авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< 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 |
-- [ Страница 1 ] --

Н.С. Галдин, И.А. Семенова

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОУДАРНОГО

ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЭКСКАВАТОРОВ

Омск • 2008

Федеральное

агентство по образованию

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

Н.С. Галдин, И.А. Семенова

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОУДАРНОГО

ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЭКСКАВАТОРОВ

Монография

Омск Издательство СибАДИ 2008 УДК 621.879.3 ББК 38.623.031 Г 46 Рецензенты:

д-р техн. наук, доц. В.Н. Сорокин (ОмГТУ);

канд. техн. наук, доц. А.М. Минитаева (ОмГТУ) Монография одобрена редакционно-издательским советом СибАДИ.

Галдин Н.С., Семенова И.А. Г46 Автоматизированное моделирование гидроударного оборудования для экскаваторов: Монография. – Омск:

СибАДИ, 2008. – 101 с.

ISBN 978-5-93204-386- В монографии изложены основные принципы и общие положения по моде лированию оборудования активного действия для разработки мерзлых грунтов.

Работа может быть использована студентами при выполнении дипломных про ектов, аспирантами при исследовательской работе по данной тематике.

Ил. 51. Библиогр.: 145 назв.

ISBN 978-5-93204-386-8 © Н.С. Галдин, И.А.Семенова, ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………....

1. ГИДРОУДАРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ АКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ, ПРИМЕНЯЕМОЕ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ГРУНОВ…...…………………………... 1.1. Анализ конструкций гидроударных механизмов, применяемых в качест ве активных рабочих органов …………………………………………...………... 1.2. Анализ исследований процессов динамического разрушения грунта…….. 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ГИДРОУДАРНОГО ОБОРУДОВА НИЯ АКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ, ПРИМЕНЯЕМОГО ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ГРУНТОВ……………………………………………………………………………...

2.1. Метод регрессионного анализа при определении основных параметров зуба-рыхлителя активного действия на основе гидроударника………………… 2.2. Математическая модель процесса разрушения грунта (явление удара)....... 2.3. Математическая модель зуба-рыхлителя активного действия на основе гидроударника (взвод, торможение, разгон)……………………………………. 3. АЛГОРИТМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗУБА РЫХЛИТЕЛЯ АКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ЭКСКАВАТОРА…………...

3.1. Общие сведения о проектировании, основанном на моделировании тех нических объектов……………………………………………………………......... 3.2. Особенности автоматизированного моделирования гидроударного уст ройства, работающего в качестве рыхлителя активного действия……………... 3.3. Алгоритм и средства моделирования зуба-рыхлителя активного действия экскаватра…………………………………………………………………………... 3.4. Об оптимизации проектного решения……………………………………….. 3.5. Эффективность использования гидроударных рабочих органов ДСМ и способы ее оценки…………………………………………………………………. 4. РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗУБА РЫХЛИТЕЛЯ АКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ……………………………………….

4.1. Рекомендации по автоматизированному моделированию зуба-рыхлителя активного действия………………………………………………………………… 4.2. Результаты процесса моделирования на ЭВМ ……………………………... 4.3. Основные требования и возможные конструктивные схемы работы зубь ев-рыхлителей активного действия……………………………………………… Библиографический список………… …..…………………...……………….......... Одним из перспективных и дорогостоящих видов строительных работ являются земляные, на долю которых приходится более 10 % общей стоимости работ. При этом 20-40 % годового объема работ за нимает разработка мерзлых грунтов, затраты на которую в десятки раз превышают стоимость земляных работ в теплое время года.

Причиной высокой стоимости и трудоемкости земляных работ в зимний период является отсутствие машин и оборудования для меха низации рассредоточенных работ малых и средних объемов, прово димых в стесненных городских условиях.

Решить данную проблему поможет оборудование активного дей ствия на основе гидроударного устройства, при работе которого будут учитываться тип грунта, параметры базовой машины (экскаватора), за счет чего энергоемкость процесса разрушения грунта будет сущест венно ниже, чем при статическом разрушении грунта.

Использование автоматизированных систем моделирования гид роударного оборудования является достаточно перспективной зада чей в связи с тем что, автоматизация-это одно из важнейших направ лений развития современного машиностроения. В настоящее время научные и производственные объединения отрасли строительного, дорожного и коммунального машиностроения нуждаются в оснаще нии современными системами автоматизированного проектирования, поискового конструирования и технологической подготовки произ водства, охватывающими, как правило, весь цикл создания новых из делий /10/.

Актуальным вопросом при проектировании и производстве до рожно-строительных машин (ДСМ), гидравлических экскаваторов в частности, является расширение номенклатуры сменного рабочего оборудования для увеличения технологических возможностей и эф фективности применения современных машин. Производством и про ектированием гидравлических экскаваторов, сменного рабочего обо рудования к ним занимаются Тверской, Ковровский, Воронежский экскаваторные заводы, Омский завод транспортного машиностроения и многие другие организации.

При создании сменного оборудования необходимо учитывать вопросы эффективности использования данного оборудования с уче том физико-механических свойств разрабатываемых грунтов и техни ческих характеристик базовой машины. На экскаватор можно устано вить вместо ковша различное сменное оборудование: гидромолот, зуб-рыхлитель активного действия, фрезерно-роторный снегоочисти тель и другое оборудование.

Анализ преимуществ и недостатков различных способов разра ботки грунтов выделяет по значительному ряду преимуществ актив ный способ разработки, к которому можно отнести послойное рыхле ние гидропневматическим ударным инструментом /14/. Применение гидроударного рабочего оборудования на строительных экскаваторах повышает эффективность работы машин при разработке мерзлого и прочного грунта, разрушении различных покрытий и выполнении других видов работ. Производительность активных (основанных на применении гидроударных устройств) рабочих органов машин во многом определяется правильным выбором конструктивных, энерге тических и рабочих параметров гидроударников с учетом назначения, выполняемых функций и применяемой базовой машины. При удар ном разрушении рассматривается система зависимостей “базовая ма шина – зуб-рыхлитель на основе гидроударника – грунт ”. Для эффек тивного разрушения грунтов, различных по физико-механическим свойствам, необходимо учитывать свойства грунтов и изменять ха рактеристики зуба-рыхлителя активного действия (энергию, ударную мощность, частоту ударов и др.) в зависимости от свойств грунта /27/.

Прогресс в области информационных технологий требует разра ботки зубьев-рыхлителей активного действия с использованием со временных средств программного обеспечения, моделирования с по мощью компьютера процесса разрушения грунта, разработки системы автоматизированного проектирования (САПР) активных рабочих ор ганов /1, 2, 49, 50, 69, 79, 112, 142/.

Необходимо отметить, что вопросы общего исследования, моде лирования, проектирования работы зубьев-рыхлителей активного действия на основе гидроударников для ДСМ недостаточно полно ос вещены в научно-технической литературе. Отсутствуют научно обос нованные рекомендации по проектированию, в том числе и с исполь зованием САПР, зубьев-рыхлителей активного действия на основе гидроударников для экскаваторов. Поэтому одним из путей создания эффективных зубьев-рыхлителей активного действия следующего поколения является использование системы автоматизированного проектирования (САПР) для их разработки с учетом физико механических свойств разрушаемых грунтов и параметров базовой машины.

Важнейшей составной частью САПР являются системы автома тизации моделирования (САМ), которые осуществляются под непос редственным контролем пользователя в форме человекомашинного диалога. САМ позволяют оперативно оценивать с помощью ЭВМ фу нкционирование зубьев-рыхлителей активного действия экскаваторов и составляющих их подсистем и устройств. Существуют различные универсальные пакеты визуального моделирования, позволяющие моделировать структурно-сложные динамические системы:

SIMULINK и SimMechanics пакета MATLAB, MathCAD, Eureka, EXCEL, SystemBuild пакета MATRIX, Dymola (Dymasim), Modelica (The Modelica Design Group), Model Vision Studium, системы проекти рования “Компас”, АиtoCAD Pro/Engineer, T-Flex и др. Пакеты дан ных прикладных программ позволяют засчитанные секунды прово дить не только численные эксперименты (заменив при этом натур ные), но также предоставляют возможность выполнять символьные выкладки либо в виде графических зависимостей, либо в виде черте жей. Выбор того или иного пакета определяется конкретной задачей или привычками пользователя.

Несмотря на то, что эти пакеты являются универсальными и обладают мощными средствами для моделирования и визуализации сложных объектов, построить модель системы «грунт – рабочий орган – базовая машина» с учетом всех факторов, оказывающих влияние на систему «грунт – рабочий орган – базовая машина», в среде указанных пакетов сложно, требуется трудоемкая подготовка к моделированию и проектированию.

Таким образом, проблема разработки методов автоматизированного моделирования зубьев-рыхлителей активного действия (гидроударного устройства) для экскаваторов на основе современных компьютерных технологий для решения задач проектирования активных рабочих органов является весьма актуальной.

1. ГИДРОУДАРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ АКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ, ПРИМЕНЯЕМОЕ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ГРУНОВ 1.1. Анализ конструкций гидроударных механизмов, применяемых в качестве активных рабочих органов Проблема создания гидроударных устройств для активизации процесса разрушения мерзлых и прочных грунтов является актуаль ной как одно из направлений решения задач по реализации приори тетных национальных проектов по снижению стоимости жилья, так как за счет снижения стоимости земляных работ снизятся затраты на строительство. Кроме того, создание машин и оборудования, реали зующих механическое воздействие на грунт, и внедрение новых более эффективных, научнообоснованных технологических процессов раз рушения грунта позволят осуществить техническое перевооружение производства строительных работ.

Использование таких машин дает возможность увеличения уси лий на режущей кромке рабочего органа в значительно большей сте пени, чем развиваемые машиной за счет своих мощностных характе ристик. Кроме того, позволяет исключать воздействие на базовую машину активных и реактивных сил, возникающих на рабочем орга не, обеспечивая тем самым надежность и долговечность ее работы.

Зуб-рыхлитель активного действия является навесным оборудо ванием на экскаватор и предназначен для повышения эффективности работы машины при разработке мерзлого и прочного грунтов, разру шении различных покрытий и выполнении других видов работ.

В процессе проведения патентного поиска было обнаружено большое количество гидропневматических, гидравлических, пневма тических ударных механизмов, отличающихся по конструкции, спо собу крепления, виду ударной части. Несмотря на все многообразие существующих устройств для разрушения грунта в настоящее время практически отсутствует широкодоступная литература по конструи рованию гидроударных устройств, в том числе работающих в качест ве зуба-рыхлителя активного действия. Следует отметить, что конст руктивные параметры рассматриваемых ниже конструкций далеки от оптимальных. Рассмотрим некоторые примеры.

На рис. 1.1 изображен рыхлитель активного действия по патенту 1048026 А вид сбоку, на рис. 1.2 – вид сверху, на рис. 1.3 – разрез /95/.

Конструкция данного рыхлителя содержит рабочий орган в виде гид ропневматических ударников, установленных с возможностью накло на в продольной плоскости. Отличием данной конструкции является то, что с целью повышения эффективности работы рыхлитель снаб жен дополнительной рамой, шарнирно прикрепленной к передней части рамы с возможностью поворота в поперечной вертикальной плоскости и подпружиненной относительно последней в той же плос кости. Гидропневматические ударники закреплены на дополнитель ной раме с возможностью смещения один относительно другого в по перечном направлении.

Рис. 1.1. Рыхлитель (вид сбоку), патент 1048026 А Рыхлитель (см. рис. 1.1, 1.2, 1.3) содержит установленную на ба зовом шасси 1 раму 2, к которой в передней части через гидроци линдр 3 с шарнирами 4 и 5 и шарниры 6 и 7 присоединена дополни тельная рама 8.

Рис. 1.2. Рыхлитель (вид сверху), патент 1048026 А Рис.1.3. Рыхлитель в разрезе, патент 1048026 А Корпус 9 связан с дополнительной рамой 8 посредством цен трального шарнира 10 и двух уравновешивающих пружин 11, встав ленных в гнезда 12 по краям дополнительной рамы 8 и корпуса 9, что обеспечивает возможность поворота в поперечной плоскости. В кор пусе 9 выполнены две направляющие 13, на которых при помощи хо мутов 14 и ползунов 15 установлены гидропневматические ударники 16 со скалывателями 17. Гидроцилиндр 18 одним концом шарнирно соединен с боковиной 19 корпуса 9, а другим концом – с одним из гидропневматических ударников 17. Рама 2 соединена с рамой 25 ба зового шасси 1 при помощи шарниров 20 и 23 и гидроцилиндров 22 с шарнирами 21 и 24.

Гидропневматический ударник (см. рис. 1.3) состоит из корпуса 26, поршня-бойка 27, блока управления со встроенным золотником 28, трубопровода 29, обратного клапана 30, включенного в гидроли нию, соединяющую радиальный канал 31 в корпусе и сливную маги страль, и гидроаккумулятора 32, выполненного в виде упругого тру бопровода и буксы 33, закрывающей корпус 26 спереди. Поршень боек 27 разделяет корпус 26 на полость 34 взвода, полость слива 35 и аккумулятора 36, заполненного сжатым газом. Кольцевая проточка на поршне-бойке образует с радиальными каналами 38, 39 и 40 в кор пусе 26 управляющий распределитель. Полости 41 и 37 сообщены между собой посредством каналов 42 и 38 и трубопровода 29. Слив ной радиальный канал 40 в корпусе 26 выполнен таким образом, что сливной канал отсекается от полости слива 35 правым пояском поршня-бойка в конце холостого хода. Управляемое проходное окно блока управления непосредственно сообщается со взводящей поло стью 34 коротким прямолинейным радиальным каналом 44 в корпусе 26. Поршень-боек 27 имеет также передний поясок 45, а корпус снабжен верхним осевым каналом 46 и радиальным каналом 47. В буксу 33 подвижно вставлен хвостовиком скалыватель 17, который от проворачивания предохраняется штифтом 48.

Существует экскаваторный рыхлитель /94/, включающий ковш и пневмомолот. На ковше при помощи болтовых соединений смонтиро вано съемное днище, на котором расположен пневмомолот. Пневмо молот экскаваторного рыхлителя установлен в гильзе с основанием и прикреплен к съемному днищу ковша.

Институтом горного дела Сибирского отделения АН предложена следующая конструкция зуба-рыхлителя активного действия (рис.

1.4). Зуб-рыхлитель содержит трубчатый кожух 1, смонтированный в кожухе с возможностью осевого перемещения, пневмомолот 2, к ко торому прикреплен механизм автоматического запуска 3, зафиксиро ванный в трубчатом кожухе планкой 4 с нажимными винтами 5. Под вод сжатого воздуха к пневмомолоту осуществляется через канал 6 в трубчатом кожухе, кольцевую проточку 7, радиальные каналы 8 и центральный канал 9. Для выхлопа отработанного воздуха на боковой поверхности трубчатого кожуха имеется окно 10. Ударный зуб смонтирован в трубчатом кожухе 1 с возможностью осевого переме щения /92/.

Следующее изобретение (рис. 1.5) относится к ударным меха низмам, которые могут быть использованы в машинах для разработки скальных пород и мерзлых грунтов в горной и строительной про мышленностях.

Рис. 1.4. Зуб-рыхлитель активного действия, патент 883285 /92/ Рис. 1.5. Гидравлический механизм ударного действия по патенту Механизм (см. рис. 1.5) включает корпус 1 с газовой камерой 2, частично заполненной рабочей жидкостью 3, взводящую камеру 4, в которой расположен боек 5 с головкой 6 и ступенчатый клапан 7, имеющий крышку 8, которая ограничивает его рабочий ход (вниз по чертежу). Боковая поверхность 9 крышки 8 образует с внутренней по верхностью газовой камеры 2 щелевой дроссель 10.

Наружная поверхность клапана 7 и внутренняя поверхность кор пуса 1 образуют переливную полость 11, которая периодически свя зана с взводящей камерой 4. На внутренней поверхности корпуса между газовой камерой 2 и переливной полостью 11 образована на порная полость 12, которая имеет возможность периодически сооб щаться с переливной полостью 11 посредством выполнения на внут ренней поверхности корпуса 1 канавок 13, образующих между по верхностью клапана 7 и корпуса 1 щель в виде лабиринта 14.

Ступенчатый клапан 7 установлен в корпусе 1 с возможностью периодического перекрытия лабиринта 14 и напорной полости 12.

Внутренней поверхностью ступенчатого клапана 7 и головкой 6 бойка 5 образована подклапанная полость 15, которая сообщается при взво де бойка 5 каналами 16 в клапане 7 с напорной полостью 12. Пере ливная полость 11 постоянно сообщена со сливной магистралью 17, а взводящая камера 4 – с напорной магистралью 17.

Карагандинским политехническим институтом было спроектиро вано ударное устройство рабочего органа машины для разработки мерзлого грунта (рис. 1.6). Данное ударное устройство состоит из корпуса 1, рабочего инструмента 2, поршня 3, имеющего возмож ность перемещения, неподвижного поршня 4, поршня-бойка 5 с хво стовиком 6, цилиндрического клапана 7, неподвижного заднего поршня 8 и крышки 9 /88/.

Рис. 1.6. Рыхлитель ударного действия по патенту 274720 /88/ Отличием беззолотниковых гидравлических ударных устройств, или гидроударных устройств с мембранными запорно регулирующими элементами (МЗРЭ), разработанных в СибАДИ, яв ляется применение упругого запорно-регулирующего элемента в рас пределительном узле (блоке) управления рабочим циклом устройст ва. Распределительный узел обеспечивает изменение направления движения жидкости в гидроударнике при холостом ходе (взводе) бойка и при его рабочем ходе (разгоне) /14, 22, 23, 26, 60, 70, 126/.

В качестве упругого запорно-регулирующего элемента в различ ных конструкциях гидроударников могут использоваться цилиндри ческие оболочки, кольца, плоские пластины, выполняемые из разли чных материалов. Конструктивная схема беззолотникового гидроу дарника с цилиндрическим запорно-регулирующим элементом пред ставлена на рис. 1.7.

Гидроударник состоит из корпуса 1, подвижных частей 2, цилин дрического упругого запорно-регулирующего элемента 3, стакана 4, пневмоаккумуляторной полости А, взводящей полости В, сливной по лости С, дросселей Д1 и Д2. Управляющая полость У образована на ружной поверхностью упругого элемента 3 и внутренней поверхно стью стакана 4.

На поршне взводящей полости имеется кольцевая проточка управления упругим элементом. При холостом ходе подвижных час тей (взводе бойка) происходит разобщение взводящей полости В и сливной С за счет перекрытия упругим запорно-регулирующим эле ментом 3 каналов В и С. В конце взвода управляющая полость У сое диняется со сливной гидролинией через проточку на поршне взво дящей полости В. Давление над упругим элементом 3 падает, он де формируется в радиальном направлении (расширяется), образуя ко льцевой канал, который соединяет взводящую полость В со сливной С.

За счет энергии сжатого газа пневмоаккумулятора А совершается рабочий ход подвижных частей, заканчивающийся ударом инстру мента по обрабатываемому грунту. Дроссели Д1 и Д2 являются регу лировочными, обеспечивающими необходимый режим работы уст ройства. Далее рабочий цикл повторяется. В последующих схемах беззолотниковых гидроударников распределительный узел управле ния рабочим циклом с цилиндрическим упругим запорно регулирующим элементом располагается вне корпуса гидроударника отдельным модулем.

Рис. 1.7. Конструктивная схема беззолотникового гидроударника по а.с. № 863854:

1 – корпус;

2 – подвижные части;

3 – цилиндрический упругий запорно-регулирующий элемент;

4 – стакан На рис. 1.8 представлена принципиальная схема гидравлического ударного устройства с вынесенным распределительным узлом (бло ком управления рабочим циклом), изображенным в виде гидравличе ски управляемого дросселя.

Распределительные узлы беззолотниковых гидроударников об ладают малой инерционностью, хорошо компонуются в конструк цию гидроударника. При этом появляется возможность использова ния блочно-модульного принципа проектирования гидроударников.

В СибАДИ вопросами создания беззолотниковых гидроударных устройств занимались Т.В.Алексеева, Э.Б.Шерман, С.П.Лупинос, Н.С.Галдин, И.М.Мурсеев, А.А.Гришакин, В.В.Исаенко, Е.А.Бедрина, И.А.Угрюмов и др.

Применение упругого запорно-регулирующего элемента для пе риодического сообщения взводящей и сливной полостей гидроудар ного устройства дает следующие преимущества по сравнению с ранее рассмотренными гидроударными устройствами:

а) упрощается конструкция гидроударника;

б) повышается технологичность конструкции;

в) появляется возможность регулирования частоты ударов, энер гии удара;

г) повышается надежность гидроударника;

д) снижаются требования к чистоте рабочей жидкости;

е) улучшается ремонтоспособность.

Рис. 1.8. Принципиальная схема беззолотникового гидроударного устройства по а.с.№ 1352050 с вынесенным блоком управления:

1 – корпус;

2 – пневмоаккумуляторная полость;

3 – поршень взводящей полости;

4, 16 – каналы;

5,11 – сливная гидролиния;

6 – проточка;

7 – взводящая полость;

8 – сливная полость;

9 – боек;

10 – распределительный узел;

12 – напорная гидролиния;

13 – дроссель;

14, 15 – каналы Одним из разновидностей гидроударных устройств, используе мых для разрушения грунта, является гидромолот – сменное оборудо вание гидравлических экскаваторов, погрузчика или трактора, харак теризующееся определенной технологией разработки грунта.

Гидромолот применяется при вскрытии асфальтобетонных по крытий, разрушении бетонных и железобетонных конструкций, рых лении скальных и мерзлых грунтов, уплотнении рыхлого грунта (при использовании сменного рабочего органа – трамбовки) и др. (рис. 1.9).

Гидромолот устанавливают на экскаватор вместо снятой рукояти или ковша и подключают к гидравлической системе. Он незаменим при вскрытии подземных сооружений – тепловых магистралей, газо проводов, трубопроводов, телефонных и силовых кабелей и т. п., гид ромолот широко используется в коммунальном хозяйстве, промыш ленном и гражданском строительстве, строительстве дорог, взлетно посадочных полос аэродромов, для разрушения отслуживших срок сооружений, а также безвзрывной проходки горных выработок.

Исполнительный механизм гидромолота может изготавливаться с использованием гидропневмоаккумулятора или гидравлических ак кумуляторов типа "жидкая пружина". Как и все машины виброудар ного действия, гидромолоты характеризуются частотой ударов и энергией единичного удара. Энергетический диапазон современных гидромолотов 0,5...20 кДж, частота ударов 1...40 Гц /23, 80, 86, 145/.

Интерес к гидромолотам в последнее время проявляют многие произ водители. Не остались в стороне и научные коллективы. Так, Новоси бирский институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева Сибирского отделения РАН испытал и подготовил документацию на три модели М-1 (для ЭО-2621), М-2 и М-3 (обе предназначены для экскаваторов типа ЭО-3323) /126/.

Рис. 1.9. Экскаватор ЭО-2621 с гидромолотом ГПМ- К недостаткам гидромолотов следует отнести наличие противо давления при рабочем ходе бойка, обусловленного перетеканием жидкости из взводящей полости гидромолота в сливную полость че рез золотниковый гидрораспределитель.

Среди зарубежных производителей можно выделить компанию Atlas Copco, которая выпускает легкие, средние и тяжелые гидромо лоты. На выставке BAUMA 2004 компания представила последние разработки – SB 200, MB 1000 и НВ 5800, представляющие большой интерес.

В 1978 г. компания Krupp впервые использовала в конструкции газовый цилиндр, создававший примерно 30% энергии удара. Убе дившись в эффективности этого подхода, конструкторы продолжили развитие пневматической составляющей, и на современных пневмо гидравлических молотах Atlas Copco средней и тяжелой серий энер гия удара на 2/3 получается за счет энергии сжатого газа и на 1/3 дав ления жидкости, создаваемого гидросистемой несущей машины. Та ким образом, молот в минимальной степени зависит от подачи гид равлической жидкости и перепадов давления в магистрали, поршень равномерно ускоряется при рабочем ходе и плавно затормаживается при отскоке от твердой породы.

Система Auto Control при каждом ударе "оценивает" твердость породы и переключает специальный гидравлический клапан между режимами максимальной энергии удара при полном ходе поршня (при разрушении твердой породы) и максимальной частоты удара при коротком ходе (при разрушении рыхлой породы). Запуск молота все гда производится в режиме "короткого" удара, что облегчает его по зиционирование.

При разрушении мерзлых и прочных пород система восстанов ления энергии Energy Recovery, в которую входит гидроаккумулятор высокого давления, утилизирует энергию поршня при обратном ходе и высвобождает ее при рабочем ходе, таким образом усиливая удар без увеличения потребляемой мощности и сокращая интервалы меж ду ударами. После разрушения породы молот автоматически пере ключается в режим "короткого" удара, что исключает холостые удары с максимальной энергией. Режим Auto Stop требует приложения на грузки на рабочий инструмент, а после разрушения породы автомати чески отключается. Его применяют при разрушении прочных скаль ных грунтов, железобетонных конструкций, а также когда молот на ходится вне зоны видимости оператора, например, при подводных ра ботах.

Еще одним флагманом машиностроения среди производителей гидроимпульсной техники для разрушения грунта является Caterpillar Inc. Молоты совершенствуются, разработчики стремятся максимально адаптировать их конструкцию и характеристики к машинам Caterpillar, учитывая при этом возможность применения их на анало гичных машинах других производителей. Энергия удара среднего и тяжелого молотов Caterpillar на 80% создается гидравлическим акку мулятором высокого давления. При обратном ходе поршня жидкость через контрольный клапан нагнетается под диафрагму аккумулятора.

При рабочем ходе накопленная энергия высвобождается, и жидкость толкает поршень, совершая полезную работу. Кроме того, аккумуля тор гасит скачки пикового давления внутри молота, защищая гидро систему носителя.

Во время позиционирования молота давление в аккумуляторе поддерживается предохранительным клапаном. Поток жидкости, по ступающей непосредственно из гидромагистрали по каналам к порш ню, дополняет 20% энергии удара. Рабочий инструмент перемещается по двум проворачивающимся втулкам: верхней и нижней. По каналам нижней герметизированной втулки к поверхности долота нагнетается смазка. По состоянию смазочной канавки можно определить степень износа втулки.

В течение всего времени работы молот обеспечивает постоянную энергию удара, большую часть которой он получает от гидроаккуму лятора высокого давления, и может наносить удар из любого положе ния. Сменный нижний корпус из стали Hardox 400 правильно пози ционирует и защищает направляющие втулок и рабочего инструмен та. Износостойкие сменные боковые пластиковые пластины по всей длине корпуса поглощают шум и демпфируют вибрацию. Через шту цера на корпусе подключают компрессор для работы под водой и в условиях сильной запыленности и централизованную систему смазки.

Японская компания Nippon Pneumatic из Осаки в своих конст рукциях делает акцент на то, что основная энергия удара формируется газовым аккумулятором, непосредственно воздействующим на пор шень. Из конструкции исключен диафрагменный гидроаккумулятор.

По утверждению компании, такое решение упрощает конструкцию, обслуживание и повышает надежность молота. Корпус молота кре пится к кожуху оригинальной системой из резиновых элементов и изолирован демпфирующими элементами для снижения уровня шума и вибраций, передаваемых на несущую машину.

Большой объем патентной и технической информации в России и за рубежом позволяет судить о больших перспективах главным обра зом гидропневматических ударных механизмов. В настоящее время гидропривод находит все большее применение в строительных и до рожных машинах /3, 11, 12, 62, 80, 81, 100, 104, 123, 135/.

Ударные рабочие органы нашли применение при рыхлении мерзлого грунта в виде активных рыхлителей для промышленных тракторов (рис 1.10) различной тяговой мощности, ковшей активного действия экскаватора, сменного оборудования к экскаваторам (гид ромолоты), оборудования для ударно-вращательного бурения /19,21,23/. Ударный рабочий инструмент является подвижным отно сительно машины и ее частей. Это позволяет получить практически любые усилия и скорости на режущей кромке инструмента, снижает ся вес машины, увеличивается производительность /24/.Созданием и исследованием гидравлических ударных устройств в нашей стране занимались и занимаются многие организации: ВНИИстройдормаш, СибНИИстройдормаш (КФ ВНИИстройдормаш), КарПТИ, Тверской, Ковровский экскаваторные заводы и другие организации.

Значительный вклад в теорию и практику создания гидроудар ных импульсных систем внесли О.Д.Алимов, П.М.Алабужев, Т.В.Алексеева, В.Ф.Горбунов, А.Ф.Кичигин, И.А.Янцен, Д.Н.Ешуткин, А.И.Федулов, А.Д.Костылев, Э.А.Абраменков, А.Г.Лазуткин, С.А.Басов, Ю.В.Дмитревич, Г.Г.Пивень, Л.С.Ушаков, М.Е.Иванов, Ю.Ф.Конаныхин, Г.Л.Полонский, А.С.Сагинов, Ю.М.Смирнов, В.С.Павлов и другие ученые.

На основе проведенных исследований общая классификация конструкций рыхлителей активного действия на основе гидроударни ков для гидравлических экскаваторов представлена на рис. 1.11.

Рис. 1.10. Рыхлитель активного действия на базе трактора Рыхлитель активного действия По типу привода По типу ударного ударных устройств устройства гидромеханические Индивидуальный Общий привод привод гидравлические По наличию де лителя потока пневматические жидкости гидропневматические без дели с делителем теля по виду запорно регулирующего элемента плунжер мембрана диафрагма кольцо Рис. 1.11. Классификация зубьев - рыхлителей активного действия Все многообразие гидроимпульсной техники позволяет выявить основные структурные характеристики гидроударных устройств, ра ботающих в качестве рыхлителей активного действия. Для активиза ции процесса рыхления используется подвод дополнительной энер гии. Наиболее распространено использование в конструкциях рыхли телей гидро-, пневмоударных механизмов либо их сочетание, а также виброударных механизмов. Традиционная схема использования энер гии удара включает в себя гидро- и пневмоударник, смонтированные на дополнительном кронштейне и взаимодействующие с рабочим ор ганом.

В общем случае гидроударные машины можно разделить на три группы:

1. Гидромеханические, у которых привод ударной части (бойка) осуществляется от гидродвигателя (гидроцилиндра или гидромотора) через промежуточную механическую передачу.

2. Гидравлические (гидромолоты двойного действия), у которых движение ударной части происходит за счет рабочей жидкости, пода ваемой насосом базовой машины.

3. Гидропневматические, у которых взвод ударной части осуще ствляется рабочей жидкостью, а рабочий ход происходит за счет энергии сжатого газа пневмоаккумулятора.

На рис. 1.12–1.15 представлены обобщенные гидрокинематичес кие схемы гидроударных устройств: на рис. 1.12, 1.14 показаны схемы гидропневматических ударных устройств, а на рис. 1.13, 1.15 – схемы гидравлических ударных устройств двойного действия.

Блоки управления рабочим циклом, осуществляющие распреде ление потоков жидкости в гидроударнике, представлены в виде гид рораспределителя, позиции которого соответствуют: В – взводу бой ка, Т – торможению, Р – рабочему ходу бойка (подвижных частей).

К преимуществам гидропневматических ударных устройств (см.

рис. 1.12, 1.14), имеющих наибольшее применение, следует отнести компактность, низкую металлоемкость на единицу энергии удара, простоту регулирования энергии удара за счет изменения давления зарядки газа в пневмоаккумуляторе. Поэтому гидропневматические ударные устройства получили наибольшее распространение /5, 14, 23, 28, 31, 33, 59, 60, 70, 80, 89 – 96, 123, 126/.

По способу освобождения взводящей полости от рабочей жидко сти гидропневматические ударные устройства разделяют на два ос новных типа:

1. С вытеснением рабочей жидкости в период рабочего хода не посредственно в сливную линию (см. рис. 1.12). Данный тип гидро ударных устройств включает две основные полости (полость взвода и аккумуляторную).

2. С вытеснением рабочей жидкости в период рабочего хода в ос вобождающуюся сливную полость (см. рис. 1.14). Этот тип гидро ударных устройств позволяет значительно снизить скорость жидкости в сливной гидролинии, тем самым улучшая энергетические парамет ры гидропневмоударников /6/.

Рис. 1.12. Схема гидропневматического ударного устройства:

1 – инструмент;

2 – полость высокого давления;

3 – корпус;

4 – боек;

5 – пневмоаккумуляторная полость;

6 – блок управления рабочим цик лом;

7 – гидробак;

8 – напорная гидролиния;

В – взвод бойка;

Т – торможение;

Р – разгон (рабочий ход) Рис. 1.13. Схема гидравлического ударного устройства двойного действия:

1 – инструмент;

2 – полость высокого давления;

3 – корпус;

4 – боек;

5 – рабочая полость;

6 – блок управления рабочим циклом;

7 – гидробак;

8 – напорная гидролиния Рис. 1.14. Схема гидропневматического ударного устройства:

1 – инструмент;

2 – корпус;

3 – боек;

4 – полость низкого давления;

5 – полость высокого давления;

6 – пневмоаккумуляторная полость;

7 – блок управления рабочим циклом;

8 – напорная гидролиния;

9 – гидробак Рис. 1.15. Схема гидравлического ударного устройства двойного действия:

1 – инструмент;

2 – корпус;

3 – боек;

4 – полость низкого давления;

5 – полость высокого давления;

6 – полость рабочего хода;

7 – блок управления рабочим циклом;

8 – напорная гидролиния;

9 – гидробак Гидропневмоударное устройство (см. рис. 1.14) имеет три полос ти: газовую (пневмоаккумуляторную), взводящую и сливную. После окончания холостого хода взводящая полость соединяется со сливной и под действием энергии сжатого газа пневмоаккумулятора подвиж ные части гидропневмоударника совершают удар по грунту. Полость взвода соединяется со сливной полостью при помощи распредели тельных устройств (блоков управления рабочим циклом): золотника, трубчатого клапана, втулки управления и др.

Полости взвода и пневмоаккумулятора являются основными, обеспечивающими рабочий процесс гидроударника /14/. Доказано, что использование пневматических аккумуляторов в гидроударных устойствах позволяет повысить КПД гидроударного устройства за счет увеличения асимметрии рабочего цикла. Классификация гидрав лических ударных систем приведена на рис. 1.16.

Гидравлические ударные системы постоянной структуры переменной структуры напорные проточные циклические ациклические блок управления накопитель источник энергии рабочим циклом энергии постоянного распределительный пневматический давления мембранный механический постоянного (пружинный) расхода клапанный постоянной гидравлический мощности комбинированный комбинированный Рис.1.16. Классификация гидравлических ударных систем В соответствии с указанным делением гидроударных устройств на конструктивные элементы любая модель работы гидроударного устройства должна включать в себя информацию о каждом из элеме нтов и предусматривать возможность определения изменений в его состоянии. В противном случае необходимо сделать определенные допущения относительно характера взаимодействия элемента, кото рый не учитывается при расчете, с остальными компонентами систе мы.

Необходимо отметить, что исследования в области создания и моделирования рыхлителей активного действия на основе гидроудар ников на базе колесного экскаватора (например, ЭО2621) с учетом параметров грунта и параметров базовой машины, в том числе с при менением САПР, не проводились, поэтому данная проблема является весьма актуальной.

Основными параметрами рыхлителей на основе гидроударных устройств, которые будут существенно влиять на энергоемкость про цесса разрушения грунта, являются:

-скорости бойка в момент соударения с грунтом;

-энергия единичного удара;

-частота ударов;

-ударная мощность.

1.2. Анализ исследований процессов динамического разрушения грунта В строительных работах наиболее трудоемкими являются земля ные работы. Быстрому развитию техники способствовали труды оте чественных ученых и инженеров в области теории, конструирования и рабочих процессов машин для земляных работ.

Особенно велики заслуги в этой отрасли академика В.П.Горячкина, профессоров Н.Г.Домбровского, А.Н.Зеленина, Ю.А.Ветрова, Д.П.Волкова, К.А.Артемьева, И.А.Недорезова, Д.И.Федорова, А.М.Холодова, В.И.Баловнева, М.И.Гальперина, Н.А.Ульянова, В.Л.Баладинского и многих других.

Если для статического разрушения грунтов (при малой скорости силового воздействия: до 2,0...2,5 м/с) имеются достаточно полные и объемные исследования, то динамическое (ударное в частности) взаимодействие рабочего органа с грунтом, находящееся на началь ной стадии изучения, требует дальнейшего изучения. Ударное разру шение мерзлых и скальных грунтов обладает рядом преимуществ пе ред традиционными способами разрушения. При ударном разруше нии, прежде всего, меньше энергетические затраты, а также при ди намическом разрушении грунта зона разрушения превышает зону внедрения рабочего органа за счет волны деформации, образующейся перед рабочей кромкой инструмента /36, 67, 114/.

Машины с ударными рабочими органами имеют более совершен ную силовую схему взаимодействия с разрушаемой средой. В процес се обычного резания реакция грунта, достигающая в некоторых слу чаях значительных величин, воспринимается конструкцией всей ма шины, что приводит к увеличению ее массы и габаритов. В машинах, рабочий орган которых осуществляет ударное воздействие на грунт, силы, возникающие при соударении, замыкаются в системе “среда – инструмент – ударник ”, следовательно, конструкция и агрегаты базо вой машины испытывают значительно меньшие нагрузки /114/. Для эффективного разрушения мерзлых, прочных и скальных грунтов, различных по своим физико-механическим свойствам, необходимо изменять параметры рыхлителя активного действия (энергию, удар ную мощность, частоту ударов и др.) в определенном диапазоне с учетом вида и свойств грунта /29/.

Для разрушения мерзлых, прочных, скальных грунтов, бетонных оснований и дорожных покрытий, в том числе в стесненных местах, в условиях городской застройки, а также при реконструкции различных производственных объектов будем использовать навесной зуб рыхлитель активного действия, работающий как гидроударное уст ройство. Зуб-рыхлитель будет иметь гидропневматический привод, характеризующийся цикличностью функционирования – холостым ходом подвижной части (взводом бойка ударника), заканчивающимся фазой торможения и рабочим ходом бойка (нанесением удара по об рабатываемому массиву) /40,46/.

Изучению процесса разрушения мерзлых грунтов ударными на грузками посвящены работы ВНИИстройдормаша, Карагандинского политехнического института.

Существующие сейчас теории, в которых интерпретируются процессы взаимодействия со средой рабочих органов, можно разде лить на 2 группы:

- теории, концептуальные положения которых основаны на ре зультатах экспериментальных исследований, фактах эмпирического характера;

- теории, базирующиеся на ряде положений статики сыпучих сред, дополненных условием предельного равновесия.

К первой относятся работы В.П. Горячкина, Н.Т. Домбровского, А.Н. Зеленина, ко второй – Ю.А. Ветрова, К.А. Артемьева, В.И. Ба ловнева, А.М. Завьялова. Общим для всех теорий является отсутствие учета деформируемости среды в процессе экскавации, несмотря на то что сжимаемые среды, материал которых является нелинейным, рабо тают в основном на сжатие /40, 41, 42, 43,78/.

Данные теории не учитывают появление в обрабатываемой среде растягивающих напряжений, величина которых в определенной мере ведет к разрушению материала. В ряде случаев вводится лишь коэф фициент разрыхления. Не учитывается связь разрушения грунта с движением рабочего органа или машины в целом. Теории, посвящен ные интерпретации процессов взаимодействия со средой рабочих ор ганов строительных и дорожных машин, базируются на эмпирических сведениях с постоянным переходом к математической модели и алго ритмам, основанным на статике сыпучей среды с постоянным пере ходом к моделям, учитывающим движение рабочего органа.

Ряд авторов (В.И. Баловнев, А.И. Демиденко) рассматривают давление грунта на составляющие элементы рабочего органа, исполь зуя статику предельного равновесия грунта: при этом части рабочего органа рассматриваются как надвигающаяся подпорная стенка на грунтовый массив. В настоящее время разработана методика опреде ления основных параметров гидроударных механизмов, к которым относятся зубья - рыхлители активного действия;

в ней удалось объе динить параметры движения гидроударника со свойствами грунта и учесть волновые процессы, возникающие при разрушении грунта /23, 30/.

Рассмотрим некоторые положения данной методики. Основной особенностью ударного воздействия на грунт является относительно быстрое возрастание сил. Ударное разрушение грунтов представляет собой сложный процесс, состоящий из нескольких стадий: упругой, пластической, трещинообразования и собственно разрушения. Созда ние активных рабочих органов требует дальнейшего изучения про цессов динамического разрушения мерзлых и прочных грунтов с уче том их особенностей и свойств.

В зависимости от трудности разработки грунты объединены в группы. Скальные грунты объединены в группы по результатам пробного бурения 1 м шпура, мерзлые грунты – по средним затратам времени на бурение 1 м скважины или шпура. Прочность грунтов ха рактеризуется способностью сопротивляться внешним силовым воз действиям /137/.

Сопротивление сдвигу – способность грунтов сопротивляться смещению по поверхности сдвига – оценивается удельными силами сцепления и трением частиц грунта друг о друга. Между сопротивле нием сдвигу, удельным сцеплением С0 и силами трения существует связь, которая приближенно описывается уравнением С 0 tg, где – нормальное напряжение на плоскости сдвига;

- угол внут реннего трения.

Прочностные показатели грунтов могут быть определены с по мощью временного сопротивления одноосному сжатию 0 и разрыву р, удельного сцепления С0 и с помощью числа С ударов плотномера ДорНИИ /137/. Число ударов плотномера ДорНИИ С – это работа, за трачиваемая для погружения в грунт на глубину 10 см наконечника с площадью основания, равной 1 см2. Число ударов уточняет класси фикацию грунтов по трудности разработки.

Прочностные свойства мерзлых грунтов определяются связую щим действием льда, поэтому их механическая прочность зависит не от прочности минеральных частиц, а от прочности связей. Прочность связей, в свою очередь, зависит от температуры, изменяющей струк туру и агрегатное состояние воды, влажности, гранулометрического состава грунта.

Упругие свойства мерзлых грунтов характеризуются модулем упругости и коэффициентом Пуассона. Модуль упругости Е увели чивается с повышением влажности, понижением температуры и с увеличением размеров фракций грунта /54/. Коэффициент Пуассона обычно находится в пределах 0,13...0,48 и является функцией тех же параметров, что и величина модуля упругости Е. Прочность мерзлых грунтов зависит от влажности и температуры.

В условиях ударного воздействия на грунт (с большой скоро стью) процесс разрушения грунта рассматривается на основании принципов теории распространения волн деформаций в грунтах. При статическом нагружении грунтов рабочими органами землеройных машин объем разрушенного грунта определяется глубиной внедрения рабочего органа и величиной отделяемой стружки. При динамиче ском нагружении объем разрушенного материала зависит не только от глубины внедрения инструмента (так как зона разрушения значи тельно превышает зону внедрения), но и от импульса, вызывающего остаточные деформации, и от условий его прохождения в грунте. При мгновенной нагрузке на массив частицы грунта приходят в движение и передают этот импульс близлежащим частицам.

На механические свойства разрушаемой среды значительно влияют дефекты в виде различных включений, дислокаций. Эти де фекты создают в среде места ослаблений, точечные и плоскостные, в которых начинается разрушение и образование трещины. Частицы грунта связаны между собой силами взаимодействия, зависящими от его физико-механических свойств. При равновесном ненагруженном состоянии массива силы взаимодействия соприкасающихся частиц уравновешены. При внешнем воздействии частицы грунта выходят из равновесия и действуют на соседние частицы. Происходит процесс распространения волн деформаций в грунте.

Н.А.Цытович указывает на необходимость при изучении дина мики грунтов рассматривать волны деформации двух типов: попереч ные и продольные /137/. Волны распространяются в невозмущенном грунте с определенными скоростями, зависящими от характеристик грунта. В зависимости от вида деформаций возникают волны различ ных типов. Если движение описывается только объемным сжатием и растяжением, волна называется продольной, если деформациями сдвига – поперечной.

Зависимость между напряжением и деформацией грунта (нагру зочная характеристика) представлена на рис. 1.17 /137/. Диаграмма сжатия при небольшой величине давлений имеет начальный линейно упругий участок (отрезок ОА). При увеличении давлений в грунте по являются пластические деформации.

Кривая разгрузки грунта, соответствующая уменьшению напря жений, не совпадает с кривой нагрузки, что обусловливает наличие остаточных деформаций (см. рис. 1.17). В грунте при p p2 волна является ударной, при p p2 она распадается на упругую и пласти ческую. Упругая волна распространяется с большей скоростью, чем пластическая. Здесь ОАВС – линия нагрузки;

ВD, СЕ – линии раз грузки (см. рис. 1.17) /137/. На процесс разрушения грунта сущест венное влияние оказывают конструктивные параметры рабочего ин струмента (форма ударной части, диаметр хвостовика, угол заостре ния инструмента).

Проф. А.Н. Зелениным рекомендуется при отрицательных тем пературах клиновидный рабочий инструмент с углом заострения 30…350 /40 – 43/. Чаще всего для разрушения мерзлых и прочных грунтов используется рабочий орган клиновидной формы с углом за острения = 300 /43/ – плоскосимметричный, с изменяющейся пло щадью контакта со средой. Указанный вид рабочего органа (клино видной формы) может применяться и при создании рыхлителя актив ного действия на основе гидроударных устройств для гидравлическо го экскаватора.

Рис. 1.17. Динамическая кривая сжатия грунта по модели упругопластической среды /137/: OABC – линия нагрузки;

BD, CE – линии разгрузки При малом значении угла (например, = 70) сопротивление внедрению клина незначительно, но при этом уменьшаются и разви вающиеся на щеках клина усилия, чтобы создать предельные разры вающие напряжения в грунте /43/. Большой угол увеличивает объем сжимаемого грунта, что ведет к значительному росту энергоемкости разрушения. Оптимальным углом заострения клина для однородных грунтов считается угол, равный 25...300 (для весьма хрупких грун тов = 30...350) /43/.

Удар лезвия клина о мерзлый грунт рассматривается как удар в упругопластической среде. На острие клина всегда имеется площадка aКbК, и поскольку она находится в соприкосновении с мерзлым грун том, то движение клина передается грунту и вызывает в первый мо мент равномерное сжатие бесконечно тонкого слоя по всей площади контакта. Затем возникает и распространяется продольная волна на пряжений в грунте, которая вызывает сжатие слоев грунта, напряже ние с глубиной будет уменьшаться от максимального в первом слое до нулевого на некотором расстоянии от поверхности.

На процесс разрушения грунта существенное влияние оказывает форма ударной части инструмента (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Типы ударного рабочего органа (инструмента) для разрушения грунта:

а – плоский круговой;

б – плоский прямоугольный;

в – клиновый;

г – конический;

д – пирамидальный Рассмотрим наиболее применяемые типы ударного рабочего ор гана (инструмента), которым чаще всего оснащаются гидроимпульс ные средства механизации для разрушения грунта (см. рис. 1.18). Ос новным принципом их типизации является особенность контактиро вания инструмента с разрушаемой средой (грунтом) /35, 59, 97, 106/.

По этому признаку рабочий орган можно разделить на инструмент с постоянной площадью контакта со средой (см. рис. 1.18, а и б) и ин струмент с изменяющейся площадью контакта со средой (см. рис.

1.18, в, г, д). По особенностям формы контактной площади со средой инструменты разделяют на осесимметричный, плоскосимметричный и асимметричный.


Форма, размеры, материал рабочего органа зависят в первую очередь от вида технологической операции, для которой он предна значен, от прочностных показателей разрушаемого грунта и т.д. Рабо чий орган с постоянной площадью контакта может использоваться для забивки свайных элементов, шпунта в грунт. Плоский прямо угольный рабочий орган с постоянной площадью контакта со средой (см. рис. 1.18, б) используется, например, для разрушения льда.

В качестве инструмента гидромолота применяются клиновый, ко нический и пирамидальные (пика) типы рабочих органов (см. рис. 1.18, в, г, д). Ширина инструмента также оказывает большое влияние на ве личину объема грунта, отделяемого от массива. Экспериментально ус тановлена связь между шириной клина и расстоянием до забоя, при котором энергоемкость разрушения будет минимальна /23/. Основным показателем процесса ударного разрушения мерзлого грунта принята удельная энергоемкость, то есть количество энергии, идущее на раз рушение или отделение от массива 1 м3 мерзлого грунта.

Исследования позволили установить, что на величину удельной энергоемкости скола влияют:

-показатели самого гидроударного устройства;

-форма, размеры скалывающего органа;

-толщина разрушаемого слоя грунта и его характеристики;

-характеристика базовой машины;

-величины статического поджатия;

-угол резания /71,72/.

При определении параметров активного рабочего органа процесс ударного разрушения грунта будем рассматривать на основе принци пов теории распространения волн деформаций в грунтах.

Автоматизированное проектирование позволяет ускорить темпы поиска новых технических решений и повысить эффективность и ка чество конструкторских разработок, так как проектирование является одним из наиболее трудоемких этапов инженерной деятельности /1, 50, 79/. Поэтому одним из путей создания эффективных зубьев рыхлителей активного действия следующего поколения является ис пользование системы автоматизированного проектирования (САПР) на основе систем автоматизированного моделирования для их разра ботки с учетом физико-механических свойств разрушаемых грунтов и параметров базовой машины. Использование системы автоматизиро ванного моделирования рыхлителей активного действия на основе прогрессивных информационных технологий, использование совре менных средств программного обеспечения, разработка программно го продукта для определения основных параметров рыхлителей, ком пьютерное моделирование процесса разрушения грунта позволят соз давать эффективные рабочие органы активного действия, в том числе зубья-рыхлители активного действия для разработки мерзлых, твер дых и прочных грунтов.

Перед этим необходимо провести теоретические исследования, основой которых будет являться метод математического моделирова ния (или имитационного моделирования) взаимодействия рабочего органа рыхлителя активного действия на основе гидроударного уст ройства с разрушаемой средой.

мерзлого грунта в виде активных рыхлителей для промышленных тракторов (рис 1.10) различной тяговой мощности, ковшей активного действия экскаватора, сменного оборудования к экскаваторам (гид ромолоты), оборудования для ударно-вращательного бурения /19,21,23/. Ударный рабочий инструмент является подвижным отно сительно машины и ее частей. Это позволяет получить практически любые усилия и скорости на режущей кромке инструмента, снижает ся вес машины, увеличивается производительность /24/.Созданием и исследованием гидравлических ударных устройств в нашей стране занимались и занимаются многие организации: ВНИИстройдормаш, СибНИИстройдормаш (КФ ВНИИстройдормаш), КарПТИ, Тверской, Ковровский экскаваторные заводы и другие организации.

Значительный вклад в теорию и практику создания гидроудар ных импульсных систем внесли О.Д.Алимов, П.М.Алабужев, Т.В.Алексеева, В.Ф.Горбунов, А.Ф.Кичигин, И.А.Янцен, Д.Н.Ешуткин, А.И.Федулов, А.Д.Костылев, Э.А.Абраменков, А.Г.Лазуткин, С.А.Басов, Ю.В.Дмитревич, Г.Г.Пивень, Л.С.Ушаков, М.Е.Иванов, Ю.Ф.Конаныхин, Г.Л.Полонский, А.С.Сагинов, Ю.М.Смирнов, В.С.Павлов и другие ученые.

На основе проведенных исследований общая классификация конструкций рыхлителей активного действия на основе гидроударни ков для гидравлических экскаваторов представлена на рис. 1.11.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ГИДРОУДАРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ АКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ, ПРИМЕНЯЕМОГО ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ГРУНТОВ 2.1. Метод регрессионного анализа при определении основных параметров зуба-рыхлителя активного действия на основе гидроударника На начальном этапе для определения основных конструктивных параметров гидроударного устройства, работающего в качестве рых лителя активного действия, воспользуемся регрессионными и линей ными зависимостями.

Задачей регрессионного анализа статистических данных, пред ставляющих собой основные параметры рыхлителя активного дейст вия, является обоснование функциональных зависимостей между от дельными параметрами зуба-рыхлителя активного действия экскава тора. Уравнения регрессии и данные функциональные зависимости являются исходной базой для моделирования зуба-рыхлителя актив ного действия на основе гидроударника для экскаватора по состав ленным системам уравнений и лежат в основе прогнозирования па раметров зуба-рыхлителя экскаватора.

Для эффективной разработки мерзлых и прочных грунтов при проектировании рыхлителя активного действия необходимо соблю дение определенных условий, одним из которых является Тпог [Тпог], (2.1) где [Тпог]- допускаемая погонная энергия удара для определенного вида грунта /23/.

Погонная энергия удара увеличивается с увеличением прочности для всех видов грунтов /23/ Тпог aС 2 bС d, (2.2) где a, b, d – коэффициенты, значения которых зависят от типа грунта, определены экспериментально /23, 30/.

Профессором И.А.Недорезовым /5/ установлена достаточно тес ная линейная связь между показаниями плотномера ДорНИИ (числом С), который дает интегральную оценку прочности грунта, и времен ным сопротивлением грунта одноосному сжатию 0 /72, 73, 75, 77, 78/:

0 C/30. (2.3) Показано также, что грунты плохо сопротивляются разрыву и имеет место связь р 0,2 0. (2.4) Между числом ударов плотномера ДорНИИ С и удельным сцеп лением С0 имеется корреляционная связь, также полученная И.А.Недорезовым С0 = 0,008C. (2.5) Условия разрушения мерзлых и прочных грунтов можно записать следующим образом 0 С0 р (2.6) где – апряжение, возникающее на поверхности грунта;

0 – времен ное сопротивление одноосному сжатию;

С0 – удельное сцепление;

р – временное сопротивление разрыву.

Определяем единичную энергию удара Т=Тпог.b, (2.7) где b – ширина зуба, b=7см (принимаем ориентировочно, в дальней шем этот параметр уточняется).

Зная едининую энергию удара необходимую для опре деленной категории грунта определим параметры аккуму ляторного блока Значение энергии, развиваемой гидропневмоаккумулятором /23/:

Т, (2.8) Wа раз где Wа – энергия, развиваемая пневмоаккумулятором гидроударника;

Т – энергия единичного удара;

раз – КПД разгона гидроударного устройства, учитывающий потери энергии на перетекание жидкости и механическое трение при разгоне бойка, раз =0,8.

Энергия, развиваемая пневмоаккумулятором, зависит от его па раметров и записывается следующим образом /23/ n pг1 Vг1 Eг Eг, (2.9) Wa n 1 Eгn где pг1 – максимальное давление сжатого газа в гидропневмоак кумуляторе;

Vг1 – объем, занимаемый газом при давлении;

Eг – сте пень сжатия газа, Ег=2,5;

n – показатель политропы, n =1,4.

Степень сжатия газа определяется по формуле /23/ V го Eго=, (2.10) V г где Vг 0 - начальный объем, занимаемый газом.

Объемы Vг1 и Vг0 определяются по формулам D l1, (2.11) Vг где D - диаметр поршня пневмоаккумулятора;

l1 – длина цилиндра;

D Vг 0 (l1 l ), (2.12) где l – ход подвижных частей, значение l можно принимать 0,05...0, м.

Подставив значения Vг1 и Vг0 в формулу (2.43), получим l l1 = (2.13).

Eг Максимальное давление газа зависит от давления за рядки пневмоаккумулятора и определяется выражением р г1 р г 0 Е n, (2.14) где pг0 – давление зарядки, Па, pг0 =0,5·106.

Определим значение максимального объема, занимаемого газом, приравняв выражения (2.8) и (2.9), получим формулу для определения Vг Eг n T n, (2.15) Vг1 ( n ) Eг Eг Pг Определим диаметр пневмоаккумулятора, подставив значение Vг пример, в формулу (2.11). Получим формулу для определения диа метра поршня пневмоаккумулятора:

V г D =2. (2.16) l Определим толщину стенки гидроударного устройства Рmax D ст, (2.17) где Рmax – максимальное давление рабочей жидкости, Рmax = =(1,25…1,3)Рн, здесь Рн – номинальное давление рабочей жидкости;

– допускаемое напряжение на растяжение материала корпуса.

Определив параметры аккумуляторного блока, выберем конст руктивные параметры рабочего инструмента.

Диаметр хвостовика инструмента можно определить из уравне ния регрессии /23/ d(T)=a0+a1T+a2T2, (2.18) где Т – энергия единичного удара;

а0, а1, а2 – коэффициенты;

а0=49,17;

а1 = 0,0354;

а2 = –2,8885·10-6 /23/.

Ширина ударного зуба выбирается с учетом конструктивных осо бенностей гидроударного устройства /23/ b D 2 ст, (2.19) где D – диаметр поршня пневмоаккумулятора, м;

ст – толщина стенки корпуса ударного устройства.

Масса подвижных частей (масса поршня) гидроударного устрой ства определяется из выражения для кинетической энергии единично го удара mV T, (2.20) где m – масса подвижных частей (масса поршня);

V1 – скорость под вижных частей в момент удара, V1 =4…8 м/с.

Решив уравнение (2.20) относительно m, получим 2T m 2. (2.21) V Время идеального рабочего цикла гидроударного устройства (без учета времени задержки взвода) определяется по формуле Тц t хх t рх, (2.22) где Tц – время цикла;

t хх – время холостого хода;

t рх – время рабо чего хода.

Коэффициент асимметрии рабочего цикла ka определяется по формуле t хх ka tр х. (2.23) В расчетах коэффициент ka =9.


Время холостого хода определяется по формуле Sв l t хх, (2.24) Q где t хх – время холостого хода;

S в – рабочая (эффективная) площадь взводящей полости;

Q1 – расход рабочей жидкости, равный подаче насоса базовой машины.

С учетом формул (2.23) и (2.24) время цикла равно Sв l 1.

Tц (2.25) k Q1 a Рабочую площадь взводящей полости можно определить по фор муле ( D 2 d 2 ).

Sв (2.26) Частота ударов в минуту определяется выражением. (2.27) n Тц Эффективная ударная мощность в зависимости от энергии и час тоты ударов определяется по формуле /24/ Wa N уд. (2.28) Tц 2.2. Математическая модель процесса разрушения грунта (явление удара) Как уже было сказано, соударение бойка с хвостовиком инстру мента, являющееся заключительной фазой, т.е. собственно ударом, характеризуется силой сопротивления грунта разрушению, временем соударения и глубиной внедрения инструмента в массив. Для опреде ления данных параметров необходимо создание математической мо дели описания процесса разрушения грунта с учетом свойств разраба тываемого грунта и конструктивных параметров рабочего органа ак тивного действия.

Основной задачей математического описания ударного разруше ния грунта является получение информации относительно распреде ления напряжений и деформаций в грунте. Решение этой задачи воз можно, если удается найти решение системы, состоящей из:

а) соотношений между напряжениями и деформациями в грунте;

б) уравнений равновесия для напряжений в грунте;

в) условий совместности деформаций (или приращений дефор маций);

г) критериев прочности грунта;

д) учета волнового характера распространения скорости и дефор маций в грунте;

е) заданных граничных и начальных условий.

Таким образом, решение проблемы ударного разрушения грунтов достаточно сложно. Однако энергетический подход к анализу процес са динамического разрушения грунта позволяет в некоторой степени упростить задачу, а также дает возможность оценить влияние основ ных параметров среды и рабочего органа на процесс разрушения грунта /4, 40, 54, 67, 114/. При определении энергии, необходимой для разрушения грунта, принимаем следующие допущения: вся кинетиче ская энергия бойка гидроударника передается инструменту;

энергия, отраженная от грунта в инструмент, не учитывается;

тепловые поте ри в грунте не учитываются;

потенциальная энергия упругого дефор мирования переходит в энергию трещинообразования скалываемого тела.

При таких допущениях энергия, затрачиваемая на разрушение грунта, определяется по формуле /23, 137/ Aр V р ( )d, (2.29) где Aр – энергия разрушения грунта;

Vр – объем разрушенной зоны, Vр = SL, L=(U1–V1)tуд, здесь S – площадь контакта инструмента с разрушаемым грунтом;

L – длина сжатой зоны;

U1 – скорость распро странения продольной волны;

V1 – скорость удара инструмента о грунт;

tуд – время удара.

Объем разрушенной зоны грунта /23/ 2Tk 2Tk E Vр, (2.30) kSC kД где Т – энергия единичного удара;

k – безразмерный коэффициент, учитывающий угол заострения инструмента, k 1,0;

kД – коэффици ент, kД = ДД ;

E – динамический модуль упругости грунта;

kS – ко 2 эффициент, Па2, k S k 0 k C k, здесь k0 – безразмерный коэффици ент, k0 = 1,36...1,60;

kС – коэффициент, предложенный проф.

И.А.Недорезовым, kС = 106/30;

k – безразмерный коэффициент, k = =1 – 2/(1), здесь – коэффициент поперечной упругости грунта (Пуассона);

C – число ударов плотномера ДорНИИ.

Как уже было отмечено, прочностные показатели грунтов могут быть описаны с помощью временного сопротивления одноосному сжатию 0 и разрыву р, удельного сцепления С0 и с помощью числа С ударов плотномера ДорНИИ /137/. Условие, необходимое для раз рушения грунтов, выглядет следующим образом:

Д 0 С0 р, (2.31) т.е. Д 0,08С 0,06С.

Для процесса разрушения необходимо, чтобы скорость продоль ной волны была больше, чем скорость поперечной. Скорость распро странения продольной волны определяются по формуле /23/ L 2M U1, (2.32) где – плотность грунта;

L и M – постоянные Лямэ, связанные с мо дулями нормальной упругости Е и коэффициентом поперечной упру гости (для грунтов = 0,2...0,48, для крепких горных пород = 0,15...0,20 /69/) зависимостями L E 1 1 ;

(2.33) M E. (2.34) 21 После подстановки в формулу (2.32) значений L и M получим следующее выражение для скорости U1:

E (1 ) U1. (2.35) (1 )(1 2 ) Скорость же распространения поперечных волн M E U2. (2.36) 2(1 ) Величина U2 связана с величиной U1 зависимостью 2(1 ) U1 U 2. (2.37) 1 Значения величин U1, U2,,, Е даны в справочной литературе.

Подынтегральное выражение формулы (2.29) запишется следую щим образом /23/ d Д Д.

(2.38) С учетом приведенных выражений уравнение (2.38) перепи шется как Aр = S(U1 – V1)tудДД/2. (2.39) Так как скорость распространения продольной волны U11, то уравнение (2.39) можно записать Aр = SU1tудkД/2, (2.40) где kД – коэффициент, kД = ДД.

Для проведения расчетов ориентировочно можно принимать сле дующие соотношения при определении коэффициента kД = ДД.:

Д = k00, (2.41) где Д – динамическое напряжение, возникающее в грунте;

k0 – ко эффициент, k0 =1,36...1,60 /24/;

0 – временное сопротивление грунта одноосному сжатию, 0 = kСC, здесь C – число ударов плотномера ДорНИИ;

kС – коэффициент, предложенный проф. И.А.Недорезовым, kС = 106/30.

Тогда выражение для д в зависимости от прочностных свойств грунта, которые оцениваются числом С ударов плотномера, можно записать Д = k00 = k0kCC. (2.42) Значение относительной деформации грунта Д зависит от напря жения Д, физико-механических свойств грунта и определяется вы ражением Д Д 1, (2.43) Е где E – динамический модуль упругости грунта, Па;

– коэффициент Пуассона грунта.

Обозначив через коэффициент k выражение в скобках [k = =1 – 2 /(1–)], c учетом зависимости (2.43) получим следующее вы ражение для относительной деформации грунта:

k0 kC k Д C. (2.44) E Тогда выражение для kД = ДД с учетом формул (2.42) и (2.44) запишется k 2k 2 k 2 k kД 0 C C S C2, (2.45) Е Е где kS – коэффициент, Па2, k k 2k 2 k.

S 0C Требуемое число ударов по грунту nh, необходимое для внедре ния инструмента гидромолота на глубину h (м), определяется по фор муле nh = h/вн. (2.46) В результате получим систему уравнений (2.47), которой можно описать процесс разрушения грунта рыхлительным агрегатом актив ного действия.

Входом данной математической модели являются значения сле дующих величин: С – число ударов ударника ДорНИИ, соот ветствующее определенному типу грунта, и другие параметры грунта (коэффициент Пуассона, динамический модуль упругости, скорость распространения продольной волны при разрушении), а также гео метрические параметры рабочего инструмента зуба-рыхлителя. Ре шив данную систему уравнений, получим значение энергии разруше ния грунта, которая необходима для определения основных парамет ров, характеризующих процесс разрушения грунта.

Aр V р ( )d ;

C ;

д P 0 C / 30 0,08C 0,06C;

д (2.47) U 1 U 2 ;

( )d д д ;

Ар S (U1 V1)t уд д д / 2.

Для определения времени удара tуд используем формулу 2 Ар t уд. (2.48) SU1k Д Глубина внедрения инструмента в грунт за время удара tуд опре деляется 2 Aр V вн t удV1 k, (2.49) SU 1 k д где k – поправочный коэффициент, учитывающий угол заострения рабочего инструмента: при = 1800 k = 1,0;

при = 900 k = 1,75;

при = 600 k = 2,2;

при = 300 k = 3,6 /24/.

Глубина внедрения инструмента прямо пропорциональна энергии единичного удара, скорости удара, обратно пропорциональна площа ди контакта и квадрату числа С, характеризующего прочность грунта.

Сила сопротивления внедрению инструмента в грунт находится выражением Aр SU1k Д Nс (2.50).

вн 2V1k 2.3. Математическая модель зуба-рыхлителя активного действия на основе гидроударника (взвод, торможение, разгон) Для создания системы автоматизированного моделирования, тео ретического определения основных параметров гидроударного уст ройства и исследования влияния на рабочий цикл разрушения грунта таких факторов, как физико-механические свойства грунта и парамет ры базовой машины, необходимо составить математическую модель гидроударного устройства. Гидроударный механизм рыхлителя ак тивного действия можно представить в виде расчетной схемы, основ ными элементами которой являются: источник питания (насос);

на порная и сливная гидролинии с сетевым гидропневмоаккумулятором, исполнительный механизм, включающий корпус и подвижные массы (поршень-боек) с рабочими камерами;

орган управления. Обратная связь между исполнительным механизмом и органом управления осуществляется по пути перемещения поршня-бойка /62, 67, 76/.

Строгое математическое описание движения бойка и корпуса ударного механизма приводит к системе нелинейных дифференци альных уравнений. Рядом авторов показано, что представление гид роударного механизма моделью с дискретными силами и связями не вызывает существенных искажений при исследовании динамических процессов. Поэтому при исследовании процесса работы гидроударно го механизма весь рабочий цикл разбивается на основные фазы: взвод подвижных масс, торможение и рабочий ход. Фаза рабочего хода за канчивается соударением (явление удара) бойка с хвостовиком инст румента и характеризуется силой сопротивления грунта (коэффици ентом восстановления скорости), временем соударения и глубиной внедрения инструмента в массив /15/.

Перспективным направлением в выполнении таких исследований является математическое моделирование с применением ЭВМ, позво ляющее расширить диапазон исследований, осуществить выбор ра циональных параметров рыхлителя активного действия и обосновать рекомендации для инженерного проектирования /50, 79, 102/.

При составлении математической модели зуба-рыхлителя приня ты следующие основные допущения: рабочая жидкость имеет посто янные параметры (плотность, вязкость, модуль упругости и др.);

утечки и перетечки рабочей жидкости через уплотнения отсутствуют;

коэффициенты гидравлических сопротивлений постоянны;

коэффи циенты расхода регулировочных дросселей – величины постоянные;

разрыва потока жидкости при работе гидроударника не происходит;

расход рабочей жидкости, подводимый к одному гидроударнику, не зависит от расходов, подводимых к другим гидроударникам;

реакция корпуса ГУ не учитывается;

упругий запорно-регулирующий элемент рассматривается как дроссель с изменяемым проходным сечением;

утечки газа из газовой полости отсутствуют;

подача насоса, питающе го гидросистему, постоянна;

волновые процессы в гидролиниях не рассматриваются и др.

Смысл работы гидроударника согласно расчетной схеме (рис. 2.1) заключается в следующем. В исходном положении ударник находит ся в крайнем нижнем положении. При поступлении в полость взвода рабочей жидкости поршень перемещается, сжимая газ полости акку мулятора. Взвод происходит до тех пор, пока блок управления рабо чим циклом не соединит напорную гидролинию со сливной. Давление в полости взвода падает и под действием силы давления газа аккуму лятора ударная масса (боек) разгоняется и наносит удар по инструме нту. В конце фазы внедрения инструмента ударная масса останавли вается, далее цикл повторяется /23/. Основными элементами расчет ной схемы являются: источник питания (насос), напорная и сливная гидролинии с сетевым гидропневмоаккумулятором, исполнительный механизм, включающий корпус и подвижные массы (поршень-боек) с рабочими камерами, орган управления.

Математическая модель гидроударного устройства, работающего в качестве рыхлителя активного действия, состоит из уравнения под вижных элементов (поршня-бойка, корпуса), уравнения расходов ра бочей жидкости в камерах рабочего и обратного хода, в аккумулято ре, уравнения давлений рабочей жидкости в камерах взвода и слива.

Перемещение подвижных элементов рыхлителя активного действия в соответствии с основным законом динамики описывается дифферен циальными уравнениями с учетом всех действующих сил, включая силы инерции движущихся масс.

Расход рабочей жидкости в полостях гидроударного механизма и гидролиниях описывается уравнениями расхода с учетом приведен ной упругости рабочей жидкости в гидросистеме, аналогично давле ние в полостях взвода и слива рассматривается в зависимости от рас хода /14/.

Для описания движения бойка и корпуса воспользуемся основ ным законом динамики n mi i F j, (2.51) x j где mi, i – масса и проекция ускорения i-го подвижного элемента;

ni x – число сил, действующих на i-й подвижный элемент;

F j – проекция силы, действующей на j-й элемент.

Рис. 2.1. Обобщенная расчетная схема гидроударника, работающего в качестве зуба-рыхлителя активного действия:

1 – инструмент;

2 – корпус;

3 – боек;

4 – полость низкого давления;

5 – полость высокого давления;

6 – пневмоаккумуляторная полость;

7 – блок управления рабочим циклом;

8 – напорная гидролиния;

9 – гидробак При расчете участков гидравлических цепей со сложным после довательно-параллельным соединением элементов при заданных гид равлических характеристиках ветвей цепи используются уравнения неразрывности в узлах типа m (2.52) Q i 1 i и уравнения перепадов давления в независимых контурах типа n p j 0. (2.53) j Опишем математическую модель характерных периодов функ ционирования гидроударного устройства. Каждая фаза характеризу ется определенными параметрами, характеризующими данную систе му в определенный момент времени /14, 23/.

Система уравнений, характеризующая фазу взвода устройства, запишется следующим образом:

x ;

1 [ p Sв p S mg sin( ) h mв сс n Fтр sgn pго S а ];

х 0 (2.54) (Q2 Sв ) Eпрв pв ;

Vво Sв ( в x) ( Sс Q5 ) Eпрс pс ;

Vсо Sс ( с x) Q2 Q5 Q1, где Q2, Q5, Q1 – расходы жидкости в камерах гидроударника;

x – пе.

ремещение бойка;

x – скорость перемещения бойка;

Sc, Sв – площади взводящей полости и сливной;

Vво, Vсо – начальные объемы жидкости во взводящей и сливной полостях;

pв, pс – изменение давления рабо чей жидкости для фазы взвода;

lв - длина взводящей полости мм;

lс – длина сливной полости;

Eпрв, Епрс – приведенные модули упругости жидкости в камерах рабочего и холостого ходов;

Fтр – сила трения, обусловленная жидкостным трением;

n – показатель политропы;

m – масса бойка;

g – ускорение свободного падения;

– угол наклона ры x хлителя к горизонту;

sgn( x) – функция Кронекера.

x Начальными условиями системы уравнений (2.54) являются (при времени t=0) x=0;

=0;

рв=рво;

рс=рсо. Начальные значения рво, рсо за висят от потерь давления в гидролиниях.

Период взвода бойка гидроударника заканчивается непродолжи тельной фазой торможения, перекрытием отверстия слива и началом деформации пружины золотника распределителя, падением давления в полости взвода. Для математического описания фазы примем допо лнительные допущения: расход жидкости через дроссель не учитыва ем;

падение давления во взводящей полости считаем постоянным;

па дение происходит по линейному закону в зависимости от перемеще ния подвижных частей /14/.

На основании уравнения расходов можем записать следующие выражения:

(2.55) Qдеф G p у pз ;

Д Vуо dpз G Д 2 p у p з G ( x) p з, (2.56) Eпр у dt где G Д 2 S Д 2 2 – гидравлическая проводимость дросселя, здесь SД – площадь дросселя;

Vyo – рабочий объем жидкости в управляющей полости и управляющей гидролинии, соединяющей ее с проточной;

Епр у – приведенный модуль упругости управляющей полости /23/.

Выражение для определения деформационного расхода с учетом вышеуказанных формул и принятого допущения о постоянстве дав ления во взводящей полости гидроударника в момент сжатия пружи ны и соединения напорной магистрали со сливной запишется в сле дующем виде /23/:

dp у rоб. (2.57) Qдеф S эф dt Eоб h об Таким образом, фаза торможения бойка записывается следующей системой уравнений (2.58).

Начальными условиями системы уравнений (2.59) являются (при t=0) x= ;

= вз;

рв=ру=рз=рв1;

рс=рс1. Здесь вз, рв1, рс1 – конечные значения решения системы уравнений (2.54). Примем, что изменение давления во взводящей полости падает, подчиняясь зависимости х x рв рс1 p 1. (2.58) в z z При рабочем ходе (разгоне) бойка осуществляются сообщение взводящей и сливной полостей гидроударника и движение подвиж ных частей под действием расширяющегося газа пневмоаккумулято ра, ударная масса разгоняется и наносит удар по инструменту /123,138/.

х ;

1 [ pв Sв pс Sс mg sin( ) h m n Fт р sgn pго S А 0 ];

x 0 Eпр у (2.59) p G ( x) p G p у pз з ;

з V Д уо Eh p у G Д 2 p у pз об об ;

S эф rоб Q Q Q, 2 5 где ру – давление в управляющей полости ;

Еоб – модуль упругости материала пружины;

rоб – радиус пружины, мм;

Sэф – эффективная площадь пружины;

hоб – высота пружины.

Разгон бойка до момента соударения с грунтом с учетом формул описывается системой уравнений (2.60).

Начальными условиями для периода разгона бойка являются (при t=0) x=хт ;

= т=0;

рв=рс1+рк1;

рс=рс1. Здесь хт, т – конечные зна чения решения системы уравнений (2.59), а рк1 – потери давления в кольцевом канале при расходе Q1. Период разгона завершается фазой удара подвижных частей по обрабатываемому грунту (x=0). При этом скорость подвижных частей имеет значение, равное 1. Таким обра зом, составленная математическая модель динамики гидроударого устройства рыхлителя активного действия включает нелинейную сис тему дифференциальных и алгебраических уравнений с переменными коэффициентами. В составленных математических моделях нашли отражение как основные конструктивные параметры гидроударника (m, Sв, Sс,, в, с, b и др.), пневмоаккумулятора (pго, SА, n, о, г), так и характеристики гидропривода базовой машины (p1, Q1, г, p и др.).

х ;

1 [ pв S в pс S с mg sin( ) h m n F sgn p S ];

тр го А 0 x (2.60) p р р ;

в с к Qр Q S в ;

Q2 Q5 Q1.

Таким образом, составленная математическая модель динамики гидроударого устройства рыхлителя активного действия включает нелинейную систему дифференциальных и алгебраических уравнений с переменными коэффициентами.

Численная реализация данного решения может быть выполнена с использованием стандартных или специально разработанных про грамм. Подробнее о данном методе и его реализации на ЭВМ расска зано в разделе 3.

Рис. 1.10. Рыхлитель активного действия на базе трактора 3. АЛГОРИТМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗУБА-РЫХЛИТЕЛЯ АКТИВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ЭКСКАВАТОРА 3.1. Общие сведения о проектировании, основанном на моделировании технических объектов Автоматизированное проектирование – это творческий процесс создания нового объекта (системы, изделия, материала, процесса), удовлетворяющего заданным требованиям. Цель проектирования со стоит в удовлетворении некоторой реально существующей потребно сти. Современное проектирование характеризуется возрастанием сложности решаемых задач и широким использованием вычисли тельной техники. Автоматизированное проектирование невозможно без составления математических моделей (имитационных моделей), без автоматизированного моделирования технически сложных объек тов.

Проектирование объектов, гидроударных импульсных систем в частности, представляет процесс, включающий синтез структуры объекта, выбор параметров элементов, исследование математической модели, анализ результатов и принятие оптимального решения.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

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.