Влияние системы воздухораспределения на вибрационные и энергетические характеристики пневматических машин ударного действия

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА

Том 209 1976

ВЛИЯНИЕ СИСТЕМЫ ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ НА ВИБРАЦИОННЫЕ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ПНЕВМАТИЧЕСКИХ МАШИН УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ ?

В. И. БАБУРОВ, ж. X. СЕИДАРИДИ

В народном хозяйстве нашей страны пневматические машины ударного действия находят широкое распространение при добыче полезных ископаемых, проходке горных выработок, производстве обрубных и клепальных работ, разработке кирпичных и каменных кладок, строительстве и ремонте дорог и т. д. Их широкое использование объясняется простотой конструкции, возможностью при небольшом весе создать значительную ударную мощность и относительно высоким к.п.д. по сравнению, например, с электрическими ударными машинами.

Однако этот вид машин обладает двумя существенными недостатками. Применение их, как ручною механизированного инструмента, приводит к профессиональным заболеваниям работающих. У последних развиваются вйброболезнь и тугоухость, обусловливаемые значительными вибрациями и шумом машины [1, 2].

Интенсивность вибрации и шума зависит от очень многих факторов, одни из которых связаны с режимом работы машины, другие — с ее конструкцией. Влияние перечисленных факторов на интенсивность излучаемой машиной механической и акустической энергии изучается многими исследователями и целыми научными коллективами [2].

В настоящей работе мы не ставили своей целью изучение всей проблемы. Нас заинтересовало только одно из ее направлений, а именно, зависят ли вибрационные характеристики пневматического ручного инструмента от конструкции воздухораспределительного устройства и принципа его работы. Решение этой задачи нами производилось аналитически« с использованием теоремы о движении массы под действием силы, заданной в виде функции времени [8].

Выбранный путь исследования, а именно аналитический, значительно облегчает решение поставленной задачи и вот почему. Сравнение машин по вибрационным показателям возможно и экспериментально, но для этого необходимы несколько типов машин с различными системами воздухораспределения, которые имели бы близкие по своим значениям энергетические и весовые параметры. А это практически невозможно.

Существующие пневматические ударные машины имеют четыре существенно отличающиеся друг от друга воздухораспределительные системы: клапанные, золотниковые, распределение с микрозолотниками, предложенное Клушиным Н. А., распределение без специального устройства [2, 5, 9].

В последнем случае попеременная подача сжатого воздуха в полости над и под поршнем осуществляется по каналам, имеющимся в порш-

г.

4-

не. Эта система не получила широкого распространения и нами не рассматривалась.

Воздухораспределительные устройства довольно . полно изучены И. Кусницыным, Б. В. Суднишниковым, М. Д. Коломийцевым [1, 7] и другими. Основные их исследования посвящены расчету и установлению влияния работы устройства на динамику внутренних процессов. В. И. Бабуровым было показано, что для пневматических машин с клапанным распределением свойственно наличие противодавления воздуха в передней полости перед соударением поршня с рабочим инструментом [ 1 ].

Для машин с золотниковым распределением' в этот момент результирующее давление на ударник или направлено в сторону инструмента или равно нулю. Эти особенности, естественно, влияют на динамику рабочих процессов и вибрацию машины [2].

Исходными материалами наших исследований служили индикаторные диаграммы клепального молотка КЕ-22, записанные при следующих условиях:

а) давление воздуха в сети 5 ати\ -

б) усилие нажатия 26 кг (с учетом веса молотка) ;

в) расположение молотка — вертикальное;

г) обрабатываемый материал — стальная плита;

д) длина рабочего инструмента — 300 мм, диаметр его хвостовика— 16 мм.

При расчетах действительные границы ¡рабочего цикла молотка КЕ-22 смещались влево или вправо. Смещение границ влево дает рабочий цикл, свойственный машинам с золотниковым распределением (рис. 1, а), а вправо — с клапанным (рис. 1,е). Промежуточное положение границ цикла, т. е. когда значение результирующей силы, действующей на ударник в период соударения, равно нулю, соответствует оптимальному протеканию внутренних процессов при золотниковом воздухораспределении (рис. 1,6). Указанные три рабочих цикла сравнивались между собой и с так называемым циклом Б. В. Суднишни-

Рис. 1. Рабочие циклы пневматических машин ударного действия с различными воздухораспределительными устройствами

кова. Последний цикл реализован к. т. н. Клушиным [3] в машинах с микро-золотниками (рис. 1,г).

Все циклы имеют одинаковую длительность. Это дает нам возможность сравнивать вибрационные характеристики мояоткой с различными системами воздухораспр.еделения по относительному вибросмещению, которое представляет собой отношение амплитуды колебаний корпуса к энергии удара.

Суть метода Б. В. Суднишникова по определению амплитуды колебаний корпуса молотка по индикаторным диаграммам заключается в следующем [7].

Индикаторные диаграммы вычерчиваются на миллиметровке в координатах «давление—время» (рис. 2). Проводится линия М-М (рис. 2), соответствующая значению полной приведенной силе нажатия:

Рис. 2. К расчету вибросмещения корпуса молотка по диаграммам давлений. Р3 — диаграмма давления воздуха над поршнем; Р л — диаграмма давления под поршнем

P4-Qsina

кг ¡см-

где

где

¿7 —полная приведенная сила нажатия; Р — усилие нажатия на рукоятку, кг; Q — вес молотка, кг;

а — угол наклона молотка к горизонту (а = 90°); Fy — площадь поперечного сечения ударника, см2 {Fy — 7,07 см2). Устанавливается точное положение линии К-К по уравнению

-/2-/g)_

Fn — площадь поперечного сечения хвостовика рабочего инструмента, см2;

h\ h\ k, U — площади фигур, определяющие величины импульсов (показаны на рис. 2).

Определив положения центров тяжести упомянутых фигур путем отвеса по трем точкам; вычисляем значение амплитуды колебаний корпуса машины согласно выражению:

= J-\LL — L L, - L U - {F» ~~ Fu) h U

= tl~l*

MF,

где

М — масса корпуса молотка без учета массы ударника;

U\ h\ t4 — координаты центров тяжести фигур tY относительно линии К-К.

По известной величине амплитуды колебаний находилась скорость посадки корпуса на ограничительный буртик рабочего инструмента:

Ул = л/~ШЕК.

л V м

Из формулы (3) следует, что для пневматической машины амплитуда будет тем меньше, чем меньше величина статического момента импульса /ь

Это обстоятельство как раз и было использовано Б. В. Судниш-никовым при теоретической разработке нового рабочего цикла машины с уменьшенной отдачей. К тому же уменьшение этого импульса в этом случае влечет за собой снижение величины t\.

Энергетические параметры определялись также по диаграммам давлений, которые при этом перестраивались в одну силовую результирующую диаграмму [2]. Результирующая диаграмма разделяется вертикалью О-О на части, соответствующие времени рабочего хода t]y и времени обратного хода t0 (рис. 1 ,а). Деление осуществляется путем уравнения статических моментов при рабочем и обратном ходах ударника относительно границ рабочего цикла по выражению:

F1 Л = ¿2 + Ft h — ¿3 = My Sy

где

Sy — путь ударника, м;

ту — масса ударника, кг-сек2/м.

Скорость ударника определяется по формуле:

F

Vv = —- -тр*ти м'сек,

ту

где

Fi — площадь силовой диаграммы, характеризующая величину ударного импульса (энергии удара), см2;

ту—масса ударника, кг-сек2/м;

тр— масштабный коэффициент силы, кг/см;

nit — масштабный коэффициент времени, сек/см.

Скорость отскока находится аналогичным образом, т. е.

v f2 + fa-f9

Шу

Остальные параметры определялись по известным в литературе формулам [1, 2, 7].

Все значения основных параметров рассчитанных циклов сведены в табл. 1. Анализ их показывает, что при одной и той же длительности цикла машинам с золотниковым воздухораспределением свойственны большая величина энергии удара и меньшая величина вибросмещения. Отношение их равно 0,68. А для машин с воздухораспределительным устройством клапанного типа оно равно 1,06, т. е. выше на 65%. В этом случае скорость посадки корпуса на инструмент также больше. Это говорит о том, что клапанное распределение способствует увеличению вибрационных характеристик машины при одновременном снижении энергетических показателей. Такой важный показатель, как коэффициент передачи энергии, у этих машин ниже.

Таблица 1

Значения основных параметров молотков с различными воздухораспределительными устройствами

Номер рабочего цикла Системы воздухо-. распределения Энергия удара, кгм Энергия отскока, кгм Коэффициент отскока Коэффициент передачи энергии Путь ударника, мм Время рабочего хода, сек Время обратного хода, сек Амплитуда колебания корпуса, мм Скорость посадки корпуса на буртик инструмента, м\сек Относительное вибросмещение, мм'кгм

1 Золотниковая 2,35 0,14 0,24 0,90 88,6 0,0171 0,030 1,6 0,3 0,68

2 Золотниковая 2,32 0,15 0,27 0,91 86,2 0,0191 0,028 1,91 0,33 0,82

3 Клапанная 1,62 0,37 0,45 0,80 103,5 0,0221 0,0260 1,93 0,33 1,06

4 С микрозолотниками 1,68 0,19 0,11 0,99 59,7 0,0126 0,0365 0,38 0,15 0,23

Выводы

1. Наибольший эффект из сравненных нами циклов дает цикл машины с микрозолотниками. Для нее характерны высокий коэффициент передачи энергии, в несколько раз меньшее относительное вибросмещение, а именно, по сравнению с золотниковым распределением — в 3 раза, с клапанным — в 4,6 раза.

2. Изложенное и данные табл. 1 дают основание утверждать, что при создании новых пневматических машин ударного действия конструкторы должны ориентироваться на золотниковое распределение и распределение микрозолотниками. Это позволит снизить вибрационные характеристики машин и заболеваемость рабочих виброболезнью.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. И. Б а б у р о в. Исследование пневматических рубильно-клепальных молотков. Канд. диссертация. Томск, 1964.

2. В. Ф. Г о р б у н о в, В. И. Б а б у р о в и др. Ручные пневматические молотки. Машгиз, 1967.

3. Н. А. Клушин. Новые пневматические рубильные молотки. Машиностроитель, 7, 1967.

4. М. Д. Коломийцев. Определение параметров пластинчатого клапана пневматических молотков. ИВУЗ. Горный журнал, 2, 1958.

5. Г. И. К у с н и ц ы н. Исследование воздухораспределительных устройств пневматических машин ударного действия. Канд. диссертация. Ленинград, 1959.

6. Н. Т. Н е р е д. Анализ работы пневмоударников с клапанным и бесклапанным воздухораспределением. Сб. Исследования по геологии, горному делу и обогащению руд КМА. Ростехиздат, 1962.

7. Б. В. Суднишников. К теории отдачи ручных машин ударного действия. Сб. Машины ударного действия. Новосибирск, 1953.

8. Б. В. Суднишников. О движении массы под действием силы, заданной в виде функции времени. Сб. Машины ударного действия. Новосибирск, 1953.

9. Б. В. Суднишников. Приближенная теория распределительного устройства пневматического молотка. Сб. Машины ударного действия. Новосибирск, 1953.