Совершенствование конструкций и рабочего процесса гидропневмоударных агрегатов

Ереско Т.Т., Тубольцев А.А. УДК 621.8.031.4

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ И РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ГИДРОПНЕВМОУДАРНЫХ АГРЕГАТОВ

Повышение эффективности и снижение вибраций машин ударного действия, в частности гидравлических ударных механизмов, является важной и сложной задачей, трудность решения которой обусловлена противоречивостью практических требований. Уровни и характер вибраций определяются не только принципиальными и конструктивными особенностями гидроударных механизмов и динамическими характеристиками гидропривода базовой машины, но и энергетическими параметрами разрушения обрабатываемых сред. Поэтому перспективные вибробезопасные гидромолоты должны обладать способностью воздействия на обрабатываемую среду различной прочности и физико-механического состояния в режимах максимальной эффективности. В связи с этим целью данной работы является разработка вибробезопасного высокоэффективного гидроударного механизма с рациональным сочетанием рабочих параметров. В настоящее время создание ударных машин и механизмов идет, в основном, на базе электрических, пневматических и гидравлических приводов [1-5]. В соответствии с этим преобразование подводимой энергии в возвратно-поступательное движение бойка в ударных устройствах в зависимости от применяемого типа привода достигается различными способами. Однако, для каждого класса устройств, кроме специфических источников вибрации (как правило, второстепенных), характерны общие признаки динамической неравномерности хода рабочего органа. Поэтому при анализе работы гидравлических ударных механизмов целесообразно использовать общие методы исследования и оценки динамических свойств вибробезопасных систем.

Снижение вибраций машин ударного действия является важной и сложной, но все же второстепенной задачей. Кроме вибробезопасности, они должны обладать высокой производительностью, малым весом и габаритами, высокой энергией

удара, надежностью при работе в тяжелых условиях, потреблять минимум энергии, обладать легкостью в управлении и иметь низкую себестоимость изготовления.

Прежде всего, целесообразно рассмотреть причины, порождающие вибрации. Как известно [6-8], источников вибрации несколько. Интенсивность каждого из них зависит от класса ударного механизма, типоразмера, условий его эксплуатации, типа базовой машины и других факторов. К числу наиболее существенных источников вибрации следует отнести следующие:

1. Реакция отдачи бойка ударного механизма, которая действует на его корпус в сторону, противоположную движению ударника и является источником регулярной составляющей вредных нагрузок на оператора или навеску базовой машины.

2. Соударение инструмента с корпусом, обусловленное отскоком инструмента от обрабатываемой среды, которое приводит к возникновению высокочастотных гармоник спектра вибраций.

3. Периодическое перемещение корпуса вслед за инструментом, при заглублении последнего в обрабатываемую среду, приводит к низкочастотным колебаниям элементов конструкции базовой машины или оператора.

4. Резкий провал инструмента, связанный с разрушением обрабатываемой среды, приводит к появлению в металлоконструкции гидроударного механизма значительных пиковых нагрузок.

Низкочастотные колебания (2-2,5 Гц) вызываются реакцией отдачи ударника, периодическим и непериодическим движением масс корпуса гидроударника. Высокочастотные колебания (80100 кГц) определяются отражением энергии удара от обрабатываемой среды и волновой передачей ее в систему «инструмент-корпус-оператор».

Колебания промежуточных частот занимают основную часть спектра вибраций, природа воз-

никновения их, как правило, сложна и не может однозначно определяться ни одним из вышеперечисленных источников.

Анализ результатов работ [21,22] позволяет сделать предположение, что основными источниками промежуточных вибраций являются: пульсация давления рабочей жидкости в гидроприводе и полостях гидропневмоударного агрегата за период рабочего цикла и процесс взаимодействия элементов ударника и рабочей жидкости в ударный и послеударный периоды цикла.

Однако, определение источников возникновения вибраций не является достаточным условием для разработки вибробезопасных гидроударных механизмов.

Другим важным аспектом является выбор составляющих структуры ударной мощности -энергии удара и частоты воздействия. Необоснованное завышение энергии удара снижает эффективность вибрационной защиты систем и отрицательно сказывается не только на состоянии базовой машины, но и на производительности гидроударного механизма [11].

Способы борьбы с вибрацией принято разделять на пассивные и активные.

К пассивным способам борьбы с вибрациями относят применение средств виброизоляции [12-19]: различного типа амортизаторов, индивидуальных средств виброзащиты, автоподатчиков, пневмоподдержек и других видов устройств ма-нипуляционного типа.

Перечисленные средства виброзащиты эффективны в ударных механизмах малой мощности [20]. Применение их для снижения действия вибрации в гидравлических и гидропневматических молотах, энергия единичного удара которых лежит в пределах от 1500 Дж до 10000 Дж, нецелесообразно, по следующим причинам:

- низкочастотную реакцию отдачи можно компенсировать усилием статического прижима базовой машины;

- для высокочастотных составляющих вибрации виброизоляция (пружины, рессоры, пневматические и гидравлические демпферы) являются своеобразным волноводом с трансформацией колебаний промежуточных частот.

Методы активной виброзащиты ударных механизмов сводятся к следующему [20] :

1. Рациональный выбор параметров ударных механизмов.

2. Совершенствование рабочего цикла.

3. Совершенствование конструкций.

Сущность метода снижения вибрации за

счет рационального выбора параметров, заключа-

ется в том, что энергия удара и частота воздействия могут быть получены при различных сочетаниях хода, активной площади и массы ударника.

Однако возможности этого способа ограничены ввиду того, что для обеспечения требуемой энергии удара с уменьшением массы ударника необходимо увеличивать его скорость. Это приводит к возрастанию сил сопротивления при рабочем ходе и понижению коэффициента полезного действия машины. Этот метод еще называют [14] методом максимизации скорости соударения ударника и инструмента. Увеличение скорости соударения также ограничено контактной прочностью соударяющихся тел. Известно, что для стальных деталей предельное значение скорости соударения не должно превышать 15 м/с.

Совершенствование рабочего цикла в ударных механизмах может быть осуществлено не только рациональным выбором параметров, но и за счет использования вспомогательной массы, движущейся в противофазе с основной ударной массой. Теоретическое обоснование этого способа, позволяющего в принципе исключить основной источник вибрации - реакцию отдачи выполнено Б.В. Суднишниковым [9] для пневматических машин ударного действия.

Особую группу пневматических, гидравлических и гидропневматических ударных механизмов представляют механизмы, рабочий процесс которых формируется с участием двух поршней, из которых, по меньшей мере, один является ударным. С введением второго поршня несколько усложняется конструкция, появляется проблема устойчивости согласованного движения поршней, но при достаточном запасе устойчивости представляется принципиальная возможность создания динамически уравновешенных ударных механизмов. Кроме того, введение второго поршня при симметричном рабочем цикле может служить средством повышения ударной мощности за счет повышения частоты ударов [23,24].

В результате изучения литературных и патентных материалов выявлено более 50 первоисточников с предложениями по созданию двух-поршневых ударных механизмов (в основном пневматических). Содержащиеся в них данные имеют разную степень проработки - от идеи до конструктивных схем.

Производительность машин ударного действия, в частности гидроударных механизмов, определяется скоростью разрушения обрабатываемой среды, которая зависит от структуры распределения ударной мощности по энергии удара и частоте воздействия. С другой стороны, уровень вибраций,

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

следовательно, надежность и долговечность конструкции ударного механизма и базовой машины зависит от величины ударного импульса и скорости соударения. При этом недостаток энергии удара приводит к снижению производительности ударного механизма, а избыток - к повышению уровня вибрации. Поэтому, при разработке ударных механизмов структурное распределение мощности по энергии удара и частоте воздействия должно определяться условием обеспечения наиболее эффективного режима работы в средах с определенными физико-механическими свойствами. Результаты работ [21,22] показали, что разрушение обрабатываемых сред высокой прочности необходимо вести с большей энергией удара, а разрушение сред низкой прочности - соответственно с меньшей энергией при повышенной частоте ударов.

В настоящее время автоматические ударные системы с самонастройкой оптимальных рабочих параметров представляют собой новую область ударной техники и работы по их созданию находятся в стадии определения направлений исследования и поиска технических решений. Трудности решения этих задач заключаются не только в сложности конструктивных схем ударных механизмов с самонастройкой рабочих параметров, но и в неопределенности выбора регулировочных характеристик по оптимизации разрушения обрабатываемых сред.

В горной промышленности проблема создания ударных механизмов с регулируемой энергией удара при бурении скважин составными штангами стоит особенно остро. В ИГД им. А. А. Скочинско-го за последнее десятилетие создано несколько пневмоударников с регулируемыми параметрами. Совершенствование конструкций пневмоударных механизмов буровых машин заключалось в разработке новых способов ручного и комбинированного регулирования энергии удара в процессе бурения [24-26]. При этом регулирование энергии удара с пульта управления производилось двумя способами: изменением давления подачи сжатого воздуха; изменением хода поршня-ударника. Второй способ управления оказался предпочтительнее, так как ударная мощность и КПД механизма на всех режимах работы оставались практически постоянными.

Наиболее совершенны на данном этапе разработки Карагандинским политехническим институтом адаптивного гидропневматического молота, регулирование параметров в котором производится по величине отскока ударника, то есть по величине отраженной энергии удара от разрушае-

мой среды.

Существенным недостатком этого молота является низкая ударная мощность базовой конструкции ударного механизма, частота которого с гидроприводом от экскаватора ЭО-2621 и с энергией удара - 1500 Дж не превышает 22Гц. Ручной гидропневмоударный молоток, выполненный по этой конструктивной схеме, при производительности 60 л/мин развивает частоту ударов 25 Гц, в сравнении с ним ручной молоток КФ ВНИИст-ройдормаш при производительности насоса 30 л/мин развивает частоту 33 Гц.

Таким образом, ударные механизмы с низкой ударной мощностью и, следовательно, с низкой частотой ударов сужают область регулирования основных параметров и ставят под сомнение целесообразность разработки на их базе автоматических систем.

Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что для повышения производительности и эффективности эксплуатации перспективные конструкции гидроударных механизмов должны представлять собой системы с ручной и автоматической настройкой рабочих параметров. При этом, в зависимости от назначения ударных механизмов, выходными регулируемыми рабочими параметрами должны быть: энергия удара, частота ударов, ударная (эффективная) мощность и параметры динамического воздействия на базовую машину или оператора (вибрации), а входными параметрами управления - силовые и конструктивные характеристики гидропривода .

Выбор рациональных сочетаний рабочих параметров гидроударных механизмов на стадии проектирования заключается в определении гидромеханических связей ударной части, напорной и сливной линий гидропривода и распределительного органа в различные периоды рабочего цикла.

Исходя из поставленных задач, наиболее рациональным представляется следующая структурная схема гидромеханических связей за рабочий цикл:

1. Совмещение периодов переключения механизма на "взвод" и "рабочий ход" соответственно с окончаниями периодов рабочего хода и взвода ударника.

2. Исследование энергии потока жидкости в период взвода ударника на перемещение последнего и на аккумулирование энергии в напорной части гидросистемы.

3. Отключение линии слива в период рабочего хода ударника с использованием энергии потока жидкости на разгон последнего или на акку-

мулирование энергии в напорной части гидропривода и ударного механизма.

Реализация вышеперечисленных гидромеханических связей является необходимой предпосылкой в создании высокоэффективных гидроударных механизмов с удовлетворительными вибрационными показателями.

На основании проведенных теоретических исследований была разработана конструкция адаптирующегося самобалансного гидропневмо-агрегата для разрушения грунтов и покрытий различной прочности.

Предлагаемое решение относится к гидромолотам, предназначенным для разработки мерзлых грунтов и скальных пород, а также для ремонтных работ в дорожном строительстве.

Известно ударное устройство, включающее цилиндрический корпус с соосными рабочими полостями, соединенными с источником рабочей среды, размещенный в корпусе инструмент, взаимодействующие с ним два ударника, установленные в соответствующих рабочих полостях корпуса коаксиально друг к другу, дополнительную замкнутую полость, заполненную рабочей жидкостью и золотниковый распределитель (Авторское свид. СССР № 905048, кл. В 25 D 9 /00, E 21 C 3/00, 15.02.1982 г.).

Недостатком данного устройства является невозможность рационального использования энергии удара, в зависимости от прочности разрушаемого материала, так как в данном устройстве энергия сообщается инструменту принудительно при каждом рабочем ходе ударников.

Наиболее близким к предлагаемому относится ударное устройство, включающее цилиндрический корпус, внутри которого коаксиально размещены внутренний и охватывающий бойки, нерабочие торцы которых расположены в камере постоянного объема, заполненной рабочей жидкостью, рабочие камеры, образованные наружной поверхностью внутреннего бойка и внутренней поверхностью охватывающего бойка, рабочий инструмент и управляющий золотник. (Авторское свид. СССР № 922274, кл. Е 21 С3/20, 19.03. 1979 г.).

Недостатком этого устройства так же является невозможность регулирования энергии удара при разрушении материала различной прочности.

Технической задачей является осуществление регулирования энергии удара в зависимости от прочности разрушаемого материала.

Поставленная задача решается тем, что ударное устройство, содержащее цилиндрический корпус, внутри которого коаксиально размещены

внутренний и охватывающий бойки, нерабочие торцы которых расположены в камере постоянного объема, заполненной рабочей жидкостью, рабочие камеры, образованные наружной поверхностью внутреннего бойка и внутренней поверхностью охватывающего бойка, управляющий золотник и рабочий инструмент, снабжёно аккумулятором энергии, сообщающимся с камерой постоянного объема посредством двух редукционных клапанов, включённых параллельно и взаимно противоположно относительно их входа и выхода.

На Рис.1 показано ударное устройство, продольный разрез.

8

11 10

Рис. 1. Ударное устройство

Ударное устройство состоит из цилиндрического корпуса 1, в котором коаксиально установлены внутренний и охватывающий бойки 2, 3, входящие один в другой. Их общая поверхность 4 трения образует рабочие камеры 5 и 6, которые расположены между рабочим инструментом 7 и камерой 8 постоянного объема, заполненной рабочей жидкостью, выполняющей роль гидравлической обратной связи между нерабочим торцом 9 внутреннего бойка 2 и нерабочим торцом 10 охватывающего бойка 3. Камера 8 постоянного объема сообщена с аккумулятором 11 энергии посредством редукционных клапанов 12 и 13, соединенных параллельно и взаимно противоположно от-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

носительно их входа и выхода. Наружная поверхность охватывающего бойка 3 имеет две проточки, разделенные пояском 14, относительно которого симметрично расположены отверстия 15 и 16. Управление ударным устройством осуществляется золотником 17, рабочие окна 18-21 которого связанны с соответствующими отверстиями, выполненными в корпусе 1, а управляющие окна 22 и 23 соединены напорной и сливной гидромагистралями 24,25 соответственно с насосом 26 и баком 27.

Работает ударное устройство в двух режимах: при работе с материалом малой прочности без аккумулятора энергии, когда энергии удара хватает для пробоя разрабатываемого материала. При этом ударные бойки 2,3 совершают полные ходы за счет подводимого постоянного объема рабочей жидкости от насоса 26 в соответствующие рабочие камеры 5,6. В начале работы ударного устройства ударный инструмент упирается в грунт и взводит один из бойков, находящихся в данный момент в нижнем положении. При этом объем камеры 8 постоянного объема уменьшается пропорционально величине хода рабочего инструмента.

При работе с материалом различной прочности режим работы ударное устройство выбирает само. При отсутствии пробоя разрабатываемого материала в течение первого цикла работы ударные бойки 2,3 совершают не полные циклы и давление в камере 8 постоянного объема повышается. При превышении настройки редукционного клапана 12 происходит зарядка гидропневмоаккуму-лятора аккумулятора энергии 11, а при достижении давлением в аккумуляторе 11 давления настройки редукционного клапана 13 запасенная в аккумуляторе рабочая жидкость переливается обратно в камеру 8 постоянного объема, что приводит к увеличению скорости движения бойков 2,3 и возрастанию энергии удара.

В положении, показанном на Рис.1, рабочая камера 5 соединена через окно 18 с напорной гидромагистралью 24. При этом охватывающий боек 3 перемещается в крайнее нижнее положение и наносит удар, а внутренний боек 2 перемещается в верхнее положение. В момент движения бойка 2 вверх, его торец входит в камеру 8 постоянного объема. Это обуславливает движение бойка 3 вниз.

В предударный период, в результате быстрого перекрытия окна 20 пояском 14 в рабочей камере 6 возникает импульс давления, перебрасывающий золотник 17 в верхнее положение. При встречном движении бойков 2 и 3 происходит уравновешивание инерционных сил бойков, поэтому ударные нагрузки на корпус 1 не передают-

ся. Во втором полуцикле, когда золотник 17 находится в верхнем положении, жидкость через окна 19,20 и окно 23 идет на слив. При движении бойка 2 вниз, а бойка 3 вверх поясок 14 перекрывает окно 19. В предударный момент в рабочей камере 5 возникает импульс давления, который перебрасывает золотник 17 в нижнее положение. Боек 2 наносит удар по инструменту 7. Цикл повторяется.

Наличие редукционных клапанов и аккумулятора энергии позволяет рационально использовать энергию за счет уменьшения числа циклов зарядки гидропневмоаккумулятора по потребности, т.е. адаптивно.

Таким образом, ударное устройство работает в двух режимах. Первый режим - работа без включения аккумулятора, когда давление в камере постоянного объема не превышает давления настройки редукционного клапана 12. В этом случае частота ударов увеличена, т.к. не требуется дополнительной энергии на зарядку гидропневмоак-кумулятора и энергия удара небольшая.

Второй режим - работа с аккумулятором, когда давление в камере постоянного объема превышает давление настройки редукционного клапана 13, при этом дополнительный расход жидко -сти из аккумулятора поступает в камеру постоянного объема, тем самым, увеличивая скорость бойка и, соответственно, энергию удара. При этом вследствие постоянства используемой мощности силовой установки несколько снижается частота ударов и гидропневмомолот переходит на оптимальный по критерию прочности разрабатываемого грунта режим работы.

Предлагаемая конструкция, позволяет проектировать самобалансные самонастраиваемые инструменты для ударного разрушения прочных материалов с неоднородными свойствами, какими являются, например, мерзлые грунты неоднородные грунты с каменистыми включениями.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Суднишников, Б.В., Петров А.М., Тупицин К.К. Об улучшении вибрационно-силовых характеристик машин ударного действия. Физ-техн. пробл. разраб. полезн. ископ.,1969,№ 4, с.63-66.

2. Суднишников Б. В. К теории отдачи машин ударного действия.- Машины ударного дейст-вия.-.Новосибирск: ГГИ ЗСФ АН, 1953, с.-85-97.

3. Есин, Н.Н. Методика исследования и доводки пневматических молотков.-Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1965 - 76с.

4. Суднишников, Б.В.,Есин Н.Н. Новый принцип повышения частоты ударов пневматических молотков. Изв.СО АН СССР,1958, № 7, с.125 -127.

5. Суднишников, Б.В. Некоторые зависимости, вытекающие из особенностей индикаторных диаграмм пневматических молотков. В кн: Машины ударного действия. Новосибирск ГГИ ЗСФАН,1953.с.98-102.

6. Суднишников, Б.В., Есин Н.Н. Экспериментальное исследование рабочего процесса пневматических молотков. В кн: Машины ударного действия.-Новосибирск: ГГИ ЗСФ АН, 1953, с.-145-160.

7. Есин Н.Н., Семенов Л.И. Новые пневматические молотки. В кн: Ударно-вращательное бу-рение.-Новосибирск: ГГИ ЗСФ АН, 1956, с.-35-40.

8. Тупицин К.К. Об улучшении вибрационно-силовых характеристик. В кн: Виброзащита человека-оператора и колебания в машинах. М., Наука, 1977, с.-160-167.

9. Суднишников Б.В. Влияние параметров прямого хода на мощность и отдачу пневматического молотка. В кн: Ударно-вращательное бу-рение.-Новосибирск, 1965.

10. Клушин Н.А. Зависимость между вибрацион-но-силовыми характеристиками и параметрами пневматического молотка.- Ручные пневматические машины ударного действия с пониженной вибрацией.-Новосибирск, ИГД СО АН СССР,1974.с.36-53.

11. Гаун В.А., Семенов Л.И. и др. Об улучшении рабочего цикла погружных пневмоударников.-Сб. науч. тр.: Машины для бурения шпуров и скважин. Новосибирск: ИГД СО АН СССР, 1971.

12. Быховский И.И., Гольдштейн Б.Г. Основы конструирования вибробезопасных ручных машин. М.:Машиностроение,1982,224с.

13. Николаев И.Б., Гольдштейн Б.Г. и др. Ручные вибробезопасные машины ударного действия. Обзор.М: ЦНИИТЭстроймаш,1981,40с.

14. Суднишников Б.В., Петреев А.М., Тупицин К.К. Об улучшении вибрационно-силовых характеристик машин ударного действия. Физи-

ко-технические проблемы разработки полезных ископаемых,1969,№ 4, с. 63-66.

16. Гаун В.А. К методике обработки диаграмм рабочего процесса пневматического ударника.-Машины для бурения шпуров и скважин. Новосибирск: Наука,1971, с.47-51.

17. Крейнин Г.В., Пронина М.П. Комбинированное использование методов оптимизации при выборе параметров пневмоударной системы/ Машиноведение,1975. № 2, с.30-37.

18. Алабужев П. М. Применение теории подобия и размерностей к исследованию (моделированию) машин ударного действия.- Изв.Томского политехн.ин-та, 1952,т.73, с.107-152.

19. Алабужев П.М., Алимов О.Д. Определение энергии бойка в машинах ударного действия,-Изв.Томского политехн.ин-та,1954,Т 76, с.176-180.

20. Суднишников Б.В., -Есин Н.Н., Тулицин К.К. Исследования и конструирование пневматических машин ударного действия. Новосибирск: Наука,1985,134с.

21. Ситников Ю.Н., Шадрин А.В. и др. Исследование процесса динамического разрушения мерзлого грунта /Строительные и дорожные машины,1985, № 12.

22. Ситников Ю.Н., Шадрин А.В. и др. Исследование рабочих процессов гидроударных механизмов/ Строительные и дорожные машины, 1986, № 4.

23. Суднишников Б.В., Есин Н.Н., Клушин Н.А. Идеальная вибробезопасная машина ударного действия.- ТПРЖ,1966,№ 3, с.76-78.

24. Липин А.А. Принципиальные схемы двух-поршневых пневмоударных механизмов. В сб: Пневматические буровые машины. Новосибирск, 1984, с.20-28.

25. Абраменков Э.А. Об установлении структуры ударной мощности пневматического ударного механизма.- Сб. тр.: Пневматические буровые машины. Новосибирск: 1984, с.79-85.

26. Белоусов А.В. Регулирование параметров пневмоударных механизмов. - В сб.: Пневматические буровые машины. Новосибирск, ИГД СО АН СССР, 1984, с.41-49.