при помощи которых реализуется автоколебательный режим работы ударного устройства и задержка движения ударника в начале обратного хода; насос Н производительностью ~14 л/мин при номинальном давлении 10 МПа (НШ10Д). Ударный узел, распределитель и насос между собой соединены гибкими шлангами. Для крепления ударного узла и распределителя используется рама, жестко закрепленная на массивном основании.
Ударный узел УУ включает цилиндр 1 с отверстиями под штуцера соединительных шлангов и датчиков давления и дифференциальный поршень-ударник 2 с проточкой для управления работой распределителя Р. Цилиндр жестко прикреплен к ра-
Рис. 1. Схема экспериментальной установки ударного устройства: УУ - ударный узел, Р - распределитель, А - аккумулятор, Н - насос, КБ - коммутационный блок, ПК -персональный компьютер с внутренней платой АЦП, УП1, .., УД4 - усилители датчиков давления и перемещения, ДД1, .., ДД4 - датчики давления, ДП1, ДП2 - датчики перемещения, М1 - манометр
ме, с правой (по схеме) стороны которой установлен массивный ограничитель 3 движения ударника. К левому по схеме торцу ударника прикреплен подвижный элемент (трубка) датчика перемещения ДП1. Первичный преобразователь этого датчика неподвижно установлен на раме при помощи специальной стойки. На цилиндре со стороны камеры 4 прямого хода установлен датчик давления ЛЛ1.
Распределитель Р состоит из корпуса 5, бронзовой втулки 6 и золотника 7. К корпусу жестко прикреплен газожидкостный аккумулятор 8, а также присоединены шланги от насоса Н (напорный и сливной) и шланги,
связывающие распределитель с ударным узлом УУ (управляющие и соединительные). В исходном состоянии золотник 7 с заданным усилием поджат пружиной 9 к правому по схеме внутреннему торцу втулки 6 (позиция I). Камера 10 управления распределителя, в зависимости от положения ударника 2, может быть соединена либо с напорной магистралью 11 и аккумулятором 8, либо со сливом 12 или может находиться в замкнутом состоянии. К правому по схеме выходящему за корпус 5 торцу золотника прикреплен подвижный элемент датчика перемещения ДП2. Первичный преобразователь этого датчика неподвижно установлен на специаль-
ной стойке, прикрепленной к корпусу распределителя. При помощи датчиков ДД2, ДД3 и ,Д#4измеряются давления, соответственно, в камере управления распределителя, на сливе и в аккумуляторе.
Регистрацию динамических характеристик устройства производили при помощи цифрового измерительного комплекса на базе персонального компьютера ПК Pentium III и аналогоцифрового преобразователя АЦП (модуля E-440). Для питания датчиков и согласования аналоговых сигналов использовали коммутационный блок КБ.
Измерение давлений производили датчиками (ДД1 - ДД4) фирмы Honeywell ML Series диапазоном 0-136 атм и 0-345 атм с временем ответа <500 мкс с точностью -2..+2% полной шкалы измерений при любых допустимых условиях работы. Датчики выдерживают пятикратную перегрузку по давлению и ударные ускорения до 50g. Соединение датчиков с ударным устройством производили при помощи гибких шлангов длиной ~0,2 м.
Для измерения перемещений использовали датчик (ДП1) EDS-100 фирмы Micro-Epsilon, регистрирующий перемещения 0-100 мм в частотном диапазоне 0-150 Гц с точностью -0,3..+0,3 % полной шкалы измерений и датчик (ДП2) ДЁП-20 (Сенсорика-М, г. Самара), регистрирующий перемещения 0-20 мм в частотном диапазоне 0-200 Гц с точностью -0,5..+0,5 % полной шкалы измерений.
На выходе из насоса при помощи расходомера (PM) DV04 фирмы PKP производили регистрацию расхода.
Описание рабочего цикла и результаты измерений
Рабочий цикл реализуется следующим образом. При подаче жидкости в систему начинается зарядка ак-
кумулятор 8, давление также поднимается в камерах 4 и 13 ударного устройства УУ и в камере 10 управления распределителя Р. Ударник 2 в этот момент за счет разницы площадей со стороны камеры 4 прямого и камеры 13 обратного хода прижат к ограничителю 3. Когда давление в камере 10 управления распределителя Р станет достаточным, чтобы усилие с ее стороны на золотник 7 стало больше усилия поджатия пружины 9 и силы трения, начнется движение золотника 7. Золотник 7 смещается влево по схеме до ограничителя 14 (позиция II), при этом камера 4 прямого хода УУ отсоединяется от напора и соединяется со сливом. Начинается движение ударника 2 - обратный ход. После того как кромка А ударника 2 достигнет координаты х11, камера 10 управления распределителя Р отсоединится от напора и аккумулятора 8, а после достижения кромкой Б ударника 2 координаты х12 - соединится со сливом. Золотник 7 займет исходное положение, камера 4 прямого хода соединится с напором и за счет разности площадей поршня ударника 2 в камере 4 прямого хода и камере 13 обратного хода начнется торможение и прямой ход ударника 2. При этом камера 10 управления распределителя Р сначала отсоединяется от слива, затем соединяется с аккумулятором 8 и напором. После достижения ударником 2 ограничителя 3 и его остановки, цикл начинается снова.
Как указывалось во введении, в случае, если давление в системе во время обратного хода падает, то возможно возвращение золотника 7 в исходное положение до того, как координата кромки Б ударника достигнет значения х12. В предложенной [4] конструкции двухступенчатого золотника поверхность 1-й ступени площадью
№№ Масса, кг Б21, см Б22, см Жесткость пружины, Н/см Начальное поджатие, см Х21, см Х22, см
1 0,33 3,01 0,91 52 3 0,8-2,3 2,3
2 0,36 1,67 0,46 1
Рис. 2
Б21 постоянно связана с камерой 10 управления распределителя, а поверхность 2-й ступени площадью Б22 в исходном состоянии связана со сливом. При некотором начальном смещении золотника на х21 2-ая ступень сначала отсоединяется от слива, а затем при смещении на х22 соединяется с камерой 10 управления распределителя. Сила, действующая на золотник, возрастает пропорционально величине площади Б22. Вследствие этого происходит увеличение скорости движения золотника и, после оста-
новке на ограничителе, надежное удержание его в позиции II. Были проведены исследования двух типоразмеров золотников, параметры которых представлены в таблице.
На рис. 2, 3 представлены характерные осциллограммы перемещений ударника х1 и золотника х2, давления в камере управления золотника р, полученные при испытаниях золотника № 1. Вертикальные линии на рис. 2 отмечают характерные участки движения золотника. Отличие, наблюдаемые на осциллограммах, связаны с
Рис. 3
величиной х22-х21, на протяжении которой при движении золотника его камера с площадью Б22 находится в замкнутом состоянии. В случае больших значений х22-х21 наблюдается участки при прямом 11-12 и обратном ходе 15-16, на которых происходит существенное уменьшение скорости (рис. 2). Это вызвано тем, что в камере связанной с площадью Б22, когда она оказывается замкнутой, при движении золотника влево (по рис. 1) образуется разрежение, а при движении вправо, напротив образуется замкнутый сжатый объем жидкости. В обоих случаях это создает силы, препятствующие движению. Для золотника № 1 это эффект проявляется сильней, чем для золотника № 2, что связано с большей величиной для не-
го площади Б22. При величине х22-х21, меньшей чем 0,5 мм, этот эффект в обоих золотниках не наблюдается, участки 11-12и 15-16 на осциллограммах отсутствуют (рис. 3).
В экспериментах была обнаружена негативная особенность данной конструкции, связанная с наличием возвратного движения золотника (на рис. 3 отмечено стрелкой), максимальное значение которого достигало величин, равных ~1,5 мм и было вызвано гидроударной волной, образующейся при столкновении ударника с ограничителем. В опытах под ограничитель для смягчения удара подкладывали резиновый демпфер, в реальных условиях при более жестком ударе возможно усиление этого эффекта. Отметим, что при перекрытии, равном
б)
Рис. 5
1,5 мм, при обратном ходе золотник обратно и золотник открывался. На-№ 1 не успевал дойти до крайнего блюдался сдвоенный цикл.
правого (по рисунку) положения, гид-
На рис. 4, 5, соответственно, для
роударной волной его выбрасывало золотников № 1, № 2, представлены
зависимости времен движения золотника 13-10 и 17-14 от величины х22-х21. Заметим, что время 17-14 (при х21-х22<0,5) в обоих случаях почти на 10 мс меньше, чем 13-10 и не превышает 14 мс. Суммарное время движения золотника №2 оказалось меньше, чем золотника №1 более чем на 10 мс. Этот результат, возможно, связан с наличием достаточно длинного шланга, соединяющего камеру управления золотника с цилиндром УУ.
Выводы
В результате проведенных исследований показана работоспособность заявленной конструкции распределительного устройства. Введение дополнительной ступени позволяет
1. Патент РФ №2230189. Гидравлическая ударная машина (варианты) // Гол-добин В. А., Городилов Ё.В., Пашина О. А. Бюл. №16 за 2004 г.Городилов Ё. В.
2. Архипенко А. П., Федулов А. И. Гидравлические ударные машины. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1991.
3. Городилов Л.В., Голдобин Б.А., Пашина О.А., Белобородов В.Н., Ткачук А.К. Стенд и измерительно-вычислительный
уменьшить время переброски золотника и обеспечить его надежное удержание при обратном ходе ударника. Величина перекрытия х22 не должна быть меньше значения 1,5 мм, чтобы предотвратить преждевременную переброску золотника вследствие воздействия гидроударной волны после столкновения ударника с ограничителем. При ее уменьшении с целью уменьшения времени срабатывания золотника необходимо предпринять конструктивные изменения, препятствующие проявлению этого эффекта. С учетом полученных результатов возможно применение данной конструкции золотника в ударных устройствах с частотой до 20 Гц.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
комплекс для экспериментальных исследований гидравлических ударных систем.//Международная конференция Проблемы и перспективы развития горных наук - Новосибирск, 2004.
4. Патент РФ № 2258161. Распределитель гидравлических ударных устройств (варианты) // Голдобин В.А., Городилов Ё.В., Пашина О.А. Бюл. №2 за 2005 г.
— Коротко об авторах-----------------------------------------------------
Городилов Л.В., Пашина О.А., Ткачук А.К. - Институт горного дела СО РАН, г. Новосибирск.
А
346
