Исследование рабочего цикла пневматического молота без расширения сжатого воздуха в камере обратного хода Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

---------------------------------- © В. В. Червов, А. В. Червов, 2004

УДК 622.233.5

В. В. Червов, А. В. Червов

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОЧЕГО ЦИКЛА ПНЕВМАТИЧЕСКОГО МОЛОТА БЕЗ РАСШИРЕНИЯ СЖАТОГО ВОЗДУХА В КАМЕРЕ ОБРАТНОГО ХОДА

Семинар № 16

азработанный в ИГД СО РАН пнев-

-шГ момолот "Тайфун" с упругим клапаном в системе воздухораспределения используется для забивания стальных труб при бестраншейной прокладке подземных коммуникаций и проведения специальных строительных работ. Он создан взамен мощного пневмопробойника, который применяется в качестве пневмомолота. Новая система воздухораспределения пневмомолота принципиально отличается от воздухораспределения пневмопробойника работой камеры обратного хода (ударника).

Работа камеры обратного хода в пневмопробойнике [1] основана на расширении сжатого воздуха, заполнившего "мертвый" объем камеры обратного хода перед ударом. При расширении камера обратного хода отделена от магистрали сжатого воздуха.

В пневмомолоте "Тайфун" [2] сжатый воздух непрерывно поступает в камеру обратного хода через калиброванное отверстие из магистрали сжатого воздуха. Это позволяет практически до нуля уменьшить "мертвый" объем камеры обратного хода и разместить в тех же габаритах более массивный ударник с большей энергией удара.

Устройство и принцип действия пневмопробойника

Рассмотрим работу пневмопробойника на примере серийно выпускаемого пневмопробойника ИП4601А. Машина предназначена в 1 6 5 1 2 3 12 7 8 11

1 - наковальня; 2 - камера прямого хода,- 3 - окна; 4 - ударник;

5 - камера обратного хода; 6 - корпус; 7 - выхлопная камера; 8 -резиновый амортизатор; 9 - резиновый клапан; 10 - гайка; 11 -золотник; 12 - патрубок; 13 - резиновый шланг; Н - гайка шланга.

основном для пробивания горизонтальных и наклонных скважин, а также для забивания в грунт стальных труб в горизонтальном, наклонном или вертикальном направлениях.

При запуске пневмопробойника в работу из положения, показанного на рис. 1, сжатый воздух из магистрали по рукаву 13 через камеру прямого хода 2, через окна 3 в цилиндрической части ударника 4 поступает в камеру обратного хода 5, образованную корпусом 6 и ударником. За счет давления сжатого воздуха на большую рабочую площадь камеры 5 ударник начинает двигаться вправо по рисунку. Окна 3 на ударнике перекрываются, доступ сжатого воздуха в камеру 5 прекращается и дальше при движении ударника воздух в этой камере начинает расширяться. Наличие фазы расширения сжатого воздуха при движении ударника способствует его охлаждению и обмерзанию деталей пневмопройника в холодное время года.

При подходе ударника 4 к крайнему правому положению происходит выхлоп воздуха из камеры 5 через окна 3, выхлопную камеру 7, сквозные отверстия в амортизаторе 8 и, приоткрывая резиновый клапан 9, - в атмосферу. Давлением воздуха в камере 2 ударник сначала останавливается, а затем движется влево и наносит удар по наковальне 1. При подходе ударника к крайнему левому положению сжатый воздух поступает из камеры 2 Ю % 13 через окна 3 в камеру 5, и цикл

повторяется.

Рис. 1. Устройство пневмопробойника:

1 - наковальня; 2 - камера прямого хода; 3 - окна; 4 - ударник; 5 - камера обратного хода; 6 - корпус; 7 - выхлопная камера; 8 - резиновый амортизатор; 9 - резиновый клапан; 10 - гайка; 11 - золотник; 12 - патрубок; 13 - резиновый шланг; 14 - гайка шланга

На ударнике 4 имеются направляющие пояски-опоры для скольжения в корпусе. Передний поясок выполнен с лысками для прохода воздуха. В заднюю часть корпуса ввернут золотник 11, который состоит из патрубка 12, резинового амортизатора 8, резинового клапана 9 и гайки 10. Резиновый клапан предохраняет внутреннюю полость пневмопробойника от загрязнений. Резиновый амортизатор снижает инерционные силы в деталях золотника и позволяет патрубку самоустанавли-ваться в полости ударника. Гайка 10 удерживается в корпусе от самоотвинчивания коническим сопряжением. Резиновый шланг 13 присоединяется к патрубку с помощью гайки шланга 14.

На рис. 2 изображена индикаторная диаграмма работы пневмопробойника. Линия Р1 показывает изменение давления в камере обратного хода, линия Р2 - изменение давления в камере прямого хода, линия Р3 - атмосферное давление, Р4 - магистральное давление, Р5 - давление в камере прямого хода перед открытием впускного окна. Точка 1 на линии Р1 соответствует моменту открытия окон 3 (рис. 1) и началу впуска сжатого воздуха в камеру обратного хода, в которой за счет этого перед ударом резко повышается давление. Одновременно с этим давление в камере прямого хода падает за счет большого расхода воздуха в камеру обратного хода. В результате происходит торможение ударника и уменьшение энергии удара. Зубцы на диаграмме можно объяснить воздействием на датчики давления звуковой волны, многократно отраженной от стенок камеры. Точка 2 на линии Р2 соответствует закрытию окон 3 при обратном движении ударника. До точки 3 идет расширение воздуха в камере обратного хода и, соответственно, охлаждение. Точка 3 - начало выхлопа из камеры обратного хода. После выхлопа

Рис. 2. Индикаторная диаграмма давлений в камерах пневмопробойника

ударник начинает двигаться к наковальне. При этом давление в камере прямого хода несколько падает - до Р5. В буферной камере так же давление падает до минимума, но после закрытия окон 3 (рис. 1) давление в камере начинает расти, появляется дополнительное сопротивление движению ударника, что уменьшает энергетические показатели пневмопробойника.

Устройство и принцип действия системы воздухораспределения пне-

вматического молота серии "Тайфун "

Сжатый воздух из магистрали по рукаву 1 (рис. 3) заполняет камеру прямого хода 2, под действием давления в ней ударник 3 совершает рабочий ход до удара по наковальне 4. При этом резиновое кольцо 5 приходит в соприкосновение с внутренней конической поверхностью наковальни 4 и закрывает сообщение камеры обратного хода (холостого) 6 с атмосферой. Инерционные силы после удара и сжатый воздух из камеры прямого хода 2 через калиброванное отверстие в жиклере 7 отодвигают клапан 8 от седла 9. По каналу 10, расположенному на боковой поверхности клапана 8, и через сквозное отверстие 11 в ударнике 3 сжатый воздух из камеры прямого хода 2 поступает в камеру обратного хода 6. В ней повышается давление, под действием которого вследствие разности площадей ударник 3 совершает обратный ход и перемещается вправо по рисунку. Резиновое кольцо 5 герметизирует камеру обратного хода, прижимаясь под действием давления воздуха к ударнику 3 и к внутренней конической поверхности наковальни 4; при этом кольцо скользит по ней, растягивается в радиальном направлении и увеличивается в диаметре. В конце обратного хода ударника 3 резиновое кольцо 5 оказывается на пазах 12, выполненных на внутренней поверхности наковальни 4. По этим пазам происходит начало выхлопа сжатого воздуха в атмосферу. Давление в камере обратного хода 6 падает, и под действием упругих сил деформации резиновое кольцо 5 сжимается в радиальном направлении и уменьшается в диаметре. В образовавшийся между резиновым кольцом 5 и внутренней поверхностью

4 6 5 3 11 12 10 8 9 13 7 2 18 16 17 14 15 20 19 1

Рис. 3. Устройство пневмомолота

"Тайфун 1 - рукав; 2 - камера прямого хода; 3 - ударник; 4 - наковальня; 5 - резиновое кольцо; 6 - камера обратного хода; 7 - жиклер с калиброванным отверстием; 8 - инерционный клапан; 9 - резиновое седло клапана; 10 - канал; 11 -сквозное отверстие; 12 - пазы для выхлопа; 13 - канал; 14 - ступица; 15 - клапан; 16 - полиэтиленовое кольцо; 17 - патрубок; 18 - корпус; 19 - хвостовик; 20 -демпфер

наковальни 4 зазор устремляется основной поток сжатого воздуха из камеры обратного хода 6. Дальнейший путь отработанного воздуха проходит по каналам 13 на ударнике, через отверстия в ступице 14 и клапан 15 в атмосферу. Давлением сжатого воздуха в камере прямого хода 2 ударник перемещается в сторону наковальни 4 и наносит удар. При этом ударник 3 совершает ускоренное движение и вытесняет воздух из камеры обратного хода 6 в атмосферу. Перед самым ударом резиновое кольцо 5 вновь приходит в соприкосновение с внутренней конической поверхностью наковальни 4 и закрывает камеру обратного хода 6. Далее цикл повторяется вновь.

При ускоренном движении ударника 3 вперед клапан 8 под действием сил инерции прижимается к седлу 9 и закрывает сообщение камеры прямого хода 2 с камерой обратного хода 6. Выход сжатого воздуха через камеру обратного хода 6 в атмосферу прекращается.

После удара ударника 3 по наковальне 4 клапан 8 продолжает двигаться с предударной скоростью вперед внутри ударника 3, отрывается от седла 9 и открывает калиброванное отверстие 7. Сжатый воздух наполняет камеру обратного хода 6.

Применение в пневмомолоте упруго деформируемого кольца [2] обеспечивает быстрый лавинообразный выхлоп сжатого воздуха из камеры обратного хода и отсутствие пневматического буфера от сжатия воздуха в этой камере при прямом ходе ударника, что позволяет в полтора раза повысить энергию удара в тех же габаритах устройства. Но при этом происходит непроизводительный расход сжатого воздуха из магистрали через калиброванное отверстие и открытую камеру обратного хода в атмосферу.

Для уменьшения расхода воздуха в пневмомолоте "Тайфун" применен инерционный клапан [3].

Экспериментальное исследование пневматического молота "Тайфун-40"

Целью исследования является изучение рабочего цикла пневматического устройства ударного действия с дроссельным наполнением камеры обратного хода. Цель экспериментов: записать индикаторные диаграммы давления в камерах прямого и обратного хода с одновременной регистрацией крайнего заднего положения ударника.

Для определения крайнего заднего положения ударника 3 в резиновом демпфере 20 пневматического молота (рис. 3) на конце легкой латунной трубки был смонтирован подпружиненный контакт с ходом 3 мм. Усилие перемещения латунной трубки в демпфере 20 составляет 50-100 Н. Свободный конец трубки выведен из демпфера 20 наружу и присоединен к кабелю. Электрическая цепь образуется по следующему пути: корпус 18, ударник 3, подпружиненный контакт, латунная трубка.

Для измерения давления в камерах пневмомолота использованы датчики Д1 и Д2 конструкции ИГД СО РАН (рис. 3). Акселерометр А предназначен для определения момента удара. Сигналы с датчиков Д1 и Д2 и акселерометра А поступают в блок усилителей БУ и светолучевой осциллограф ОС марки Н-117. Сигналы с подпружиненного контакта поступают в светолучевой осциллограф ОС через согласующий контактный блок БК.

Техническая характеристика пневмомолота "Тайфун-40” [4].

Масса ударника.....................40 кг

Энергия удара...................400 Дж

Давление воздуха.................0.6 МПа

Частота ударов................2.5-4.9 Гц

Диаметры отверстий в жиклере (1......

.........................5; 6,5; 8 мм

Масса молота........................80 мм

Длина..............................850 мм

Диаметр............................155 мм

Масса инерционного клапана........0.5 кг

Диаметр камеры прямого хода.......95 мм

Результаты экспериментов

Индикаторные диаграммы давлений представлены на рис. 4а, 46 и 4в - линии р[ и р2, соответственно - в камерах прямого и обратного хода пневмомолота. Линия 1 отображает отметку момента удара. Линия 2 - отметка крайнего заднего положения ударника.

Точка т.1 на линии р2 соответствует моменту закрытия камеры обратного хода резиновым кольцом непосредственно перед ударом ударника по наковальне. После этого давление в этой камере начинает расти. В зависимости от площади сечения жиклера скорость повышения давления в камере обратного хода разная - чем больше сечение жиклера, тем быстрее повышается давление

При достижении давления в камере обратного хода на 10% большего, чем необходимо для движения ударника по цилиндрической части наковальни, начинается обратный ход ударника (линия р2). Горб на диаграмме (т.2) появляется из-за того, что ударник разгоняется до скорости обратного хода медленней, чем наполняется камера и повышается давление. При выходе резинового кольца на цилиндрическую часть наковальни в ней наблюдается некоторое снижение давления, т.к. эффективная площадь сечения камеры обратного хода увеличивается и требуется меньшее давление для преодоления силы сопротивления со стороны камеры рабочего хода. Точка т.3 на линии р2 соответствует началу выхлопа из камеры обратного хода. Начало выхлопа происходит раньше, чем ударник приходит в крайнее заднее положение. Это обеспечивает полный выхлоп из камеры обратного хода. При недостаточной скорости ударника перед выхлопом может произойти зависание ударника на выхлопе. Причина - слишком малое сечение жиклера. После выхлопа ударник начинает двигаться вперед, не встречая сопротивления сжатого воздуха. Это положительно влияет на энергию удара. После удара проис-

ходит запирание резиновым кольцом камеры обратного хода, и цикл повторяется.

Провал кривой р2 в начале обратного хода объясняется прекращением поступления сжатого воздуха в камеру обратного хода вследствие закрытия калиброванного отверстия в жиклере, которое происходит из-за отскока клапана от ударника после удара. Чем меньше сечение калиброванного отверстия 1, тем меньше провал кривой р2 (рис. 4). Чрезмерное падение давления в камере обратного хода приводит к преждевременному срабатыванию резинового кольца и нарушению цикла работы пневмомолота.

По результатам экспериментов построен график (рис. 5) зависимости времени обратного хода Т2 от диаметра 1 калиброванного отверстия. С увеличением 1 происходит линейное уменьшение время обратного хода Т2.

Расчет частоты ударов пневмомолота

Частота ударов f= 1/Т; (1)

где Т - время полного цикла работы пневмомолота;

Т = Т + Т2 ; (2)

где Т[ - время прямого хода, с; Т2 - время обратного хода, с.

Сделаем допущение: равнодействующая всех сил, действующих на ударник при прямом ходе, имеет постоянное значение. В этом случае ударник совершает равноускоренное движение.

Время прямого хода

Т = 2 X / V!; (3)

где X - ход ударника, м; V! - предударная скорость, м/с2;

V! = (2 А / М)1/2; (4)

где А - энергия единичного удара, Дж; М -

масса ударника, кг.

Время обратного хода Т2 зависит от размера калиброванного отверстия 8: чем больше это отверстие, тем меньше Т2. Для критического истечения воздуха из калиброванного отверстия отношение абсолютных давлений в камерах должно быть критическим а* = р2 / р! = 0.5282 [5]. Из индикаторных диаграмм давлений (рис. 4) можно установить, что практически весь обратный ход ударника осуществляется

а) диаметр жиклера (1-5 мм

5) диаметр жиклера д-6.5 мм

й) диаметр жиклера д=8 мм

при подкритическом режиме истечения воздуха из калиброванного отверстия в камеру обратного хода. Это следует из того, что величина отношения абсолютных давлений изменяется незначительно и находится в пределах а = 0.7 - 0.8 [5], поэтому для ориентировочного расчета времени обратного хода расходную функцию ф(а) можно считать постоянной. Величина расходной функции для адиабатического (к =1.4) истечения на коротком участке трубопровода с большой скоростью вычисляется по формуле [5]

Ф (а) = (а2/к - а(к+1)/к)0 5 (5)

и находится в пределах ф = 0.24 - 0.26.

Соответственно, расход воздуха О (кг/с) из камеры прямого хода, являющейся про-

Рис. 4. Индикаторные диаграммы давлений, отметки ударов и заднего положения ударника

должением магистрали (неограниченного объема), можно определить по формуле О = 0.00912 -ц- 8 ■ рГф (а) 5];

(6)

где ц - коэффициент расхода, учитывающий эффективную площадь калиброванного отверстия; он определяется экспериментально; 8 - площадь калиброванного отверстия; р! - давление в камере прямого хода, Па.

Скорость движения ударника назад V2 можно принять условно постоянной вследствие неразрывности потока воздуха, т. к. скорость движения воздуха V через калиброванное отверстие 8 постоянна вследствие почти неизменного перепада давлений между камерами.

V2 = V ■ 8 / Б2; (7)

где Б2 - площадь сечения камеры обратного хода.

V2 = X / Т2; (8)

Время обратного хода ударника

Т2 = (X / V) ■ (% / 8). (9)

Для упрощения расчета принимаем Б2 постоянной. На самом деле площадь сечения Б2 камеры обратного хода имеет переменное значение. В начале обратного хода Б2 меньше на 10 %, чем величина сечения этой камеры при скольжении кольца по внутренней цилиндрической поверхности наковальни. Поэтому на диаграмме давлений линия р2 после удара в начале обратного хода имеет характерный выступ т.2 (рис. 4). Отскок ударника от наковальни после удара способствует быстрому восстановлению скорости обратного хода и уменьшает погрешности принятых допущений.

Продолжительность выхлопа по сравнению со временем обратного хода мала и поэтому для расчетов не учитывается. Следует заметить, что при диаметре калиброванного

Время обратного хода от диаметра калиброванного отверстия d

0,4

к х 0,3

Ц 0.2

и Ё 0,1 & 0 ю о

диаметр калиброванного отверстия d

отверстия 5 мм скорость движения ударника назад мала и недостаточна для осуществления полного открытия выхлопных пазов, при котором происходит быстрое уменьшение давления и полное сжатие резинового кольца. Поэтому время выхлопа увеличено на первой диаграмме (рис. 3а) по сравнению с другими диаграммами (рис. 3 б, в).

Соотношение площадей камер прямого Б2 и обратного Б1 хода

4 = = (Бг^)2, отсюда

Б2 = ^ ■ Б,. (10)

Перепад давлений а в камерах обратного р1 и прямого р2 ходов

а = р2/Р1. (11)

Если не учитывать силы трения ударника, резинового кольца и пластмассового кольца, то

Р1 • $1 = Р2 ^2 ИЛИ

Р1/Р2 = (12)

Ъ, = 1 / а (13)

Для критического перепада давлений а* =

0.5282. ^ = 1 / 0,5282 = 1,9.

Это соотношение показывает ограничение по максимуму габарита машины. Площадь камеры обратного хода Б2 и вместе с ней габариты всей машины не должны быть слишком велики, поэтому не следует использовать критический и надкритичес-кий режим наполнения камеры обратного хода, при котором ^ ^ 1,9.

Итак, время обратного хода ударника

Рис. 5. Время обратного хода при разных сечениях жиклера

Т2 = X • Б! • 4 /(8 • V), (14)

Энергия удара А = р! • Х-Бь (15)

где р! - среднее давление в камере прямого хода при прямом ходе ударника

Р1 = 0.9 -рм, (16)

где коэффициент 0.9 учитывает небольшое падение давления в камере прямого хода из-за наличия сопротивления в воздухоподводящей магистрали.

Энергия удара после подстановки формулы (16)в(15)

А = 0.9 -рм-X- Б! илиХ- Б! = А/(0.9 • рм)

Т2 = А -4 /(0.9 • рм • 8 • V) (17)

Расход сжатого воздуха, приведенный к атмосферным условиям [6], для наполнения камеры прямого хода за один цикл вычислим из предположения, что инерционный клапан полностью предотвращает истечение из калиброванного отверстия при прямом ходе ударника.

р! = Б! -X- 0,9 -Рм / Ра, (18)

где X - рабочий ход ударника; ра - атмосферное давление.

Частота ударов {

2 • X

Л

(2 • Л/М)05 0.9 • рм • 5 • V

■)Л

(19)

Выводы

1. Наполнение камеры обратного хода в пневмомолоте с упругим клапаном осуществляется при подкритическом режиме истечения воздуха из калиброванного отверстия.

2. В пневмомолоте с ростом энергии удара и соотношения площадей частота ударов { уменьшается.

3. Увеличение диаметра 1 калиброванного отверстия приводит к уменьшению времени обратного хода Т2 и к росту частоты ударов.

-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гурков КС., Климашко В.В., Костылев А.Д. и др. Пневмопробойники. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1990, 213с

2. Патент РФ № 2105881. Устройство ударного действия. / Червов В.В., Трубицын В.В., Смоляницкий Б.Н., Вебер И.Э. - Опубл. в Б. И. 1998, № 6.

3. Патент РФ № 2085363. Устройство ударного действия. / Червов В.В., Смоляницкий Б.Н., Трубицын В.В., Вебер И.Э. - Опубл. в Б. И. 1997, № 21.

4. Смоляницкий Б.Н., Червов В.В., Скачков К.Б. Новые пневмоударные машины Института горного дела СО РАН //Механизация строительства. 2001. - № 12.

5. Герц Е.В. Динамика пневматических систем машин. - М.: Машиностроение, 1985. - 256 с., ил.

6. Кусницын Г.И. и др. Пневматические ручные машины: Справочник. - Л.: Машиностроение, 1968. -735 с.

— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------------------

Червов Владимир Васильевич - кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории механизации горных работ ИГД СО РАН.

Червов Александр Васильевич — аспирант лаборатории механизации горных работ ИГД СО РАН.

---------------------------------------- © Л.Н. Пашкин, В.А. Пивнев,

Д.А. Юнгмейстер,

К.А. Лукашов,

2004

УДК 622.233.6

Л.Н. Пашкин, В.А. Пивнев, Д.А. Юнгмейстер, К.А. Лукашов

ПЕРСПЕКТИВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКИХ ПЕРФОРАТОРОВ ДЛЯ УСЛОВИЙ КИРОВСКОГО РУДНИКА ОАО "АПАТИТ"

Семинар № 16

ТУ последние годы Кировский

рудник ОАО "Апатит", как видно из графика на рис. 1, устойчиво наращивает годовую производительность, которая согласно ТЭО развития ОАО «Апатит», должна достигнуть в 2005 году 10 млн. тонн руды в год, а к 2017 - 14 млн. тонн. Это говорит о правильном управлении производством, выборе надежных партнеров, поставщиков и покупателей.

В настоящее время при проведении буровзрывных работ на Кировском руднике используются как отечественные пневматические буровые машины так и зарубежные гидравлические буровые станки. На рис. 2 показана динамика количественного состава буровых станков в работе за период 1996-2001 гг. Из рис. 2

следует тенденция по наращиванию доли использования буровых станков СОЛО при одновременном снижении доли использования станков НКР. Так в 1996 г. на добычных работах использовалось только 15% СОЛО, а в 2001 г. - 40%. Аналогичная тенденция прослеживается и при проведении проходческих работ, при этом растет доля использования финских буровых установок МИНИМАТИК (рис. 3).

Наряду с покупкой финской техники приобретается большое количество отечественного пневматического оборудования.

Одним из направлений повышения производительности бурения пневматических перфораторов и погружных пневмоударников яв-