2
Содержание
Введение.................................................................5
1 Анализ конструкций и математических моделей известных ударных узлов ..
......................................................................14
1.1 Анализ конструкций известных ударных узлов.......................14
1.2 Роль математического моделирования при создании новой машины... 30
1.2.1 Анализ известных математических моделей ударных узлов..........32
1.3 Цели и задачи исследования.........................................34
2 Математическое моделирование пиевмогидравлического ударного узла с
формирователем ударного импульса..........................................36
2.1 Принципиальная схема пиевмогидравлического ударного узла 36
2.2 Характеристика и конструктивные параметры элементов
пиевмогидравлического ударного узла.....................................39
2.2.1 Газовая-полость пиевмогидравлического ударного узла............39
2.2.2 Характеристика потери энергии при движении поршня-бойка........41
2.2.3 Параметры формирователя ударного импульса......................48
2.2.4 Управление переключением окон слива и напора...................59
2.3 Математическая модель пиевмогидравлического ударного узла с
неподвижным корпусом....................................................62
2.4 Связь пиевмогидравлического ударного узла с базовой машиной
(агрегатом)...........................................................69
2.5 Математическая модель пиевмогидравлического ударного узла с
учетом колебаний корпуса............................................... 73
2.6 Результаты математического моделирования пиевмогидравлического
ударного узла с неподвижным корпусом....................................79
2.6.1 Результаты математического моделирования
пиевмогидравлического ударного узла с упругой характеристикой
формирователя импульса................................................81
2.6.2 Результаты математического моделирования
пиевмогидравлического ударного узла с вязкоупругой характеристикой
формирователя импульса................................................89
2.7 Выводы по главе...................................................92
3 Формирование ударного импульса при наличии нагрузки.....................93
3.1 Формирование ударного импульса при постоянной нагрузке..............97
3.1.1 Формирование ударного импульса при постоянной нагрузке и постоянной силе в формирователе импульса..........................98
3.1.2 Формирование ударного импульса при постоянной нагрузке и упругой характеристике формирователя импульса....................100
X.
3.1.3 Формирование ударного импульса при постоянной нагрузке и вязкоупругой характеристике формирователя импульса...............102
3.2 Формирование ударного импульса при нагрузке с координатным сопротивлением.......................................................104
3.2.1 Формирование ударного импульса при нагрузке с координатным сопротивлением и постоянной силой в формирователе импульса.......105
3.2.2 Формирование ударного импульса при нагрузке с координатным сопротивлением и упругой характеристикой формирователя импульса... 107
3.2.3 Формирование ударного импульса при нагрузке с координатным сопротивлением и вязкоупругой характеристикой формирователя импульса
.............................................................109
3.3 Формирование ударного импульса при нагрузке с вязким сопротивлением.........................................................111
3.3.1 Формирование ударного импульса при нагрузке с вязким
сопротивлением и постоянной силой в формирователе импульса..........112
3.3.2 Формирование ударного импульса при нагрузке с вязким
сопротивлением и упругой характеристикой формирователя импульса ... 114
3.3.3 Формирование ударного импульса при нагрузке с вязким
■j
сопротивлением и с вязкоупругой характеристикой формирователя импульса............................................................116
3.4 Выводы по главе................................................................................118
4 Использование математического моделирования при проектировании
пиевмогидравлического ударного узла...................................................................119
4.1 Влияние колебаний корпуса на работу подвижных элементов
пиевмогидравлического ударного узла.................................................................119
4.1.1 Работа пиевмогидравлического ударного узла на холостом ходу с
учетом влияния колебаний корпуса..................................................................119
4.1.2 Работа пиевмогидравлического ударного узла при отсутствии
деформации (разрушения) нагрузки с учетом колебаний корпуса.......................................121
4.1.3 Работа пиевмогидравлического ударного узла при наличии
деформации (разрушения) нагрузки с учетом колебаний корпуса.......................................124
4.2 Разработка уточненной инженерной методики проектирования
пиевмогидравлического ударного узла и её практическая реализация....................................128
4.3 Выводы по главе................................................................................135
Заключение..............................................................136
Литература..............................................................138
Приложения..............................................................154
5
Введение
В современной технике для различных целей применяется широкий класс вибрационных и ударных узлов. В машиностроении для реализации штамповки, ковки, клепальных работ, вырубки, в строительстве— забивки свай, трамбовки грунта, разрушения асфальтовых и бетонных покрытий, в горной промышленности— разрушения горных пород, бурения шпуров, в нефтяной промышленности — бурения скважин и т.д.
Наиболее распространены ударные узлы с пневматическим, гидравлическим и пневмогидравлическим приводами, среди которых можно выделить ударные узлы с энергоемкой газовой полостью, позволяющие обеспечить реализацию больших энергий ударов при незначительной установленной мощности привода [1, 37, 38, 39, 59, 60, 64, 70, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 102]. Использование гидропривода для взвода поршня-бойка позволяет иметь высокий КПД, повышенную долговечность, увеличение производительности, что приводит к высоким экономическим показателям. Формирование ударного импульса необходимой формы и увеличение его длительности, приводит к возрастанию эффективности удара. Поэтому в последнее время наблюдается значительный интерес исследователей к определению факторов влияющих на формирование ударного импульса. Так авторы работ [8, 9, 45, 77, 109] изменяли конфигурацию поршня-бойка, тем самым, влияя на форму и длительность ударного импульса, определив эффективную форму импульса при его передаче обрабатываемой среде (в дальнейшем нагрузке) через длинный волновод.
Анализ различных ударных узлов, проведенный в первой главе, показал, что наиболее эффективны те, в которых между поршнем-бойком и наголовником имеется упруго-эластичный или вязкоупругий промежуточный элемент [47, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91]. Тем не менее, влияние этого элемента на формирование ударного импульса и работу ударного узла не изучено.
Учитывая, что ударные узлы применяются в различных областях (машиностроении, Ч строительстве,' горной промышленности), актуальной становится задача создания пневмогидравлического ударного узла, со сменным промежуточным элементом (формирователем), который позволит адаптировать ударный узел к нагрузке.
В качестве основного метода исследований было выбрано математическое моделирование, при проведении которого были учтены колебания корпуса и деформация (разрушение) нагрузки, и экспериментальное уточнение характеристики отдельных элементов.
На основе подробного анализа литературы, проведенного в первой главе, сформулирована цель. Целью данной работы является исследование пневмогидравлического ударного узла с настраиваемой формой ударного импульса путем математического моделирования и детального изучения конструктивных параметров и свойств элементов, входящих в коэффициенты уравнений модели.
Научная новизна. Впервые создана и исследована математическая модель пневмогидравлического ударного узла без предварительного изготовления опытного образца с учетом влияния колебаний корпуса и деформации (разрушения) нагрузки. Предложены схемы формирователя, позволяющие регулировать форму и длительность ударного импульса. Предложена уточненная инженерная методика проектирования ударных устройств с настраиваемой формой ударного импульса на основе их предварительного детального изучения путем математического моделирования.
Практическая значимость работы. Выполненные в диссертационной работе исследования позволяют разрабатывать и конструировать новый класс ударных узлов с регулируемым формирователем импульса. Предложенная процедура определения коэффициентов входящих в математическую модель посредством детального анализа конструктивных параметров разрабатываемого пневмогидравлического ударного узла позволяет ускорить разработку опытного образца близкого к техническим требованиям.
7
Достоверность научных положений, результатов и выводов подтверждается использованием современных численных алгоритмов в решении задач динамики, подтвержденных экспериментальным уточнением отдельных характеристик обт,екта и сопоставлением полученных результатов с опубликованными данными, полученными другими авторами и другими методами.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Принципиальная схема пневмогидравлического ударного узла с формирователем ударного импульса.
2. Математическая модель пневмогидравлического ударного узла с формирователем ударного импульса с учетом влияния колебаний корпуса и деформации (разрушения) нагрузки. Результаты математического моделирования пневмогидравлического ударного узла с формирователем.
3. Уточненная инженерная методика проектирования и рационального выбора основных параметров пневмогидравлического ударного узла с формирователем ударного импульса.
Результаты проведенных исследований математической модели подтверждают основное положение, защищаемое в диссертационной работе, заключающееся в возможности создания конструкции пневмогидравлического ударного узла с регулируемым формирователем импульса, увеличивая эффективность удара, адаптируя ударный узел под нагрузку.
Данный механизм отличается возможностью формирования ударного импульса в зависимости от свойств нагрузки и формирователя импульса.
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих Международных и Всероссийских конференциях:
1. XII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых ’’Современные техника и технологии СТТ' 2006”, г. Томск, 2006г.
2. XIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых ’’Современные техника и технологии СТТ 2007”, г. Томск, 2007г.
3. XIV Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых ’’Современные техника и технологии СТТ' 2008”, г. Томск, 2008г.
4. III Международная конференция “Проблемы механики современных машин”, г. Улан-Удэ, 2006 г.
5. III Международная научно-техническая конференция “Современные проблемы машиностроения”, г. Томск, 2006г.
6. IV Международная научно-техническая конференция “Современные проблемы машиностроения”, г. Томск, 2008г.
7. Всероссийская научно-практическая конференция “Молодые ученые Сибири”, г. Улан-Удэ, 2006 г.
По материалам диссертации опубликовано 12 работ: 2 статьи в журналах центральной печати, 7 статей в сборниках трудов конференций, 2 патента и 1 свидетельство на программу для ЭВМ.
Исходные материалы пличный вклад автора
Диссертация базируется на исследованиях математических моделей пневмогидравлических вибрационных ударных узлов с формирователем ударного импульса, проведенного на кафедре «Автоматизация и роботизация в машиностроении» Томского политехнического университета. По результатам работы получены патенты на пневмогидравлический ударный узел с формирователем импульса (см. приложение Д) и на гидропневматический амортизатор с безинерционным гасителем (см. приложение Е), а также авторское свидетельство на программу для ЭВМ «Моделирование пневмогидравлического ударного узла» (см. приложение Г).
9
Личный вклад автора:
1. Автором проведем детальный анализ основных элементов разработанного пневмогидравлического ударного узла, приведены параметры и их зависимость от конструктивного исполнения пневмогидравлического ударного узла.
2. Составлена математическая модель пневмогидравлического ударного узла с учетом влияния колебаний корпуса и деформации (разрушения) нагрузки. Получены уравнения, описывающие свойства формирователя в зависимости от его конструктивного исполнения.
3. Автором проведены исследования математической модели пневмогидравлического ударного узла при различных конструктивных исполнениях формирователя импульса и различных свойствах нагрузки.
4. На основе результатов детального изучения математической модели предложена уточненная инженерная методика рационального выбора конструктивных параметров ударных узлов с формирователем.
5. Разработана конструкция пневмогидравлического ударного узла
к,
исходя из результатов математического моделирования.
Все исследования проводились в Томском политехническом университете.
Текст диссертации состоит из введения, четырех глав, общих выводов по работе, списка' используемой литературы и приложений. Работа содержит 93 рисунка и 4 таблицы. Библиографический список включает 121 наименований. Общий объем диссертации 179 страниц.
Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулирована цель исследования, его научная новизна и практическая значимость, изложены основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации диссертационной работы и ее краткое содержание по главам.
10
В первой главе проведен анализ известных ударных узлов, определены факторы, влияющие на эффективность ударного импульса. Внесены в классификационную схему ударные узлы с встроенным специальным формирователем импульса. Сформулированы цел и и задачи исследования. Рассмотрены известные математические модели ударных узлов.
Во второй главе приводится конструктивная схема пневмогидравлического ударного узла с формирователем ударного импульса. Проведен подробный анализ основных компонентов ударного узла и коэффициентов динамических уравнений, описывающих эти компоненты, а так же их возможная конструктивная реализация. Составлена математическая модель пневмогидравлического ударного узла при отсутствии деформации (разрушения) нагрузки с неподвижным и колеблющимся корпусом. Для первого случая приведены результаты математического моделирования.
В третьей главе подробно рассмотрены характеристики нагрузки, уточнена математическая модель пневмогидравлического ударного узла с учетом деформации (разрушения) нагрузки, приведены результаты математического моделирования.
В четвертой главе приведены результаты математического моделирования с учетом колебаний корпуса, при отсутствии и с учетом деформации (разрушения) нагрузки. Приведена уточненная инженерная методика последовательности проектирования опытного образца ударных устройств с настраиваемой формой ударного импульса на основе их детального изучения параметров конструктивной схемы и последующего математического моделирования.
В Заключении приводятся основные выводы по результатам диссертационной работы.
В диссертации принята двойная нумерация формул и рисунков. Первая цифра указывает номер главы, а вторая - порядковый номер рисунка или формулы внутри данной главы.
11
Основные условные обозначения
В дальнейшем приняты приведенные ниже обозначения основных переменных величин и параметров рассматриваемых систем. Размерность всех величин выражается в единицах: Н, см, сек, МПа. хк — координата перемещения корпуса, см;
X/ — координата перемещения поршня-бойка, см; х,шг— координата деформации (разрушения) нагрузки, см; хю — координата возникновения ударного импульса, см; х20— координата переключения золотника сливной магистрали на напорную, см;
хоо — координата начала буферной полости, см; ро — давление в газовой полости, МПа;
Ргид — давление в напорной магистрали, МПа;
Рф — давление в формирователе, М77д;
Рбу<}> — давление в буферной полости, МПа;
Ро— сила, образованная давлением, действующим в газовой полости на торец поршня-бойка, Н;
Ргид— сила, образованная давлением, действующим в гидравлической полости на торец поршня-бойка, Н;
Ршт— сила, образованная давлением, действующим в формирователе на нагрузку через промежуточный боек и наголовник, Н;
Рф— сила, образованная давлением, действующим в формирователе на поршень-боек, II;
Рбуф — сила, образованная давлением, действующим в буферной полости на поршень-боек и корпус; II;
Рпред — предварительная сила в формирователе, Н; т/ — масса поршня-бойка, кг; тк — масса корпуса, кг;
Мнаг — совместная масса промежуточного бойка и наголовника, кг;
12
S62— площадь торца промежуточного бойка, расположенного в формирователе, см ;
Sn6— площадь торца поршня-бойка, на который действует давление газовой полости, см2;
SK — площадь внутренней поверхности полиуретановой камеры в формирователе, см2;
Some — площадь напорных и сливных окон, см2;
So*/ — площадь гидравлической полости, см2;
We — объем газа в газовой полости, см ;
сг — коэффициент приведенной жесткости газовой полости, И/см;
Сф — коэффициент приведенной жесткости формирователя, Я/см;
Сам— коэффициент приведенной жесткости амортизатора, Н/см; с наг— коэффициент приведенной жесткости нагрузки, Н/см;
Рею — сила сухого трения, Я;
— сила вязких потерь, Я;
Ра2 — сила гидравлических потерь, Я;
ка, — коэффициент снижения сухого трения, Н-с/м;
— коэффициент вязких потерь, Нс/м;
коз — коэффициент гидравлических потерь, Н с2/м2;
V/ — скорость поршня-бойка, м/сек;
VK — скорость корпуса, м/сек;
У наг — скорость деформации (разрушения) нагрузки, м/сек;
Qф — расход жидкости в полости формирователя, см2/сек; fdp— площадь проходного сечения дросселирующей щели в формирователе, см2;
fomc— площадь проходного сечения окон сливной и напорной магистрали, см ;
/буф — площадь проходного сечения дросселирующих щелей в буферной полости, см2;
Оф, — коэффициент вязкости в формирователе, Н'с/м;
13
с^о,.— коэффициент приведенной вязкости нагрузки, И с/м; сЬу, — коэффициент вязкости амортизатора, Н-с/м;
(Хбуф — коэффициент вязкости в буферной полости, Нс/м; а і — ускорение поршня-бойка, м/с2; ак — ускорение корпуса, м/с2;
анаг— ускорение деформации (разрушения) нагрузки, м/с2; Неуказанные в основных обозначениях величины пояснены в тексте.
і
14
1 Анализ конструкций и математических моделей известных ударных узлов
1.1 Анализ конструкций известных ударных узлов
Ударные узлы могут быть большими по размерам и мощности [64, 104, 79, 59, 99, 115], а так же, наоборот, настолько малы, что позволяют использовать их для механизации ручного труда [101, 31, 78, 81, 7, 30, 29, 33, 16, 51]. Трудно перечислить все виды работ, выполняемых с помощью ударных узлов.
Большое распространение получили механизмы с пневматическим, гидравлическим и пневмогидравлическим приводами [65, 73, 74, 116, 108, 64, 70, 72, 104, 39, 27, 79, 24, 59, 92, 38, 99, 5, 101, 20, 67, 60, 91, 90, 31, 81, 7, 30, 115], классификация которых приведена на рисунке 1.1. Цикл работы ударных узлов можно разделить на разгон и взвод поршня-бойка (см. рис. 1.1). Таким образом, у пневматических ударных узлов разгон и возврат осуществляется с помощью пневматического привода, у гидравлических — гидравлическим приводом, а у пнсвмогидравлических разгон может осуществляться либо пневматическим приводом, либо пневмогидравлическим, а взвод только гидравлическим.
В свою очередь, по частоте ударов ударные узлы делятся на: периодические, осуществляющие одиночные удары, и циклические, работающие в циклическом режиме.
По энергии ударов ударные узлы делятся на три серии: малые, энергия удара составляет до 100 Дж, средние— до 50 кДж и тяжелые— больше 50 кДж.
15
Рисунок 1.1. Классификация ударных узлов.
В данной работе рассматриваются пнсвмогидравлические ударные узлы, работающие как периодически, так и циклически, средней серии, цикл разгона которых осущест вляется с помощью пневмогидравлической системы.
Анализ литературы показывает, что можно сформулировать следующие требования, предъявляемые к ударным узлам:
• Ударный узел должен выполнять как одиночные удары, так и
работать циклически;
• Удельная энергоемкость должна быть максимальной;
• Увеличение времени контакта наголовника и нагрузки;
• Формирование ударного импульса эффективной формы;
• Ю Щ ударного узла должен быть максимальным;
- Київ+380960830922