авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Модели пневмогидравлического ударного узла с учетом свойств формирователя импульса и нагрузки

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Дерюшева Валентина Николаевна

МОДЕЛИ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРНОГО УЗЛА С УЧЕТОМ СВОЙСТВ ФОРМИРОВАТЕЛЯ ИМПУЛЬСА И НАГРУЗКИ

01.02.06  –  Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Томск – 2009

Работа выполнена на кафедре автоматизация и роботизация в машиностроении Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Томский политехнический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Крауиньш Петр Янович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Максименко Андрей Алексеевич; кандидат технических наук, доцент Ларионов Сергей Аркадьевич
Ведущее предприятие: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный технический университет» (ИрГТУ)

Защита состоится 25.11.2009 г. В 15 – 00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.269.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Томский политехнический университет» по адресу: 634050, г.Томск, пр. Ленина, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Томский политехнический университет» по адресу: 634034, г. Томск, ул. Белинского, 53 – а.

Автореферат разослан __ _______ 2009 г.

Ученый секретарь совета
по защите докторских и кандидатских
диссертаций Д 212.269.01,

кандидат технических наук, доцент Т. Г. Костюченко

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В современной технике для различных целей применяется широкий класс вибрационных и ударных узлов. Наиболее распространены ударные узлы с пневматическим, гидравлическим и пневмогидравлическим приводами, среди которых ударные узлы с энергоемкой газовой полостью, позволяющей обеспечить реализацию больших энергий ударов при незначительной установленной мощности привода. Использование гидропривода для взвода поршня-бойка позволяет иметь высокий КПД, повышенную долговечность, увеличение производительности, что приводит к высоким экономическим показателям. Поэтому важную роль играет совершенствование пневмогидравлических ударных узлов (ПГУУ) направленное на увеличение эффективности единичного удара.

Важным направлением является формирование ударного импульса необходимой формы и увеличение его длительности, что и приводит к возрастанию эффективности удара. Поэтому в последнее время, при изучении динамики ударных узлов, наблюдается значительный интерес исследователей к определению факторов влияющих на формирование ударного импульса.





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. 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, строительстве, горной промышленности), актуальной становится задача создания ПГУУ, со специальным формирователем, который позволит адаптировать ударный узел к обрабатываемой среде (далее нагрузке).

Целью 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.

Задачи исследования:

  1. Произвести подробный анализ параметров пневмогидравлического ударного узла выбранной конструктивной схемы входящих в коэффициенты дифференциальных уравнений математической модели.
  2. Разработать математическую модель ПГУУ при неподвижном корпусе и отсутствии деформации (разрушения) нагрузки.
  3. Исследовать особенности ударного импульса, полученного при использовании формирователя при отсутствии деформации (разрушения) нагрузки.
  4. Изучить влияния параметров формирователя и свойств нагрузки на форму ударного импульса.
  5. Разработать математическую модель пневмогидравлического ударного узла, учитывающей влияния колебаний корпуса и сопротивление нагрузки;
  6. По результатам математического моделирования уточнить инженерную методику рационального выбора элементов конструкции ПГУУ с формирователем ударного импульса.

Методика исследования основывается на использовании математического моделирования рабочих процессов ПГУУ, научных положений гидромеханики, теоретической механики, а также применения методов математического моделирования на ЭВМ и вычислительной техники и методов вычислительной математики.

Научная новизна работы определяет

  1. Разработанная конструктивная схема ПГУУ с формирователем ударного импульса.
  2. Математическая модель ПГУУ без предварительной разработки опытного образца.
  3. Конструктивные схемы формирователя, позволяющие регулировать форму и длительность ударного импульса.
  4. Уточненная инженерная методика проектирования ударных устройств с настраиваемой формой ударного импульса на основе их предварительного детального изучения путем математического моделирования.

Практическая ценность работы. Выполненные в диссертационной работе исследования позволяют разрабатывать и конструировать новый тип ударных узлов с регулируемым формирователем импульса. Предложенная процедура определения коэффициентов входящих в математическую модель посредством детального анализа конструктивных параметров разрабатываемого ПГУУ позволяет ускорить разработку опытного образца близкого к техническим требованиям.

На защиту выносятся:

  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.
  3. Результаты математического моделирования и уточнение инженерной методики проектирования и рационального выбора основных параметров пневмогидравлического ударного узла с формирователем ударного импульса.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались, осуждались и получили одобрение на ежегодных международных конференциях «Современные техники и технологии» (г.Томск 2006, 2007, 2008 г.г.), «Проблемы механики современных машин» (г.Улан-Удэ 2006 г.), «Современные проблемы машиностроения» (г.Томск 2006, 2008 г.г.) и на всероссийской научно-практической конференции «Молодые ученые Сибири» (г.Улан-Удэ 2006г.).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе 1 статья в журналах центральной печати, свидетельство на регистрацию программы на ЭВМ и 2 патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. В целом работа содержит 181 страниц, 93 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 121 наименований и приложения на 25 страницах.

Содержание работы

Во введении дано обоснование актуальности и цели диссертационного исследования, изложены основные положение, выносимые на защиту, научная и практическая ценность работы.

В первой главе проведен обзор состояния известных исследований в области проектирования пневмогидравлических ударных узлов, приведены общие сведения и терминология.

В результате анализа конструктивных решений пневмогидравлических ударных узлов было выяснено, что пневмогидравлические ударные узлы по сравнению с другими имеют следующие преимущества: компактность, низкую металлоемкость на единицу энергии удара, простота регулирования энергии удара изменением давления газа в газовой полости. Это позволяет широкое их использования в различных областях: машиностроение, строительство, горная промышленность и др.

Анализ научных исследований и практических работ, выполненных ранее в нашей стране и за рубежом, позволили выявить основные факторы, определяющие эффективность удара:

  1. Свойства поршня-бойка, его масса, скорость;
  2. Свойства нагрузки;
  3. Длительность ударного импульса;
  4. Форма ударного импульса.

Проблеме исследования влияния формы и длительности ударного импульса на эффективность удара посвятили свои работы Жуков И. А., Алимов О. Д., Федотов Г. В., Еремьянц В. Э., Янцен И. А, Фадеев П. Я., Фадеев В. Я., Гусельников М. М., Мандрик М. С., Сердечный А. С., Сердечный А. А. и др.

Определено, что при увеличении длительности ударного импульса увеличивается эффективность удара, а эффективная форма ударного импульса зависит от свойств нагрузки.

Рис. 1. Классификация ударных узлов.

Имеются исследования, в которых выявлено, что при передаче ударного импульса через наголовник к нагрузке без использования длинных волноводов, длительность ударного импульса можно увеличить, используя упругий или вязкоупругий промежуточный элемент (формирователь), свойства которого определяют форму ударного импульса.

Таким образом, на основе анализа известных ударных узлов нами дополнена классификационная схема (см. рис.1) ударными узлами с встроенным специальным формирователем.

Приведен анализ существующих математических моделей пневмогидравлических ударных узлов и определено, что в большинстве случаев пренебрегают потерями, колебаниями корпуса и деформацией (разрушением) нагрузки.

В конце главы сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе приведена конструктивная схема пневмогидравлического ударного узла оснащенного формирователем ударного импульса (см. рис.2).

 Рис. 2. Принципиальная схема-2

Рис. 2. Принципиальная схема пневмогидравлического ударного узла.

1 — корпус; 2 — поршень-боёк; 3 — полость формирователя;
4 — промежуточный боёк; 5 — буферная полость; 6 и 7 — распределители для переключения напорный и сливной магистрали; 8 и 9 — напорный и сливной аккумуляторы; 10 — наголовник; 11 — нагрузка; 12 — гидравлическая полость; 13 — мембрана; 14 — ограничитель; 15 — газовая полость; 16 — формирователь.

Проведен подробный анализ основных элементов: газовая полость, используемая для аккумулирования потенциальной энергии; потери, возникающие при движении поршня-бойка; буферная полость, необходимая для остановки поршня-бойка при отсутствии нагрузки; формирователь, внутри которого происходит формирование ударного импульса; управление переключением распределителей напорной и сливной магистралей.

Газовая полость имеет мембрану, которая разделяет газ от жидкости, придавая дополнительную упругость, характеризующуюся коэффициентом жесткости сг. А давление в газовой полости, действуя на торец поршня-бойка, образует силу Р0.

Потери в пневмогидравлическом ударном узле, возникающие при движении поршня-бойка состоят из: сухого трения образующееся при страгивании поршня-бойка с места и резко падает при попадании смазки между трущимися поверхностями, и при циклической работе ударного узла появляется только при первом ударе; вязкого трения, которое возникает при наличии смазки и возрастает с увеличением скорости; гидравлических потерь, связанных с перепадом площадей поперечного сечения гидравлической полости и окон слива и напора.

В результате в зависимости от величины скорости движения поршня-бойка потери выражаются одним из трех уравнений:

Р1=Р0  –  k1V1, при первом ударе

Р2=k2V1, при V1<V10;

, при V1>V10,

где Р0  –  сухое трение; k2  –  коэффициент вязкого трения;
k3  –  коэффициент гидравлических потерь; V1  –  скорость поршня-бойка.

Буферная полость образуется при пересечении поршнем-бойком координаты х00, между торцом большой ступени поршня-бойка и корпусом. При наличии на поверхности большой ступени поршня-бойка продольных канавок (рис. 2), буферная полость будет характеризоваться силой образованной давлением в напорной магистрали, действующим на торец большой ступени поршня-бойка, и коэффициентом дросселирования:

,

где Ргид  –  сила образованная давлением в напорной магистрали;
буф  –  коэффициент дросселирования.

В зависимости от конструктивного исполнения, формирователь можно сделать упругим (рис. 3) или вязкоупругим (рис. 4).

При наличии упругого элемента (рис. 3) в полости формирователя можно получить 3 формы ударного импульса.

В первом случае (рис. 3, а) когда жесткость упругого элемента слишком мала, а сила предварительного поджатия достаточно велика, тогда уравнение, описывающее ударный импульс в формирователе имеет вид:

Римп=Рпред..

В другом случае, жесткость упругого элемента оказывает существенное влияние на формирование ударного импульса (рис. 3б,в), поэтому уравнение примет вид:

Римп=Рпред + сф(х1 – х10),

где Рпред  –  сила предварительного поджатия упругого элемента;
х10  –  координата, в которой промежуточный боек сталкивается через наголовник с нагрузкой и останавливается; х1  –  координата перемещения поршня-бойка.

Когда в формирователе встроен регулируемый клапан давления с обратным клапаном (рис. 3г), соединяя газовую полость и полость формирователя, то получаем ступенчатую форму импульса, которая характеризуется при разгоне поршня-бойка силой Рпред, образованной давлением, на которое настроен регулируемый клапан, а при возврате поршня-бойка, силой образованной давлением равным давлению в газовой полости:

Римп=Рпред, при V1>0,

Римп=Р0Sб2/Sпб, при V1<0,

где Рпред  –  сила, образованная давлением на которое настроен регулируемый клапан; Sб2  –  площадь торца промежуточного бойка, расположенного в полости формирователя; Sпб  –  площадь торца поршня-бойка, на который действует давление газовой полости.

а) б) в) г) Рис. 3. Конструктивные схемы-5 б) в) г) Рис. 3. Конструктивные схемы-6

в) г) Рис. 3. Конструктивные схемы-7 г) Рис. 3. Конструктивные схемы-8

Рис. 3. Конструктивные схемы формирователя с упругой характеристикой

При наличии вязкоупругого элемента в формирователь встроен регулируемый дроссель с обратным клапаном (рис. 4), а уравнение ударного импульса примет вид:

Римп=Рпред + ф(V1)2,

где Рпред  –  сила, образованная давлением равным давлению в газовой полости; ф  –  коэффициент дросселирования.

Определено, что переключение распределителей напорной и сливной магистралей происходит в двух точках (рис. 5). При разгоне поршня-бойка окна сливной магистрали открыты, а окна напорной  –  закрыты. Под действием силы Р0 в газовой полости поршень-боек разгоняется. При пересечении поршнем-бойком координаты х10 происходит столкновение промежуточного бойка с нагрузкой через наголовник и первый останавливается, начинает формироваться ударный импульс в полости формирователя за счет того, что поршень-боек продолжает двигаться. При пересечении поршнем-бойком координаты х20 происходит переключение сливной магистрали на напорную и в гидравлическую полость подается жидкость. Если силы ударного импульса Римп и силы Ргид, образованной давлением в напорной магистрали не достаточно, чтобы остановить поршень-боек, то при пересечении координаты х00 поршень-боек попадает в буферную полость, в которой резко возрастает давление, тем самым, замедляя и останавливая поршень-боек. После чего поршень-боек возвращается в начальное положение за счет силы Ргид, образованной давлением в напорной магистрали, действующим на торец малой ступени поршня-бойка, и эта сила больше силы Р0, образованной давлением в газовой полости.

При пересечении поршнем-бойком начальной координаты происходит переключение напорной магистрали на сливную и под действием силы Р0 в газовой полости поршень-боек останавливается, а затем разгоняется для удара. Цикл повторяется.

Установлено, что на корпус при разгоне поршня-бойка действует сила Рк, образованная давлением в газовой полости, что заставляет его двигаться в противоположную сторону. Когда поршень-боек пересекает координату х20 и в гидравлическую полость поступает жидкость, давление которой, действуя на корпус, образует силу Ргид, что приводит к остановке и реверсу корпуса. Если величины ударного импульса в формирователе недостаточно, чтобы остановить поршень-боек, то при пересечении поршня-бойка координаты х00 образуется буферная полость, в которой резко поднимается давление действуя на стенки корпуса образует силу Рбуф. В результате действия сил Р0, Ргид и Рбуф корпус колеблется.

При разработке математической модели приняты следующие допущения: параметры, характеризующие каждый из основных элементов являются величинами постоянными (m1, mк, сф, ф, k1, k2, k3, сг, cам, ам =const).

Математическая модель работы пневмогидравлического ударного узла с формирователем импульса включает уравнение движения поршня-бойка и корпуса в циклах разгона, удара, торможения и взвода:

Представлены результаты математического моделирования (см. рис. 6) без учета влияния колебаний корпуса и деформации (разрушения) нагрузки, из которых видно, что, варьируя параметрами полости формирователя можно реализовать различные временные формы импульса.

а)б)

в) г)

Рис. 6. График: скорости поршня-бойка (1); силы ударного импульса (2); перемещения поршня-бойка (3); изменения линейного размера полости формирователя (4) по времени: а) буферное торможение;

б) при формирователе с упругой характеристикой Римп=Рпред;
в) при формирователе с упругой характеристикой Римп=Рпред + сф(х1 – х10); г) при вязком формирователе: Римп=Рпред + ф(V1)2.

В третьей главе рассмотрены свойства нагрузки и определены основные уравнения, характеризующие ее:

1) постоянная сила сопротивления: Рнаг=Рнаг0;

2) сила сопротивления, зависящая от координаты деформации (разрушения) нагрузки: Рнаг=Рнаг0 + снагхнаг;



Pages:   || 2 |
 



Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.