CC BY
87
УДК 681.5: 621.22
МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМ
ВС. Щербаков, В.Н. Галдин
В статье приведены основные сведения о моделировании гидравлических импульсных систем, применяемых в качестве активных рабочих органов дорожно-строительных машин. Приведены зависимости для определения основных параметров гидроударных устройств (массы гидроударного устройства, диаметра хвостовика инструмента, частоты ударов гидроударного устройства)
Ключевые слова: моделирование, гидроударное устройство, проектирование
Применение гидравлической импульсной техники позволяет выполнять разрушение и разработку мерзлого грунта, скальных пород и полотна дорог, проходку скважин в грунте, забивание и извлечение свайных элементов, уплотнение грунта.
Гидравлическая импульсная система (рис. 1) включает следующие основные функциональные элементы: источник питания (насос) базовой машины и гидроударное устройство, которое является основой гидроимпульсной системы.
Гидроударное устройство служит для генерирования ударных импульсов заданной энергии единичного удара и частоты при разработке грунта в определенных условиях [1 -4]. При этом должен обеспечиваться высокий КПД использования мощности привода базовой машины, при ограниченных размерах и массе ударного устройства для выбранной базовой машины.
Гидравлическое ударное устройство состоит из энергетического блока, блока управления рабочим циклом и инструмента.
Энергетический блок преобразует непрерывно подводимую энергию от насоса базовой машины в дискретную энергию с большим значением ударной мощности. Энергетический блок включает корпусные детали, подвижные детали и рабочие полости. Блок управления рабочим циклом предназначен для управления преобразованием непрерывно подводимой энергии в периодические импульсы.
Рабочие полости (камеры) гидроударного устройства рассматриваются как замкнутые объемы, в которых происходит изменение параметров находящейся в них рабочей среды (жидкости или газа - для пневмоаккумулятор-
ной полости). Рабочие полости могут быть как постоянного, так и переменного объема.
Щербаков Виталий Сергеевич - СибАДИ, д-р техн. наук, профессор, тел. (3812) 65-17-90
Галдин Владимир Николаевич - СибАДИ, инженер, тел. (3812) 65-17-90
Рис.1. Схема гидроимпульсной системы:
1 - насос; 2 - гидроударное устройство; 3 -корпус;
4 - поршень-боек; 5 - инструмент (А - диаметр хвостовика инструмента); 6 - блок управления;
7 - гидробак
К основным параметрам гидроударников относятся:
энергия единичного удара Т, Дж; масса подвижных частей (бойка) т, кг; частота ударов /, Гц;
эффективная (ударная) мощность Ыуд , Вт; коэффициент полезного действия (КПД) п; масса гидроударника М, кг.
Энергия единичного удара гидроударника зависит от массы подвижных частей и скорости подвижных частей в момент удара. Эффективная (ударная) мощность гидроударников зависит от энергии единичного удара и частоты ударов.
Существенным фактором, влияющим на эффективность работы гидроударника, является энергия единичного удара. В связи с этим за показатель конструктивного совершенства ударного устройства может быть принято значение удельной энергии единичного удара, т.е.
энергии единичного удара, приходящейся на единицу массы гидроударника.
Частота ударов гидроударников ограничивается ходом бойка и производительностью насоса базовой машины.
В настоящее время реальный подход к проектированию гидравлических ударных устройств заключается в наиболее полном сочетании возможностей вычислительной техники по переработке больших объемов информации и умении проектанта-разработчика оценивать ситуацию и выполнять функции, требующие воображения, интуиции и способности учитывать различные факторы, не предусмотренные первоначальной программой.
Проектирование объектов, гидроударных импульсных систем в частности, представляет процесс, включающий синтез структуры объекта, выбор параметров элементов, исследование математической модели, анализ результатов и принятие решения.
Проектирование начинается с разработки технического задания (ТЗ), тщательного анализа возможных решений. Затем создается математическая модель разрабатываемого объекта (изделия, процесса). Построив математическую модель, приступают к ее исследованию, изучению ее свойств, стремясь выяснить, в какой мере разработанный объект соответствует своему назначению.
Исходной информацией для проектирования служит ТЗ, где приведены основные требования к проектируемому объекту.
Среда проектирования гидроударного устройства (рис. 2) позволяет реализовать полный цикл проектных исследований, отражаемый в информационном проектном пространстве. В
зависимости от назначения гидроимпульсной техники, комплекса внешних воздействий, типоразмера базовой машины, у проектанта-разработчика имеется возможность изменять число связей между моделями и исследовать наиболее важные эффекты, проявляющиеся при работе гидроударного устройства.
При создании гидроударных импульсных систем необходимо рассматривать большое число вариантов структур, параметров и изменять, уточнять математическую модель.
В общем виде система уравнений движения / - го подвижного элемента гидроударного устройства в дифференциальной форме может быть представлена уравнениями динамики следующего вида:
ё хі ~йґГ
■ - Рді - Реі
(2)
где - перемещение подвижного элемента; т, - масса подвижного элемента;^; - движущие силы; ¥С1 - силы сопротивления.
Движущие силы зависят от величин давлений, действующих в полостях гидроударного устройства, и эффективных площадей полостей. Силы сопротивления учитывают силы механического трения, 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.
Модель динамических процессов
Модель гидравлических процессов
Модель структурно -компоновочных решений
Информационное проектное пространство гидроударного устройства (ГУ)
____і її Модель рабочих процессов
взаимодействия с грунтом
я
Модель качества и эффективности
Комплекс проектирования ГУ
Рис. 2. Основные компоненты среды проектирования гидроударного устройства
В работе [2] на основе регрессионного анализа статистических данных технических характеристик гидроударников зарубежных и отечественных фирм были установлены функциональные зависимости между следующими основными параметрами гидроударников:
• Диаметром хвостовика инструмента гидроударника и энергией единичного удара Т :
А = а0 + а1 - Т + а2 - Т2, (1)
где А - диаметр хвостовика инструмента, мм; а0, а1з а2 - коэффициенты, а0 = 49,17; а1 = 0,0354; а2 = -2,8885-10-6 ; Т- энергия единичного удара, Дж, Т е (200, 6000).
• Массой гидроударника и энергией единичного удара Т:
М = а0 + аТ + а2Т2, (2)
где М- масса гидроударника, кг: а0 , а1 , а2 -коэффициенты, а0 = 3,20; а1 = 0,5704; а2 = - 0,000035; Т - энергия единичного удара, Дж, Т е (200, 6000).
На рис. 3 представлены зависимости, полученные по уравнению регрессии (1) (пунктирная линия 2) и уравнению (2) (сплошная линия 1).
Рис. 3. Зависимость массы гидроударника М (сплошная линия 1) и диаметра хвостовика ё инструмента (пунктирная линия 2) от энергии единичного удара Т
Дальнейший анализ технических характеристик гидроударников зарубежных и отечественных фирм, приведенных в работах [1, 2], позволил выявить закономерность зависимости частоты ударов гидроударника от его энергии единичного удара: с увеличением энергии единичного удара гидроударника снижается его частота ударов. Указанная закономерность выражается следующим уравнением регрессии:
/ - ЬТп, (3)
где / - частота ударов, Гц; Ь - коэффициент, Ь = =68,598; Т - энергия единичного удара, Дж, Т є (1000, 5000); п - показатель степени, п = -0,2779.
На рис. 4 приведен график зависимости частоты ударов гидроударника от энергии единичного удара, построенный по уравнению регрессии (3).
Рис. 4. Зависимость частоты ударов гидроударника / от энергии единичного удара Т
На рис. 5 - 6 показаны окна для определения основных параметров гидроударного устройства.
Определение параметров ГУ ш
Энергия единичного удара гидроударника Ь Дж: |юоо| 1 из 21
Диаметр хвостовика инструмента й, мм: 31,7 Добавить
Масса гидроударного устройства М, кг: 539 Удалить
Ударная мощность гидроударного устройства, кВт: 9,8 Вернуть
Максимальная частота гидроударного устройства; Гц: 9,84 Назад
Далее
Критерии
Занрыть
н
Рис. 5. Рабочее окно определения параметров гидроударного устройства (энергия единичного удара 1000 Дж)
Определение параметров ГУ Г
Энергия единичного удара гидроударника Т, Дж: |зооо | 11 из 21 I
Диаметр хвостовика инструмента й, мм: 129,4 Добавить J
Масса гидроударного устройства М, кг: 1399 Удалить J
Ударная мощность гидроударного устройства, кВт: 22,6 Вернуть J
Максимальная частота гидроударного устройства; Гц: 7,53
_1 Назад J
Далее J
Критерии J
Закрыть J
л]
Рис. 6. Рабочее окно определения параметров гидроударного устройства (энергия единичного удара 3000 Дж)
Таким образом, функциональные зависимости основных параметров гидроударников являются базой для проектирования гидроударных устройств, используемых в качестве активных рабочих органов мобильных машин.
Литература
1. Архипенко А.П., Федулов А.И. Гидравлические ударные машины. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1991. 108 с
2. Галдин Н.С. Уравнения регрессии основных параметров гидроударных импульсных систем.- Строительные и дорожные машины, 2002, N3, С. 15 - 16.
3. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем. М.: Высш. школа, 1980. 311 с.
4. Теоретические основы создания гидроимпульсных систем ударных органов машин / А.С. Сагинов, И.А. Янцен, Д.Н. Ешуткин, Г.Г. Пивень. Алма-Ата: Наука, 1985. 256 с
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
MODELLING OF HYDRAULIC PULSE SYSTEMS V.S. Shcerbakov, V.N. Galdin
In clause the basic data on modelling the hydraulic pulse systems applied as active working bodies of road-building machines are resulted. Dependences for definition of key parameters of hydroshock devices (weight of the hydroshock device, diameter of a shaft of the tool, frequency of impacts of the hydroshock device) are resulted
Key words: modeling, the hydroshock device, designing
