Развитие теории дроссельных пневмоударных механизмов с наддувом навесных молотов для разработки мерзлых грунтов

Актуальность работы. Производство земляных работ в зимнее время при строительстве новых промышленных и гражданских объектов, а также ведение аварийных работ по ремонту подземных коммуникаций требует применения все более совершенного специализированного оборудования для разработки мерзлых грунтов.

Из всего многообразия разрабатываемых грунтов большие трудности возникают в процессе разрушения мерзлых грунтов, разработка которых является трудоемким и малопроизводительным процессом. Стоимость разработки чрезвычайно высока и во много раз превышает стоимость разработки грунтов в летний период, поскольку прочность мерзлого грунта в десятки раз выше прочности немерзлого грунта.

Почти все типы землеройных машин мало используются в зимний период. Если бы были созданы методы и средства, позволяющие осуществлять разработку мерзлых грунтов с производительностью, близкой к производительности в летних условиях, общий объем земляных работ, выполняемых ежегодно в стране, значительно бы возрос.

Непосредственная эффективность разработки мерзлого грунта землеройными машинами существующих типов практически невозможна, поэтому для успешной разработки таких грунтов требуется создание новых специальных конструкций машин типа экскаваторов с ковшом активного действия и навесных молотов, среди которых пневматические молоты даже в сравнении с гидравлическими являются предпочтительными.

Данная работа выполнялась по научному направлению гос. per. № 1 940 009 360 Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета «Разработка на основе импульсных систем новых и повышение эффективности существующих ручных машин и инструментов, применяемых в промышленном, гражданском и сельскохозяйственном строительстве в условиях Сибири». Материалы исследований докладывались на конференциях: МНТК.

Проблемы и перспективы развития горных наук" (г. Новосибирск, 2005) — МНК «Наука и образование» (г. Белово, 2006) — МНТК «Интерстроймех» (г. Бишкек 2009) — ВНТК «Новые материалы и технологии в машиностроении» (г. Рубцовск, 2002, 2004) — ВНТК «Актуальные проблемы строительной отрасли» (г. Новосибирск, 2008, 2009), НТК Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (г. Новосибирск, 2002 — 2009 гг.).

Идея исследований. Использование положительных качеств дроссельных пневмоударных механизмов (конструктивная простота и высокая надежность) с центральной воздухоподводягцей трубкой (ДПУМ (Т)) при разработке навесных пневматических молотов.

Цель работы. Повышение эффективности навесных молотов за счет создания дроссельных пневмоударных механизмов с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Объект исследований. Дроссельные пневмоударные механизмы навесных молотов.

Предмет исследований. Закономерности, связывающие показатели рабочих процессов навесных молотов с дроссельным пневмоударным механизмом с центральной воздухоподводящей трубкой с присоединенным объемом камеры наддува рабочего хода (ДПУМ (ТН)).

Методы исследования. Применен комплексный метод, включающий аналитический обзор и обобщение известного опытатеоретические разработки с использованием методов механикиматематическое и физическое моделирование рабочих процессов пневмоударных механизмов (ПУМ) с целью установления рациональных соотношений между геометрическими и энергетическими параметрами, экспериментальные исследования созданного навесного пневматического молота в лабораторных условиях и сопоставление полученных результатов с результатами других исследований.

Основные научные положения, защищаемые в работе: — дополнения к классификации пневматических механизмов и машин ударного действия классификации признаков стабилизации параметров энергоносителя, признаков трубки, позволяющие осуществить анализ, синтез и прогнозирование качеств ДПУМ (ТН) с использованием формализованной записи их структуры;

— физико-математические модели пневмоударных механизмов с ДПУМ (ТН) и конструктивными признаками камер средств стабилизации параметров энергоносителя процесса наддува (перепуска, утечек, форсажа, присоединенных объемов), дающие возможность качественно и количественно изменять рабочий процесс пневмоударного механизма;

— барои термодинамическая теория наддува в камерах рабочего и холостого ходов, позволяющая определить основные удельные показатели качестварасхода сжатого воздуха, теплоемкости, энтропии, энтальпии, мощности и показателя процесса;

— системы уравнений, описывающие процессы в камерах наддува рабочего и холостого ходов в ДПУМ (ТН) с учетом средств стабилизации параметров энергоносителя (перепуска, утечек, форсажа, присоединенных объемов);

— результаты исследования ДПУМ (ТН) с различными настройками по определению рациональных соотношений параметров.

Достоверность научных положений обоснована:

— анализом физико-математических моделей, которые использовались ранее при создании ПУМ (за период 1900;2008 гг.);

— сопоставлением параметров рабочего цикла ДПУМ (ТН), полученных при аналогичных исследованиях другими авторами;

— анализом результатов моделирования рабочих процессов в камерах наддува с применением апробированных методик моделирования;

— всесторонним исследованием на ЭВМ и в лабораторных условиях спроектированного и изготовленного навесного молота с ДПУМ (ТН)).

Научная новизна заключается:

— в разработке и создании классификации признаков трубки, дополняющей существующую классификацию пневматических механизмов и машин ударного действия, позволяющей осуществить анализ, синтез и прогнозирование качеств ДПУМ (ТН) с использованием формализованной записи их структуры;

— в разработке принципиальных схем навесных молотов с использованием классификации дроссельных пневмоударных механизмов с трубкой, имеющих новые признаки средств наддува, перепуска и форсажа, позволяющих качественно и количественно улучшить рабочий процесс ДПУМ (ТН);

— в разработке барои термодинамической теории дроссельных пневмоударных механизм с наддувом на основе закономерностей трансформации энергии сжатого воздуха в работу;

— в разработке физико-математических моделей рабочих процессов в камерах наддува навесных молотов с ДПУМ (ТН) учетом процессов в камерах присоединенных объемов, перепуска, утечек и форсажа, направленных на совершенствование энергетических параметров;

— в установлении соотношений геометрических размеров от энергетических параметров навесных молотов с ДПУМ (ТН), позволяющих получить рациональные габариты и массы пневмоударного узла молота.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

— разработаны новые принципиальные схемы дроссельных пневмоударных механизмов с трубкой, позволяющие создавать навесные молоты с улучшенными эксплуатационными характеристиками;

— разработана удобная для практического использования методика инженерного расчета и выбора основных параметров навесного пневматического молота с ДПУМ (ТН);

— разработан навесной пневматический молот с ДПУМ (ТН) для разрушения мерзлых грунтов;

— создан экспериментальный образец навесного пневматического молота с дроссельным воздухораспределением на энергию единичного удара 600 Дж, не имеющий аналогов в РФ и за рубежом, выгодно отличающийся по металлоемкости на единицу ударной мощности от зарубежных аналогов и не уступающий отечественным образцам;

— новый навесной пневматический молот с ДПУМ (ТН) используется в учебном процессе в качестве наглядного пособия по учебным дисциплинам «Строительные машины» и «Механизация и автоматизация строительства» в НГАСУ (Сибстрин).

Личный вклад автора заключается в следующем:

— в формулировании основных принципов и подходов теоретических и экспериментальных исследований, направленных на выполнение задач исследований;

— в разработке новых признаков стабилизации параметров энергоносителя и их классификации;

— в создании классификации признаков трубки и применении ее при анализе, синтезе и прогнозировании новых пневмоударных механизмов;

— в создании принципиальных схем навесных молотов с ДПУМ (ТН), имеющих новые признаки средств стабилизации параметров энергоносителя, позволяющих качественно и количественно улучшить рабочий процесс пневмоударного механизма;

— в развитии метода назначения структуры ударной мощности в зависимости от единичного усилия нажатия на корпус навесного молота с ДПУМ (ТН);

— в разработке барои термодинамической теории наддува дроссельного пневмоударного механизма на основе закономерностей трансформации энергии сжатого воздуха в работу;

— в создании и исследовании физико-математических моделей рабочих процессов в камерах наддува навесных молотов с ДПУМ (ТН) с учетом камер средств стабилизации параметров энергоносителя (перепуска, утечек, форсажа, присоединенных объемов), направленных на совершенствование энергетических параметров;

— в разработке методики инженерного расчета и выбора основных параметров навесного пневматического молота для разрушения мерзлых грунтов;

— в разработке типоразмерного ряда навесных молотов с ДПУМ (ТН) с энергией удара 600, 1000, 1600 и 2500 Дж.

Публикации. По результатам исследования опубликовано 46 печатных работ, в том числе 2 монографии, 12 статей — в рекомендованных ВАК РФ изданиях, получено 4 патента на изобретения РФ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, заключения, списка литературы, приложений и включает 434 стр. машинописного текста, в том числе 143 рис., 29 табл. и список литературы из 338 наименований. Приложения содержат 81 стр., в том числе 13 рис. и 30 табл.

Выводы по главе.

1. Перспективным является применение дроссельного пневмоударного механизма с центральной подвижной воздухоподводящей трубкой ДПУМ (Т), с обеспечением ее радиальной и продольной подвижностью.

2. Для эффективного процесса ударного разрушения клиновым инструментом мерзлых грунтов необходим чтобы величина погонной ударной энергии была не ниже 12 000 Н/м.

3. Для всех категорий мерзлых грунтов возможно использование навесных пневмомолотов с дроссельным воздухораспределением, включающих в себя машины с энергией единичного удара от 600 до 2500 Дж.

4. Для повышения экономичности навесных пневматических молотов с ДПУМ (Т) и улучшения энергетических характеристик целесообразным будет использование механизмов с перепуском, вытеснением, наддувом камер рабочего и холостого ходов. Также перспективным является применение ДПУМ с форсажем холостого хода.

5. Применение демпфирующего устройства между пневмомолотом и поддерживающей его навесной системой будет обязательным в последующих разработках навесных ПУМ, так как увеличение энергетических параметров неизбежно приведет к ухудшению вибрационных характеристик.

6. Предпочтение будет отдано тем демпфирующим устройствам, которые будут иметь возможность изменения жесткости в процессе работы без остановки и переналадки. Использование пневмобаллонной системы в качестве демпфирующего устройства с регулируемым давлением в баллонах [212] позволит варьировать жесткостью системы в диапазоне изменения физико-механических свойств разрабатываемого мерзлого грунта, не прерывая технологического процесса.

7. В качестве носителя наиболее целесообразным будет использование такого транспортного средства, на котором имеется возможность размещения всего необходимого оборудования (компрессора, манипулятора, кабины оператора и т. д.). Такими возможностями обладает гусеничное шасси, выпускаемое ОАО «Рубцовский машиностроительный завод». Применение этого шасси перспективно с той точки зрения, что на нем можно разместить в дальнейшем более тяжелые пневмомолоты с энергией удара 2500 Дж и более.

8. Перспективным является применение мерзлоторазрушающих комплексов, размещенных на воздушной подушке, а также транспортируемых при помощи вертолетов и др.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. В результате выполненных исследований получены научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны, заключающиеся в развитии теории дроссельных пневмоударных механизмов с наддувом и разработке типоразмерного ряда навесных молотов для разрушения мерзлых грунтов. Совокупность полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований открывает новые направления совершенствования навесных молотов.

2. Обоснована и разработана классификация признаков трубки, дополняющая существующую классификацию пневматических механизмов и машин ударного действия, позволяющая осуществить анализ, синтез и прогнозирование качеств Д11УМ (ТН) с использованием формализованной записи их структуры.,.

3. Разработаны принципиальные схемы навесных молотов с использованной классификации дроссельных пневмоударных механизмов с трубкой, имеющие новые признаки средств наддува, выпуска, перепуска и форсажа, позволяющие качественно и количественно улучшить рабочий процесс ДПУМ (ТН).

4. Разработана барои термодинамическая теория дроссельных пневмоударных механизмов с наддувом на основе закономерностей трансформации энергии сжатого воздуха в работу.

5. Разработаны и исследованы физико-математические модели рабочих процессов в камерах наддува навесных молотов с ДПУМ (ТН) с учетом перепуска, вытеснения, утечек и форсажа, направленные на совершенствование энергетических параметров. Система уравнений, описывающих рабочий процесс ДПУМ (ТН), дополнялась зависимостями, позволяющими определить расход воздуха. Запись расхода воздуха позволила выделить отдельные части расходов камер рабочего и холостого ходов. Общие расходы за цикл на впуске и выпуске использовались в качестве контроля соответствия баро— и термодинамического процесса, качественного и количественного представления физикоматематической модели ДПУМ (ТН), а также степени точности ее описания и решения всей системы уравнений.

6. Установлены рациональные соотношения геометрических размеров от энергетических параметров навесных молотов с ДПУМ (ТН), позволяющие получить наивысший съем мощности с единицы площади ударника. Предложены зависимости, позволяющие уточнить основные геометрические размеры ДПУМ (ТН) с дополнительными признаками впуска. Экспериментально показано, что увеличение камеры рабочего хода ДПУМ (ТН) предопределяет «улучшенные» очертания диаграмм давления, однако обусловливает увеличение удельного расхода воздуха и уменьшение съема мощности с единицы объема камеры. Отмеченное указывает на необходимость установления рациональных структур ударной мощности ДПУМ (ТН) для пневматических молотов.

7. Осуществлен подбор взаимно соответствующих структуры ударной мощности молота и типа его носителя с учетом условий эксплуатации в климатической зоне Сибири. Также выполнен выбор необходимых и достаточных признаков и уравнений ДПУМ (ТН) для оценки (в первую очередь — экономичности и мощности, во вторую — силовых, вибрационных и шумовых характеристик) механизма.

8. Методика инженерного расчета ДПУМ (ТН) и представленные рекомендации позволяют рассчитать основные геометрические размеры механизма с любым сочетанием энергетических параметров, при заданном ограничении по расходу воздуха и усилию нажатия на корпус молота.

9. Создан экспериментальный образец навесного пневматического молота с дроссельным воздухораспределением на энергию единичного удара 600 Дж. Молот не имеет аналогов в РФ и за рубежом. По металлоемкости на единицу ударной мощности молот выгодно отличается от зарубежных аналогов и не уступает отечественным образцам. Вибрационные и шумовые характеристики нового молота без защитных устройств предпочтительнее аналогичных серийно выпускаемых.

10. Установлено, что работоспособность молота в условиях низких температур в первую очередь зависит от типа воздухораспределительного устройства. Для ДПУМ (ТН) следует ожидать, что, чем больше отношение массы ударника к площади его контакта с корпусом молота и воздухоподводящей трубкой, тем более надежной будет его работа при низких температурах. Лабораторные испытания молота с ДПУМ (ТН) показали, что он обладает надежным запуском и работой. Пневматические молоты с ДПУМ (ТН) работают устойчиво и надежно при всех возможных давлениях сжатого воздуха и в большом диапазоне изменения коэффициента отскока ударника от инструмента.

11. Простота конструкции и высокая надежность молота с ДПУМ (ТН) могут с избытком компенсировать затраты по эксплуатации, обусловленные повышенным расходом воздуха в группе пневматических навесных молотов с ударной мощностью до 30 кВт.

12. Себестоимость изготовления молотов с ДПУМ (ТН) более чем в 2 раза ниже существующих навесных пневматических молотов. Годовой экономический эффект от создания и использования одного навесного молота с дроссельным пневмоударным механизмом и наддувом камеры рабочего хода на энергию удара 600 Дж составляет 196 822 руб. Ожидаемый экономический эффект от создания и использования навесных молотов с ДПУМ (ТН) на энергию удара 1000, 1600 и 2500 Дж составляет 307 015, 478 707 и 731 401 руб. соответственно (в ценах 2009 г.).

13. Техническая информация о навесном пневматическом молоте с ДПУМ (ТН) и его конструктивное исполнение используется в учебном процессе в НГАСУ (Сибстрин).