Математическое моделирование гидравлических ударных устройств

Библиографический список

1. Скиба В.Ю., Курбатов В.А. Руководство по защите от внутренних угроз информационной безопасности. - СПб.: Питер, 2008. - 320 с.

2. Паникян В.М. Информационная война и региональная безопасность //Проблемы информатизации, 1996, № 4, С. 36-38.

3. Старостина Е.В., Фролов Д.Б. Защита от компьютерных преступлений и кибертерроризма. -М.: Эксмо, 2005. - 192 с.

4. Епифанцев Б.Н., Патронов К.С., Патронова Ю.В. Модель «нравственного» здоровья российского общества/ Научн.-техн. сб., № 50. - М.: Воениз-дат, 2001. - С. 286-288.

5. Немов Р.С. Общие основы психологии. -М.: Владос, 2006. - 687 с.

6. Варламов В.А. Детектор лжи. М.: «ПЕРСЭ

- Пресс», 2004. - 351 с.

7. Малюк А.А., Толстой А.И. Проблемы подготовки специалистов по информационной безопасности// Информационная безопасность, 2002, №2, С. 55-59.

8. Нургалиев Р.Г. Приоритет - подготовки кадров/ Доклад на учебно-методическом сборе руководителей образовательных учреждений МВД Российской Федерации. - Казань: март 2007г.

9. Епифанцев Б.Н., Шелупанов А.А., Белов Е.Б. Подход к оптимизации ресурсов для защиты информации в организационных системах// Доклады Том. гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники, 2010, т.1 (21), ч.1, С. 7-9.

10. Сборник учебно-методических материалов по специальностям высшего профессионального

образования в области информационной безопасности. 2-е изд. - М.: 2005. - 768 с.

Problem questions of system of preparation and selection of shots in information security sphere

B.N. Epifancev

Applied mechanisms of selection of these shots for work are considered a condition and professional training prospects in the information security sphere, problem questions in the specified spheres of activity are designated, ways of their decision are discussed. e-mail: epi-

fancev_bn@sibadi.org

Епифанцев Борис Николаевич - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Информационная безопасность» Сибирской государственной автомобильнодорожной академии. Основное направление научных исследований

- информационная безопасность. Имеет более 200 опубликованных работ. e-mail: epifancev_bn @ sibadi.org.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ УДАРНЫХ УСТРОЙСТВ

Н.С. Галдин

Аннотация. Приведены основные сведения об основах моделирования гидроударных импульсных систем, применяемых в качестве активных рабочих органов дорожностроительных машин.

Ключевые слова: гидроударная импульсная система, гидроударное устройство, математическое моделирование.

Введение

Перед проектировщиками рабочего оборудования дорожно-строительных машин (ДСМ) постоянно ставятся новые задачи по разработке оборудования различного технологического назначения, в том числе и на основе гидроударников [1, 2].

Следует отметить, что выпускаемые гидромолоты имеют весьма ограниченные резервы дальнейшего изменения технических характеристик, связанные с особенностями применяемых схем гидроударных устройств.

При современном состоянии работ по созданию и применению гидравлических ударных рабочих органов наиболее актуальным является разработка вопросов их прикладной теории и многоцелевого использования.

Повышение конкурентоспособности создаваемых гидроимпульсных средств механизации на основе гидроударников обеспечивают не только снижением себестоимости, а в большей степени повышением качества машин и максимального соответствия конкретным требованиям потребителя за счет разнообра-

зия выполняемой работы (разрушение, уплотнение различных видов грунтов), применения различного сменного рабочего инструмента.

Последнее обусловливает жесткие требования к этапу проектирования, на котором определяются основные технические, технологические и экономические параметры гидроимпульсных средств механизации. Практическая исчерпанность ресурса традиционной технологии теоретического исследования и проектирования гидроимпульсных средств механизации затрудняет адаптацию разработчиков к быстро изменяющимся требованиям рынка.

Математическое моделирование гидроударников

Возрастающие требования к уровню и качеству параметров и характеристик гидроударников приводят к необходимости совершенствования методов их математического моделирования и проектирования.

Актуальность разработки научнометодических основ исследования, использования систем автоматизированного проектирования (САПР) гидроимпульсных средств механизации и их совершенствования связана со значительными экономическими выгодами, заключающимися в увеличении их производительности и уменьшении энергозатрат при разработке различных грунтов.

Русский термин «САПР» (система автоматизированного проектирования, или система автоматизации проектных работ) по отношению к промышленным системам имеет более широкое толкование, чем английское CAD (Computer-Aided Design) [4].

САПР включает в себя следующие технологии:

• CAD (англ. Computer-aided design) -технология автоматизированного проектирования;

• CAM (англ. Computer-aided manufacturing ) - технология автоматизированного производства;

• CAE

- технология автоматизированной разработки;

• CALS (англ. Continuous Acquisition and Life cycle Support) - непрерывная информационная поддержка поставок и жизненного цикла.

Выделяют следующие основные компоненты (виды обеспечения) САПР:

• математическое обеспечение САПР -математические модели, методики и способы их получения;

• программное обеспечение САПР;

• информационное обеспечение САПР

- информационная база САПР, автоматизи-

рованные банки данных, системы управления базами данных (СУБД);

• техническое обеспечение САПР - устройство ввода, обработки и вывода данных, средства поддержки архива проектных решений, устройства передачи данных;

• методическое обеспечение;

• организационное обеспечение.

В настоящее время прочное положение на рынке занимают универсальные САПР, пригодные для использования в различных отраслях промышленности. Они охватывают общие, ключевые направления конструирования, подготовки и выпуска чертежноконструкторской документации любых изделий, технологической подготовки производства, решают другие проблемы.

Основными недостатками таких универсальных систем и пакетов является их чрезвычайная громоздкость и высокая стоимость.

Для проектирования конкретных изделий, например гидроимпульсных средств механизации на основе гидроударников, необходимо собрать и объединить несколько различных систем, решить проблему их информационной стыковки. Таким образом, с помощью существующих систем трудно моделировать сложные конструктивные узлы гидроимпульсных средств механизации, например, гидроударники.

Для оптимального и системного проектирования гидроимпульсных средств механизации на основе гидроударников необходима разработка дополнительного программного обеспечения.

Основная задача, решаемая при создании САПР гидроимпульсных средств механизации на основе гидроударников - это разработка новых и совершенствование существующих математических моделей. Это модели, которые разработаны либо для новых типов гидроимпульсных средств механизации, либо позволяющие анализировать рабочие процессы в известных гидроимпульсных средств механизации, которые раньше учитывались упрощенно или вообще не учитывались.

Одним из главных узлов гидроимпульсных средств механизации является гидравлическое ударное устройство. Схема гидравлического ударного устройства приведена на рис. 1.

Для того, чтобы приступить к математическому моделированию гидроударника (гидромолота) для экскаватора (манипулятора или другой базовой машины с гидроприводом), прежде всего нужно знать массу экскаватора (рис. 2), номинальное давление и подачу насоса базовой машины [2].

Рис. 1. Схема гидравлического ударного устройства:

1 - инструмент; 2 - камера высокого давления (взводящая); 3 - корпус; 4 - боек 5 - пневмоаккумуляторная камера;

6 - блок управления рабочим циклом;

7 - гидробак; 8 - напорная гидролиния;

Для того, чтобы приступить к математическому моделированию гидроударника (гидромолота) для экскаватора (манипулятора или другой базовой машины с гидроприводом), прежде всего нужно знать массу экскаватора (рис. 2), номинальное давление и подачу насоса базовой машины [2].

Важнейшим показателем качества гидроударного устройства считается энергия единичного удара (рис. 3), которая определяется кинетической энергией бойка в начальный момент удара. Масса гидроударного устройства зависит от энергии единичного удара. Максимальное значение энергии удара ограничено массой экскаватора (базовой машины).

Рис. 2. Зависимость массы гидроударного устройства М от массы экскаватора тэ

Т, Дж

Рис. 3. Зависимость массы гидроударного устройства М от энергии единичного удара Т

Энергия удара зависит от массы бойка, скорости удара, которые в свою очередь определяются конструктивными параметрами гидроударника, давлением рабочих сред (рабочей жидкости, газа пневмоаккумулятора) и другими факторами. При равной энергии удара более эффективным будет то гидроударное устройство, у которого больше масса бойка, так как произведение mV, численно равное импульсу силы, у него больше.

Техническая производительность гидроударного устройства зависит от его эффективной мощности, т.е. произведения энергии удара и частоты ударов.

За показатель конструктивного совершенства ударного устройства может быть принято значение удельной энергии единичного удара - энергии удара, приходящейся на единицу массы гидромолота. Энергетическая нагруженность гидромолотов характеризуется также удельной ударной мощностью - ударной мощностью, приходящейся на единицу массы гидромолота.

Энергоемкость процесса разработки грунта машиной ударного действия зависит от энергии единичного удара гидромолота, частоты ударов, объема разрушенной зоны грунта, производительности гидромолота и коэффициента использования машинного времени.

Возможны другие целевые функции, по которым оценивается эффективность работы гидроимпульсной системы (максимальный КПД; максимальная надежность; минимальная стоимость изготовления; минимальная энергоемкость разработки грунта и т.д.). Численные значения проектных параметров рассчитываются на ЭВМ.

Каждой из перечисленных целей оптимального проектирования соответствует свой критерий оптимизации: КПД, надежность и др. Обилие критериев усложняет как задачу выбора наилучшего критерия, так и формализацию задачи проектирования.

Рабочее окно определения основных параметров гидроударного устройства приведено на рис. 4.

Рис. 4. Рабочее окно определения основных параметров гидроударного устройства

Математическая модель гидроударного устройства записывается в виде системы уравнений, включающей уравнения движения подвижных частей в виде основных уравнений динамики; уравнений расходов, учитывающих условия неразрывности потока рабочей жидкости; уравнений связи между параметрами потока.

В общем виде система уравнений движения i - го подвижного элемента гидроударного устройства в дифференциальной форме может быть представлена уравнениями динамики следующего вида:

ства учитываются силы сопротивления со стороны разрабатываемого грунта.

При расчете участков гидравлических цепей со сложным последовательнопараллельным соединением элементов при заданных гидравлических характеристиках ветвей цепи используются уравнения неразрывности в узлах типа

I а = о

І=1

где х, - перемещение подвижного элемента; т, - масса подвижного элемента^, - движущие силы; Fci - силы сопротивления.

Движущие силы зависят от величин давлений, действующих в полостях гидроударного устройства, и эффективных площадей полостей. Силы сопротивления учитывают силы механического трения, вязкого трения, силы противодавления, силы гидравлического сопротивления, возникающие при вытеснении жидкости из полостей при работе гидроударного устройства и другие. При рассмотрении движения инструмента гидроударного устрой-

и уравнения перепадов давления в независимых контурах типа

П

ъ*р, = 0 ,

1=1

где т - количество ветвей, подходящих к узлу; п - количество ветвей в 7-м контуре цепи.

Явление удара подвижных частей по грунту описывается уравнением

| Fdt = | <зSdt = т(У1 - У2),

0 0

где F - сила, возникающая в процессе удара; и-контактные напряжения на поверхности грунта, возникающие при ударе; 5 - площадь контакта инструмента рабочего органа с грунтом; т - время удара; т - масса подвижных частей; У1 -скорость удара; У2 - скорость в конце удара.

Математическая модель гидравлического ударного устройства включает основные конструктивные параметры гидроударника, его элементы, параметры гидропривода базовой машины, описывает характерные периоды работы устройства (взвод, торможение, рабочий ход) и представляет собой нелинейные системы обыкновенных дифференциальных и алгебраических уравнений с переменными коэффициентами.

Особенность гидроударной импульсной системы заключается в том, что основная часть функциональных элементов представляет собой динамическую систему с изменяющимися во времени параметрами.

Поскольку процесс функционирования гидроударной импульсной системы сложен и затруднено ее полное математическое описание в общем виде, поэтому наиболее эффективным и универсальным методом исследо-

вания гидроударной импульсной системы является имитационное моделирование.

В ГОУ «СибАДИ» разработано программное обеспечение «Программа динамического расчета гидропневматического ударного устройства».

Исходные данные «Программы динамического расчета гидропневматического ударного устройства» показаны на рис. 5. Фрагменты результатов расчетов представлены на рис. 6 и рис. 7.

Программное обеспечение является основой программно-имитационного комплекса проектирования гидроударных рабочих органов дорожно-строительных машин и позволяет определять основные параметры гидропневматических ударных устройств в зависимости от давления зарядки газа пневмоаккумулятора, массы бойка, геометрических параметров гидроударника, длин гидролиний, свойств рабочей жидкости и других характеристик.

’Г просмотр DINAMO.DAT - Раг ш _|е?| X

ID : \— -\- VVV 2009 -1 4GIDR-UD.VV4DINHMÜ.DOT 581 Коп 0 100:

125. 14.0 0.90 2.0 1.0 20.0

0.09 0.130 0.09 0.09 0.05 0.05

0.035 6.50 0.025 6.00 0.0035 0.010

0.035 6.50 0.025 6.75 0.0035 0.010

1.65ЕЗ 2.1Е5 1.5ЕЗ 12.0 0.003 0.05

50.0 50.0 865.0 30.Е-6 1.0Е5 1.40

0.003 2.0 0.003 2.0 0.050 0.050

0.004 0.100 0.03 0.003 0.50 0.020

0.75 0.75 0.05 0.002 8.Е-5

1.0 0.01 0.1 0.001 0.2 0.001

0.0 0.01

Э 1 ?Ь——1* ЗДйм a i 5йшшті8ііа Г 7Чг . . i 8F" 9 1

1 Пуск

J GIDR-UD.W

просмотр DINA... Vj Microsoft Word

Рис. 5. Окно исходных данных для расчета динамики гидроударного устройства

редактирование иОА1Ч-\ЛЛ1ЧЕ2 - Раг

D:\... 2009 -\GIDR-UD .VV\— Результаты расчетов ГУ 2010 г. -

ПЕЧАТЬ РЕЗУПЬТАТОВ:

ФАЗА ВЗВОДА

Т К V PV PS PG

С М М/С МПА МПА МПА

0.00000 0.00000 0.00000 1.44000 1.14000 2.00000

0.09800 0.01087 0.22998 6.61988 0.44958 2.24773

0.19800 0.03439 0.23572 7.66467 0.53222 2.81266

0.26600 0.05039 0.23480 8.37177 0.59536 3.21962

Рис. 6. Результаты расчетов

редактирование UDAR-W.REZ - Far

2009 -\GIDR-UD.UV\- Резильтаты оасчетов ГУ

СТЕПЕНЬ СЖАТИЯ , НОД , ЭНЕРГИЯ

1.408 0.050 1990.0

0

50.0 2040.0

0.27250 0.05098 0.00000 0.59766 0.59536 3.23506

0.27450 0.05002 -0.95115 0.68883 0.59536 3.21025

0.27650 0.04719 -1.87822 0.68883 0.59536 3.13687

0.27850 0.04254 -2.76263 0.85702 0.59536 3.01777

0.28050 0.03618 -3.58833 0.85702 0.59536 2.85731

0.28250 0.02824 -4.34207 1.04967 0.59536 2.66104

0.28450 0.01887 -5.01362 1.04967 0.59536 2.43534

0.28650 0.00824 -5.59586 1.22334 0.59536 2.18702

0.28850 -0.00346 -6.08465 1.22334 0.59536 1.92302

Рис. 7. Результаты расчетов

Выводы

Таким образом, математическое моделирование гидравлического ударного устройства является одним из компонентов математического обеспечения САПР гидроударной импульсной системы, представляющей собой итерационный процесс, связанный с использованием программно-имитационного комплекса проектирования.

Библиографический список

1. Алимов О.Д., Басов С.А. Гидравлические виброударные системы / О.Д.Алимов, С.А.Басов. -М.: Наука, 1990. - 352 с.

2. Галдин Н. С. Многоцелевые гидроударные рабочие органы дорожно-строительных машин: монография / Н. С. Галдин. - Омск: Изд-во СибА-ДИ, 2005. - 223 с.

3. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем / И.П.Норенков. - М.: Высш.школа, 1980. - 311 с.

4. URL:http:/ru.wikipedia.org

Mathematical modelling of hydraulic shock devices

N.S. Galdin

The basic data on bases of modelling of the hydroshock pulse systems applied as active working bodies of road-building machines are resulted.

Галдин Николай Семенович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Подъемнотранспортные, тяговые машины и гидропривод» Сибирской государственной автомобильнодорожной академии. Основное направление научных исследований -теория и проектирование многоцелевых гидроударных рабочих органов ДСМ. Имеет более 190 опубликованных работ. e-mail: gal-

din_ns@sibadi. org.