Динамика гидравлических ручных машин ударного действия, обеспечивающих энергосбережение и повышение мощности

На правах рукописи

Абдурашитов Артем Ирикович

Динамика гидравлических ручных машин ударного

действия, обеспечивающих энергосбережение

и повышение мощности

01.02.06 Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Орел-2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет – учебно-научно-производственный комплекс (г. Орел)

Научный руководитель – кандидат физико-математических наук,

доцент

Журавлева Анжелика Викторовна

Официальные оппоненты: Чернышев Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК»;

Лопа Игорь Васильевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «ТулГУ».

Ведущая организация – федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Юго-Западный государственный университет» (г. Курск)

Защита состоится 29 мая 2012г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.182.03, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК».

Объявление о защите и автореферат диссертации размещен на официальном сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации по адресу: http://vak.ed.gov.ru и на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК» по адресу: http://gu-unpk.ru

Автореферат разослан 26 апреля 2012 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Борзенков Михаил Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Ручные машины ударного действия получили широкое применение в самых различных областях деятельности человека: в горном деле и строительстве, машиностроении и судостроение, металлургии и др. В мире ежегодно производятся сотни тысяч этих машин. Во многих случаях они оказываются единственно возможным средством механизации трудоемких работ в основных и вспомогательных процессах производств.

Гидравлические машины ударного действия – машины с гидравлическим объемным приводом имеют меньший объем применения по сравнению с пневматическими и электрическими машинами, однако перспективы их применения значительны.

Основные преимущества – экономичность, благодаря лучшему к.п.д. гидравлического объемного привода, компактность, обусловленная более высоким давлением рабочего тела по сравнению с пневматическими машинами, меньший уровень шума и вибрации вследствие отсутствия выхлопа отработанного воздуха в атмосферу.

Однако, несмотря на существенные преимущества гидравлических ручных машин ударного действия, количество их применения в практики по сравнению с пневматическими и электрическими машинами в настоящее время является незначительным.

Такое положение может быть объяснено рядом причин:

– гидравлические машины ударного действия требуют более высокой культуры производства, тщательной и трудоемкой работы по их изготовлению;

– проведенные до настоящего времени исследования явно недостаточны и не могут ответить на ряд существенных вопросов, связанных с выбором оптимальных схем и параметров ударных механизмов и привода;

– практически отсутствуют исследования по изучению потерь энергии в гибких упругих трубопроводах, которые являются неотъемлемой частью этих машин;

– недостаточно изучены динамика гидравлических ударных механизмах, нет рекомендаций по выбору рациональных режимов движения.

Под режимом движения понимается последовательное осуществление бойком циклов движения, каждый из которых заканчивается передачей рабочему инструменту ударного импульса с заданной энергией при ограниченных по величине максимальной скорости и силы отдачи.

В связи с этим «Динамика гидравлических ручных машин ударного действия, обеспечивающих энергосбережение и повышение мощности», является актуальной темой исследования.

Объектом исследования являются гидравлические ручные машины ударного действия.

Предметом исследования является исследование динамических процессов гидравлических машин ударного действия с учетом механической характеристики привода, жесткости гибких упругих трубопроводов, поступления и удаления рабочей жидкости в камеры механизма.

Целью исследования является обеспечение эффективности гидравлических ручных машин ударного действия за счет повышение их мощности путем снижение энергетических потерь в системе.

Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи:

– разработать оригинальные динамические модели ударных механизмов;

– разработать математические модели ударных механизмов для трех фаз движения;

– выявить из возможных режимов движения ударных механизмов рациональные;

– произвести сравнительную оценку ударной мощности и к.п.д. ударной машины;

– разработать динамическую и математическую модели сливного трубопровода гидравлических ручных машин ударного действия;

– произвести сравнительную оценку методов уменьшения инерционных гидравлических потерь в гибких трубопроводах;

– выполнить экспериментальные исследования для наиболее эффективных режимов движения. Довести результаты исследования до уровня инженерных расчетов.

Методы исследования основаны на использовании классической теории динамики, основных положений механики и гидравлики, математических методах решения уравнений.

Научная новизна результатов исследования заключается в разработке оригинальных динамических и математических моделей гидравлических ударных механизмов, в которых впервые устанавливается связь механической характеристики привода и жесткости гидропередачи, позволившие определить на основе анализа математических моделей рациональные режимы движения и получить расчетные формулы ударной мощности и коэффициента полезного действия, что обеспечивает эффективность гидравлических ручных машин ударного действия.

Достоверность полученных результатов, достигается использованием классической теории динамики, основных положений механики и гидравлики, применением известных математических методов решения уравнений; достаточным объемом экспериментальных исследований; удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая ценность работы состоит в разработанных рекомендациях по установлению режимов движения ударных механизмов, обеспечивающих максимальную ударную мощность при ограничении потерь энергии гидравлической машины ударного действия.

На защиту выносятся следующие положения:

– оригинальные динамические, математические модели ударных механизмов для трех фаз движения, впервые связывающие механическую характеристику привода и жесткость гибких упругих трубопроводов;

– математическая модель сливного трубопровода гидравлических ручных машин ударного действия, устанавливающие связь инерционных потерь энергии с координатой расположения сливного аккумулятора;

– результаты экспериментальных исследований для наиболее эффективных режимов движения.

Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования докладывались и получили одобрения на: второй международной научно-практической конференции «Наука и образование транспорту», Саратов, 2010г.; четвертом международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии», Орел, 2010г.; второй Всероссийской научно-методической конференции «Основы проектирования и детали машин-XXI век», Орел,2010 и других научных мероприятиях.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ: монография и 8 статей, подана заявка на изобретение.

Структура и объем. Диссертация состоит из: введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 97 наименований и 4-х приложений; содержит 117 страниц основного текста, 47 рисунков, 11 таблиц.

Краткое содержание работы

Во введение обоснована актуальность темы, формулирована цель и поставлены задачи исследования. Изложены основные положения, выносимые на защиту, научная и практическая значимость результатов исследования.

В первой главе представлен анализ существующих гидравлических ручных машин ударного действия (ГРМУД), насосных станций. Перспективным направлением исследований является увеличение мощности и коэффициента полезного действия. Применительно к гидравлическим ручным машинам ударного действия это тенденция прослеживается в создании различных конструкций данных машин. Однако на эффективность работы оказывает влияние не только конструкция ГРМУД и характеристики насосной станции, в частности, но и согласованность их совместной работы.

Проведены патентные исследования конструкций ударных механизмов по авторским свидетельствам и патентам. Приведенные схемы гидравлических ударных механизмов могут быть использованы при создании гидравлических ручных машин ударного действия. Все ГРМУД, согласно классификации предложенной Ешуткиным Д.Н., по виду ударного механизма, можно разделить на семь основных классов. Исходя из компактности и других технико-технологических параметров, для исследования были выбраны ударные механизмы IV и V классов. Анализ используемого привода при работе гидравлических машин ударного действия показал, что их можно разделить на две основные группы: ГРМУД с магистральным приводом и ГРМУД автономным приводом.

Магистральным приводом в работе считаются гидроприводы шахтных крепий, бульдозеров, экскаваторов и другой строительной техники, выходные параметры которых заведомо выше параметров необходимых для работы отбойного молотка. Такой вид привода довольно распространен на практике, но не эффективен с точки зрения энергоемкости. Автономный привод – это насосные станции, выходные параметры которых соответствуют параметрам отбойного молотка. Данный вид привода позволяет использовать всю выходную мощность насосной станции.

Изучением вопросов рабочего процесса, выбора режимов движения ударных механизмов, посвящены труды зарубежных и отечественных ученых Алимова О.Д., Глотова Б.Н., Горбунова В.Ф., Григорчака В.С., Ешуткина Д.Н., Кравченко В.А., Пивня Г.Г., Суднишникова Б.В., Ушакова Л.С., Янцена И.А. и др.

Установлено, что повышение мощности гидравлических ручных машин ударного действия за счет снижение энергетических потерь в системе изучено не достаточно, что позволило сформулировать цель и задачи исследования.

Во второй главе изучены режимы движения ударных механизмов IV и V классов. Для этого проведен анализ циклов движения механизмов IV и V классов с магистральным приводом (рисунок 1).

а) б)

Рисунок 1

– Гидравлическая схема ударных механизмов IV (а) и V (б) классов

с магистральным приводом

Цикл движения бойка состоит из трех фаз: разгон и торможение при обратном ходе, и рабочий ход. Фазой удара, вследствие ее малости, пренебрегаем. Заданными являются: энергия удара Т, равная кинетической энергии бойка в момент его подхода к инструменту; скорость бойка V в этот же момент времени, ограниченная из условий длительной прочности бойка и инструмента; максимальная величина силы отдачи R ударного механизма, связанная с силой на рукоятке, ограниченной санитарными нормами.

При изучении работы ударных механизмов с магистральным приводом для определения положения датчиков органа управления движением использовались фазовые траектории бойка (рисунок 2).

а) б)	На основании теоремы об изменении количества движения и изменении кинетической энергии определены длительность и путь торможения, а так же продолжительность фазы разгона.
Рисунок 2 – Фазовые траектории бойка ударных механизмов IV (а) и V (б) классов

Удаление жидкости у ударного механизма IV класса происходит в фазе рабочего хода, а у V класса в фазе разгона при обратном ходе.

Показано, что с увеличением =P0/R при обратном ходе, относительная ударная мощность механизмов (рисунок 3, таблица 1) возрастает, зависимости нелинейные, наиболее существенно мощность увеличивается при изменении от 0 до 1,5, в дальнейшем ее рост замедляется. Во всех случаях относительная ударная мощность механизмов V класса, имеющих вспомогательную камеру, выше мощности механизмов IV класса. Увеличение приведенной массы жидкости µж вызывает снижение относительной ударной мощности механизмов. Причем, для ударных механизмов IV класса это снижение более значительно, чем для ударных механизмов V класса. Коэффициент полезного действия (рисунок 4, таблица 1) ударных механизмов уменьшается с увеличением соотношения сил и приведенной массы жидкости µж. Во всех случаях к.п.д. ударных механизмов V класса, у которых удаление жидкости в маслобак производится в фазе обратного хода, от 2 до 3 раз выше, чем к.п.д. ударных механизмов IV класса.

а) б)	а) б)
Рисунок 3 – Зависимости относительной ударной мощности Nуд/Nэ механизмов IV (а) и V (б) классов от соотношения сил	Рисунок 4 – Зависимости условного к.п.д. ударных механизмов IV и V классов от приведенной массы жидкости ж (а); от соотношения сил (б)

Таблица 1 – Ударная мощность и к.п.д ударного механизма с магистральным приводом

Класс	Ударная мощность	Условный к.п.д.	Инерционные потери на удаление жидкости маслобак
IV
V

Гидравлическая схема ударного механизма V класса при автономном приводе представлена на рисунке 5. Цикл движения ударного механизма состоит из трех фаз: разгон и торможение бойка при обратном ходе, и рабочий ход. Фазой удара, вследствие ее малости, пренебрегаем. Заданными являются: энергия удара Т, равная кинетической энергии бойка в момент его подхода к инструменту; скорость бойка V в этот же момент времени, ограниченная из условий длительной прочности бойка и инструмента; максимальная величина силы R отдачи ударного механизма, связанная с силой на рукоятке, ограниченной санитарными нормами.

	Рисунок 5 – Гидравлическая схема машины ударного действия: 1– боек, 2– корпус, А – камера рабочего хода, Б – камера обратного хода, В – вспомо-гательная камера, Р – распределитель, Н – насос, М – гидробак, Ан и Ас – пневматические аккумуляторы в напорной и сливной магистралях
Приводится в движение ударный механизм от автономного насосного привода, включающего электродвигатель (асинхронный, короткозамкнутый и насос). Механическая характеристика электродвигателя и расходная характеристика насоса приведены на рисунке 6. Принято допущение, что на рабочем участке характеристик (а-в) угловая скорость электродвигателя остается постоянно равной 0, а производительность насоса также постоянна и равна Q0.
а)	б)
Рисунок 6 – Механическая характеристика приводного электродвигателя (а) и расходная характеристика насоса (б)