CC BY
31
тервал времени, которой опять же определяется величиной Эо. Нижнюю границу начальной скорости молота, основываясь на результатах [2,3], можно оценить, как
So >
g(вь - lb-1)
2E%
(18)
ва-
здесь Е - модуль упругости грунта; % лентный коэффициент динамической вязкости;
Ь - коэффициент степени уплотняемости грунта; е - основание натурального логарифма.
Выводы
1. Построен алгоритм, позволяющий задавать энергоэффективные режимы погружения забивных свай.
2.Дана оценка значений, величины начальной скорости молота, при которых выполняются два необходимых условия энергоэффективности процесса погружения забивной сваи в грунт:
- сохранение целостности сваи в зоне контакта с молотом;
- реализация процесса релаксации напряжений в грунте, величины начальной скорости молота.
Эти значения должны принадлежать следующему закрытому числовому интервалу:
g(eb - 2b)
2E%
<
So <42^.
(19)
Библиографический список
1. Калюжник М.М., Рудь В.К. Сваебойные работы при реконструкции (Влияние колебаний на здания и сооружения). Л.: Стройиздат. - 1989. - 160 с.
2. Завьялов А.М., Чекмарева Т.В. Обоснование рационального режима погружения забивных свай // Механизация строительства. - 2003. - № 6. - С.13-15.
3. Завьялов А.М. Чекмарева Т.В. Энергоэффективные режимы свай // Механизация строительства. - 2004. - №5. - С. 17-19.
Development an algorithm for computer-aided design the energy-effective conditions of sinking a drive-piles.
A.M. Zavyalov, T.V. Chekmaryeva
The algorithm for computer-aided design the energy-effective process conditions of sinking a drive-piles is developed. The choice of goal-function is carried out, the restrictions are substantiated.
Завьялов Александр Михайлович - д-р техн. наук, проф., академик РАЕН, проректор по научной работе Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - динамика рабочих процессов строительных и дорожных машин. Имеет 222 публикации, в том числе 3 монографии. е-mail: [email protected]
Чекмарева Татьяна Владимировна -инженер научно-исследовательского сектора Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - автоматизация рабочих процессов строительных машин. е-mail: [email protected]
Статья поступила 25.11.2009 г.
УДК 625.76:626.226
ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГИДРОУДАРНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМ
Н.С. Галдин, д-р техн. нвук, проф., В.Н. Галдин, инженер
Аннотация. Приведены основные сведения об основах автоматизированного проектирования гидроударных импульсных систем, применяемых в качестве активных рабочих органов дорожно-строительных машин.
Ключевые слова: гидроударная импульсная система, гидроударное устройство, автоматизированное проектирование.
Введение гидропробойники и др.), основанная на при-
Гидроимпульсная техника (гидроударные менении в машинах ударного действия объ-
устройства, гидромолоты, гидротрамбовки, емного гидропривода, позволяет осуществить
принципиально новые решения научнотехнических проблем в строительстве, горном деле и других отраслях [3, 6].
Применение гидроимпульсной техники позволяет выполнять разрушение и разработку мерзлого грунта, скальных пород и полотна дорог, проходку скважин в грунте, забивание и извлечение свайных элементов, уплотнение грунта.
Стадии проектирования гидроударной импульсной системы
Гидроимпульсная система (рис. 1) включает следующие основные элементы: источник питания (насос) базовой машины (манипулятора) и гидроударное устройство, состоящее из энергетического блока, блока управления рабочим циклом и инструмента.
Под гидроударным устройством понимается механизм, в котором энергия подводимой к нему жидкости генерируется в импульсы силы определенной частоты и интенсивности, воздействующие на некоторую обрабатываемую среду.
Энергетический блок преобразует непрерывно подводимую от насоса энергию 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.
Производительность активных (основанных на применении гидроударных устройств) рабочих органов дорожно-строительных и других машин во многом определяется правильным выбором конструктивных, энергетических и рабочих параметров гидроударников с учетом назначения, выполняемых функций и применяемой базовой машины.
К основным параметрам гидроударников (гидромолотов) относятся:
- энергия единичного удара;
- масса подвижных частей (бойка);
- частота ударов;
- эффективная (ударная) мощность;
- коэффициент полезного действия (КПД);
- масса гидроударника.
Проектирование объектов, гидроударных
импульсных систем в частности, представляет процесс, включающий синтез структуры объекта, выбор параметров элементов, исследование математической модели, анализ результатов и принятие решения.
Анализ статистических данных по значениям диаметров хвостовика инструментов гидромолотов фирм “Кгирр” (Германия), NPK
(Япония), “Rammer”, “Roxson” (Финляндия) [3] позволил выявить тесную связь между диаметром хвостовика инструмента гидромолота и энергией единичного удара гидромолота. Соотношение между диаметром хвостовика инструмента гидромолота и энергией единичного удара отражается зависимостью вида [3]:
d = a0 + аг • T + a2 • T2, (1)
где d - диаметр хвостовика инструмента, мм; a0, ai, a2 - коэффициенты уравнения регрессии; T - энергия единичного удара, Дж.
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.
Проектант-разработчик, получив ТЗ, на основании своего опыта, известных ему аналогов и интуиции намечает первоначальный приближенный вид решения - принципиальную схему, некоторые конструктивные формы, взаимодействие элементов и т.д.
Затем, с помощью расчетных методов, различных критериев оценки, он анализирует полученное решение и вносит определенные изменения в первоначальный вариант. Далее весь цикл анализа и корректировки решения повторяется.
При обычном методе проектирования разработчик, затрачивая много времени, стремится одним, максимум двумя исправлениями, получить желаемый, наиболее подходящий результат.
В автоматизированном проектировании применяется тот же итерационный метод (т.е. метод последовательных приближений поиска оптимального решения). Но реализация метода существенно отличается от обычного.
Машинная итерация отличается быстродействием, что позволяет осуществить большое число итераций, проработать множество различных вариантов и получить при этом высокую степень оптимизации.
Основой автоматизированных систем проектирования (САПР) становятся математические методы.
Проектирование гидроударной импульсной системы представляет собой итерационный процесс, связанный с последовательным
улучшением системы, принятием уточняющих конструктивных решений. Каждый цикл включает в себя анализ эффективности объекта проектирования, влияния на него характеристик элементов гидроударной импульсной системы и ограничений.
Основная цель проектирования гидроимпульсной системы заключается в выборе оптимального варианта структуры системы, обладающей заданными свойствами, и определении параметров гидроударной импульсной системы для генерирования ударных импульсов заданной энергии единичного удара и частоты при разработке грунта в определенных условиях при высоком КПД использовании установочной мощности привода, при ограниченных размерах и массе ударного устройства для выбранной базовой машины.
При создании гидроударных импульсных систем необходимо рассматривать большое число вариантов структур, параметров и изменять, уточнять математическую модель.
В общем виде система уравнений движения i - го подвижного элемента гидроударного устройства в дифференциальной форме может быть представлена уравнениями динамики следующего вида:
т ^ = F - F • (2)
т л2 Р‘"
где х, - перемещение подвижного элемента; т, - масса подвижного элемента^, - движущие силы; - 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.
Универсальная имитационная модель гидроимпульсных рабочих органов дорожностроительных машин должна быть оформлена в виде программно-имитационного комплекса.
Особенность гидроударной импульсной системы заключается в том, что основная часть функциональных элементов представляет собой динамическую систему с изменяющимися во времени параметрами [3].
Поскольку процесс функционирования
гидроударной импульсной системы сложен и
затруднено ее полное математическое описание в общем виде, поэтому наиболее эффективным и универсальным методом исследования гидроударной импульсной системы является имитационное моделирование.
Общую структуру процесса проектирования гидроударной импульсной системы в САПР можно представить в виде алгоритма (рис. 2), в котором чередуются поисковые, расчетные и иные процедуры, выполняемые ЭВМ, и творческие процедуры, связанные с принятием решений о приемлемости полученных результатов или об изменении направлений поиска, выполняемые проектан-том-разработчиком.
Для реализации такой концепции проектирования необходима декомпозиция общей задачи проектирования гидроударной импульсной системы на ряд последовательно решаемых подзадач меньшей размерности.
Алгоритм проектирования делит проектирование на структурное и параметрическое. Под структурным проектированием понимается выбор структуры, конфигурации, облика гидроударной импульсной системы, что в настоящее время наиболее эффективно выполняет человек-проектант, основываясь на своем опыте, традициях и т.д. Это, так называемые, неформализованные задачи проектирования.
К структурным характеристикам гидроударной импульсной системы можно отнести следующие:
- количество полостей гидроударного устройства (взводящей, сливной, пневмоакку-муляторной, управляющей и т.д.);
- расположение полостей гидроударного устройства;
- способ вытеснения рабочей жидкости при рабочем ходе поршня-бойка;
- способ нанесения удара инструмента по обрабатываемому грунту (с непосредственным ударом, через шабот, с опорным кронштейном, комбинированный и т.д.);
- тип блока управления рабочим циклом гидроударного устройства (золотниковый, беззолотниковый, клапанный и т.д.);
- форма и расположение блока управления рабочим циклом гидроударного устройства (внутри корпуса, снаружи и т.д.);
- количество энергоносителей (один - рабочая жидкость, два - газ и рабочая жидкость).
При параметрическом проектировании (формализованных задачах проектирования) гидроударной импульсной системы проектант-разработчик задает параметры, которые необходимо оптимизировать, целевую функцию (критерий), дисциплинирующие условия,
метод оптимизации, составляет программы оптимизации (или использует уже существующие), определяет исходные данные.
Исходными данными для выбора и расчета основных параметров гидроударной импульсной системы являются мощность насосной станции (приводная) базовой машины и масса базовой машины тэ.
Эффективная (ударная) мощность гидромолотов зависит от энергии единичного удара и частоты ударов. Энергия единичного удара гидромолота зависит от массы подвижных частей и скорости подвижных частей в момент удара. Частота ударов гидромолотов ограничивается производительностью насоса базовой машины.
Существенным фактором, влияющим на эффективность работы гидромолота, является энергия единичного удара. В связи с этим за показатель конструктивного совершенства ударного устройства может быть принято значение удельной энергии единичного удара, приходящейся на единицу массы гидромолота. Энергетическая нагруженность гидромолотов характеризуется удельной ударной мощностью, приходящейся на единицу массы гидромолота.
Энергоемкость процесса разработки грунта машиной ударного действия зависит от энергии единичного удара гидромолота, частоты ударов, объема разрушенной зоны грунта, производительности гидромолота и коэффициента использования машинного времени.
Возможны другие целевые функции, по которым оценивается эффективность работы гидроимпульсной системы (максимальный КПД; максимальная надежность; минимальная стоимость изготовления; минимальнаяэнерго-емкость разработки грунта и т.д.). Численные значения проектных параметров рассчитываются на ЭВМ.
Каждой из перечисленных целей оптимального проектирования соответствует свой критерий оптимизации: КПД, надежность и др. Обилие критериев усложняет как задачу выбора наилучшего критерия, так и формализацию задачи проектирования. В большинстве случаев названные критерии представляются функциями, не имеющими экстремумов (нетривиальными).
В связи с этим требуется построение многокритериальных или условно-экстремальных моделей. В обоих случаях решение задач оптимизации становится более трудным по сравнению с решениями задач нахождения экстремумов одной функции.
Выводы
Таким образом, проектирование гидроударной импульсной системы представляет собой итерационный процесс, связанный с выбором структуры, конфигурации, облика гидроударной импульсной системы, последовательным улучшением системы, принятием уточняющих конструктивных решений. Каждый цикл включает в себя анализ эффективности объекта проектирования, влияния на него характеристик элементов гидроударной импульсной системы и ограничений.
Библиографический список
1. Автоматизированное проектирование машиностроительного гидропривода / И.И.Бажин, Ю.Г.Беренгард, М.М.Гайцгори и др. Под общ. ред. С.А.Ермакова. - М.: Машиностроение, 1988. - 312 с.
2. Бажин И.И. Проблемы создания и развития САПР в гидро-приводостроении / И.И.Бажин. - М.: ВНИИТЭМР, 1985. - 52 с.
3. Галдин Н. С. Многоцелевые гидроударные рабочие органы дорожно-строительных машин: монография / Н. С. Галдин. - Омск: Изд-во СибА-ДИ, 2005. - 223 с.
4. Керимов З.Г Автоматизированное проектирование конструкций / З.Г.Керимов, С.А.Багиров. -М.: Машиностроение, 1985. - 224 с.
5. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем. - М.: Высш.школа, 1980. - 311 с.
6. 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.
Bases of the automated designing of hydroshock pulse systems
N.S. Galdin, V.N. Galdin
The basic data on bases of the automated designing the hydroshock pulse systems applied as active working bodies of road-building machines are resulted.
Галдин Николай Семенович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Подъемнотранспортные, тяговые машины и гидропривод» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - теория и проектирование многоцелевых гидроударных рабочих органов ДСМ. Имеет более 180 опубликованных работ. E-mail: [email protected].
Галдин Владимир Николаевич - инженер, соискатель Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. Основное направление научных исследований - автоматизированное проектирование систем.
Статья поступила 15.12.2009 г.
