Разработка математической модели, исследование функционирования и построение методики проектировочных расчётов быстроходного дизель-молота

При сооружении различных объектов возникает необходимость в погружении свай и стальных труб в грунт. Практика эксплуатации свае-погружающего оборудования позволяет сделать вывод [17], что лучшие результаты при погружении свай и труб могут быть достигнуты при использовании импульсных (ударных) молотов, у которых постепенно накапливающаяся энергия освобождается почти мгновенно.

Самая многочисленная группа машин ударного действия — дизель-молоты. На рис. 0.1. [17] представлены их типичные конструктивные схемы.

Конструктивные схемы дизель-молотов.

I')'.!, I' I" 1 " .Ш .

— V) '. I I «Л» -'' а — штоковый со ступенчатым поршнемб — штанговый с неподвижными штангамивтрубчатый- 1 — свая- 2 — рабочий поршень- 3 — направляющие (шток, штанга, цилиндр) — 4 -ударная часть.

Рис. 0.1.

Характерной особенностью дизель-молотов является непосредственная передача энергии газов рабочему органу — ударной части, то есть [17] энергоноситель молота (ударная часть) является так же и рабочим органом двигателя. Отсутствие промежуточных передач значительно упрощает конструкцию машины и повышает её к.п.д.

Основными достоинствами дизель-молотов, которые обеспечили им в 60-е -70-е годы сравнительно широкое распространение, являются [17]: мобильность (независимость от посторонних источников энергии) — достаточная производительность в широком диапазоне изменений характеристик грунтаотсутствие промежуточных передач, что значительно упрощает конструкцию машины и повышает её к.п.дпростота эксплуатациинебольшая стоимость изготовления.

Ужесточение в середине 80-х годов нормативных требований к машинам с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) в составе привода, а именно [1,18,21]:

— ограничение выброса токсичных веществ в атмосферу ;

— ограничение расхода топлива ;

— ограничение уровня шума;

— ограничение вибрациипривело к сужению области применения дизель-молотов, особенно в сфере гражданского строительства. В связи с чем в настоящее время дизель-молоты в основном используются [17,53]:

— в сфере гражданского строительства при погружении свай в связные грунты и при рыхлении мёрзлого грунта, то есть в тех условиях, когда вибропогружатели не могут работать, а паровоздушные молоты оказываются малоэффективными;

— при сооружении военно-инженерных объектов, когда факторы негативного воздействия на окружающую среду и человека имеют второстепенное значение, причём при строительстве низководных мостов дизель-молоты являются единственно используемым типом сваебойного оборудования.

Специфика работ при сооружении военно-инженерных объектов выдвигает к дизель-молотам ряд дополнительных требований, а именно:

— увеличение производительности;

— стабильность функционирования в любых погодных условиях и на любых грунтах;

— уменьшение массогабаритных характеристик, которым современные дизель-молоты так же не отвечают в полной мере.

Перечисленные выше недостатки не являются органичными и обусловлены [17,53] следующими вполне устранимыми причинами, а именно: весьма простым конструктивным исполнениемнеоптимальным выбором конструктивных параметров, особенно в случае использования сложных конструктивных схемпростотой алгоритма управления дизель-молотом в процессе функционирования и, как следствие, использованием устаревшей элементной базы в системах управлениянеполнотой исследования рабочего процесса дизель-молота.

Улучшить выходные характеристики дизель-молотов, расширив тем самым область их применения, можно при условии успешного решения следующих задач:

— разработка эффективной конструктивной схемы и оптимальный выбор её параметров;

— разработка эффективного алгоритма управления дизель-молотом в процессе функционирования, при реализации которого используется современная элементная база.

Решение этих задач сопряжено с рядом проблем, а именно: с усложнением структуры задачи оптимизации конструктивных параметров и, как следствие, необходимостью анализа большого числа альтернативных вариантовс необходимостью анализировать работу дизель-молота во времени, преодолеть которые можно используя современные методы проектирования, базирующиеся на широком привлечении математического моделирования и ЭВМ.

Как отмечалось выше, проектирование дизель-молотов с улучшенными выходными характеристиками связано с решением ряда задач. Чтобы наметить возможные пути их решения необходимо проанализировать результаты работы проделанной к настоящему моменту в области связанной с исследованием и проектированием дизель-молотов. Работы, посвященные этим вопросам можно классифицировать следующим образом:

Наименование работ Направленность работ Краткая характеристика работ.

4,27,28] обзор рассматриваются различные конструктивные схемы, приводятся краткие характеристики дизель-молотов, по результатам сравнительного анализа делаются выводы о преимуществах тех или иных конструкций и прогнозируются возможные пути дальнейшего развития конструктивных схем дизель-молотов.

6,8,12,20, 22,23,26,30, 49,58,59] опытно-конструкторская предлагаются либо различные конструктивные изменения, определяется их влияние на выходные характеристики, как правило, на частоту ударов и энергию удара, делается вывод о целесообразности их введения, либо новые конструктивные схемы и выполняется оценка выходных характеристик, а именно: частота ударов и энергия удара.

5,7,19,25, 29,34,39,47] исследовательская проводятся исследования по результатам которых устанавливают влияние конструктивных параметров на выходные характеристики дизель-молотов, причём исследования могут быть как экспериментальными, так и теоретическими, то есть могут проводиться с привлечением различных математических моделей.

11,20,26, 46,48,57,58] методическое обеспечение проектировочных расчётов и разработка математических моделей предлагаются методики проектировочных расчётов дизель-молотов, их подсистем и отдельных конструктивных элементов, разрабатываются математические модели, которые могут быть включены в состав методики проектировочных расчётов или с использованием которых можно проводить исследования.

Из перечисленных выше работ следует выделить теоретические исследования проведённые Клебановым Г. Я. [19], который одним из первых исследовал влияние конструктивных параметров на погружающую способность дизель-молота, решая совместную задачу динамики системы «молот — свая — грунт». Следует отметить, что под динамикой в этой работе понимается не отражение функционирования системы во времени, а анализ движения системы под действием приложенных к ней постоянных сил.

Следующим, причём существенным, шагом в этом направлении можно считать работу [47] Подъёмщикова А. Н. и Семенчука М. И. В ней также исследуется погружающая способности дизель-молота, но на базе математической модели [34,46,48], которая не только описывает дизель-молот «в целом», то есть как систему «молот — свая — грунт», но и отражает его функционирование во времени. Однако, ряд допущений, принятых при разработке математической модели в [34,46,48], а именно: в качестве рабочего тела принимается совершенный идеальный газ (теплоёмкость которого не зависит от температуры и давления) — теплообмен идёт только за счёт конвекциитопливо, поступившее в цилиндр, сгорает полностьюприводят к завышению [13,55] числовых значений расчётных выходных характеристик по сравнению с экспериментальными.

Анализ перечисленных выше работ позволил сделать следующие выводы:

— улучшение выходных характеристик дизель-молотов осуществляется в основном путём внесения частичных изменений в конструкцию, при этом решение о необходимости внесения конструктивных изменений принимают либо на основе экспериментальных исследований, либо по результатам анализа эмпирических и (или) полуэмпирических зависимостей, связывающих конструктивные параметры и выходные характеристики дизель-молотов;

— исследование влияния конструктивных параметров на выходные характеристики дизель-молотов осуществляется в равной мере как экспериментально, так и теоретически;

— теоретические исследования влияния конструктивных параметров на выходные характеристики дизель-молотов осуществляется в основном на базе математических моделей, которые не описывают дизель-молот «в целом», что не даёт полного представления о влиянии конструктивных изменений на функционирование дизель-молота как системы и которые не отражают его функционирование во времени;

— математические модели, описывающие дизель-молот «в целом», то есть как систему «молот — свая — грунт», и, отражающие его функционирование во времени, имеют недостатки, а именно: принятые допущения приводят к завышению [13,55] числовых значений расчётных выходных характеристик по сравнению с экспериментальными, кроме того они относятся лишь к штанговым и трубчатым дизель-молотам со свободнопадающим рабочим органом;

— отсутствуют методики проектировочных расчётов дизель-молота, позволяющие проводить поиск величин основных конструктивных параметров, при которых достигаются заданные выходные характеристики.

Ранее отмечалось, что одной из задач, связанной с улучшением выходных характеристик дизель-молотов, является выбор эффективной конструктивной схемы и оптимальное определение её параметров. Как показал проведённый выше анализ, эту задачу нельзя решить в полной мере опираясь только на результаты проделанной к настоящему моменту работы в области исследования и проектирования дизель-молотов, что связано как с отсутствием исследований, направленных на разработку эффективных конструктивных схем, так и с отсутствием необходимой для подобных исследований теоретической базы [32,33,37], а именно: математических моделей и методологического обеспечения проектировочных расчётов дизель-молотов, являющихся одним из видов свободно-поршневых ДВС (СП ДВС).

В соответствии с изложенным, цель настоящей диссертации — совершенствование теоретической базы, обеспечивающей исследование и расчёт СП ДВС, и разработка на её основе конструкции дизель-молота с улучшенными выходными характеристиками.

Цель была достигнута постановкой и решением следующих задач:

1. Анализ конструктивных схем современных дизель-молотов и выявление возможных путей их совершенствования.

2. Разработка эффективной конструктивной схемы и обобщённой математической модели дизель-молота, которая должна обеспечить получение математических моделей различных схем дизель-молотов. как частные случаи.

3. Исследование математической модели дизель-молота для установления влияния основных конструктивных параметров на выходные характеристики и устойчивость его функционирования.

4. Разработка методики проектировочных расчётов, которая базируется на полученной обобщённой математической модели дизель-молота.

При решении поставленных задач был применён теоретико-экспериментальный метод, основанный на использовании положений тепломеханики, теории рабочих процессов ДВС, теории проектирования, статистического анализа и вычислительной математики.

Результаты решения поставленных задач представлены в настоящей диссертационной работе, которая состоит из введения, трёх глав и заключения.

Основные результаты данной главы:

— разработан алгоритм проектировочных расчётов, устанавливающий порядок достижения требований «Технического задания» в результате многократного машинного анализа процесса функционирования дизель-молота;

— получены зависимости для определения общей массы и габаритных размеров дизель-молота;

— предложена методика проектировочных расчётов, базирующаяся на результатах исследования математической модели, характерными особенностями которой являются: а) проектирование под худшие условия эксплуатацииб) обоснованное сужение диапазонов изменения варьируемых параметров с помощью метода ЛП-поискав) многократный машинный анализ процесса функционирования дизель-молота;

Заключение

.

В ходе выполнения диссертационной работы были получены следующие основные результаты:

1. Предложены и апробированы примерами расчётов принципы повышения эффективности дизель-молотов, состоящие: а) в увеличении скорости движения рабочего органа за счёт использования энергии продуктов сгоранияб) в реализации полиударного воздействия на сваю за один рабочий ход.

2. Предложена классификация дизель-молотов, служащая основой при разработке обобщённой теоретической схемы названных объектов.

3. Разработана обобщённая математическая модель, устанавливающая связь конструктивных и эксплутационных параметров дизель-молотов различных конструктивных схем с их выходными характеристиками (энергия удара, интенсивность погружения сваи, расход топлива). Названная модель позволяет получать модели известных схем дизель-молотов как частные случаи её.

4. Повышена точность разработанной модели в сравнении с известными за счёт учёта переменности теплоёмкости, неполноты сгорания топлива, теплообмена излучением газов и факела пламени, упругой деформации грунта, введения возможности выбора типа основания сваи. Это обеспечивает определение основных характеристик (например, давление сжатия, максимальное давление сгорания) с погрешностью не более 7% в сравнении с опытными данными.

5. Предложена методика проектировочных расчётов, базирующаяся на результатах исследования математической модели, характерными особенностями которой являются: а) проектирование под худшие условия эксплуатации;

119 б) сужение диапазонов изменения варьируемых параметров с помощью метода ЛП-поискав) многократный машинный анализ процесса функционирования дизель-молота.

6. В соответствии с принципами повышения эффективности дизель-молотов разработана патентоспособная конструктивная схема быстроходного дизель-молота (подана заявка на изобретение, приоритетная справка № 99 126 229 от 15.12.99 г.).

7. Осуществлён проектировочный расчёт быстроходного дизель-молота, выполненного в соответствии с разработанной конструктивной схемой, по предложенной методике. В результате получен дизель-молот, который превосходит по ряду показателей аналогичные конструкции (например, ДМ-240М), а именно: по интенсивности погружения сваи в 3.5 раза, по энергии удара на 30%, по частоте ударов в 2.6 раза.