Исследования гидромолота для дробления горных пород

УДК [532.5+ 621.225]

А.А. Митусов, О.С. Решетникова, П.Е. Митусов, Ю.А. Лагунова

ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОМОЛОТА ДЛЯ ДРОБЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Проведено исследование экспериментального образца гидромолота К-14 с целью установления его работоспособности с выбранными схемными и конструктивными решениями. Задача решалась посредством проведения испытаний физической модели гидромолота на стенде цеха «Гидравлика» завода КЛМЗ ТОО «Корпорация Казахмыс», для чего было подготовлено испытательное и метрологическое оборудование. На основании анализа результатов испытаний представлено научное обоснование рекомендаций на корректировку конструкции гидромолота и перспективных направлений его использования. Испытания физической модели дополнены исследованиями имитационной модели с помощью компьютерной программы «Research», обеспечившими уточнение влияния выбираемых параметров на выходные характеристики гидромолота. Приведены новая гидрокинематическая схема гидромолота К-14 и конструктивная схема устройства временного сопротивления на пути потока отработанной жидкости, а также технические параметры гидромолота К-14. Обозначены задачи испытаний, проиллюстрирован стенд для проведения испытаний гидромолота. Показана электрическая схема блока подключения датчиков. Показаны результаты испытаний и эксплуатационные характеристики гидромолота К-14.

Ключевые слова: гидромолот, ударный гидродвигатель, энергия удара, дробление, гидроимпульсная техника, гидрокинематическая схема, стенд для испытаний, электрическая схема, эксплуатационные характеристики.

Входе проводимых в КарГТУ работ по созданию гидромолота для дробления горных пород на предприятиях Республики Казахстан выполнены исследования экспериментального образца гидромолота К-14, направленные на решения двух основных задач [1]:

• отработка параметров конструкции с целью обеспечения ее функциональной работоспособности с выбранными схемными и конструктивными решениями [2—5];

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 11. С. 125-134. © 2016. А.А. Митусов, О.С. Решетникова, П.Е. Митусов, Ю.А. Лагунова.

• изучение влияния режимов работы на характеристики процесса импульсного энергопреобразования [2, 6].

Первая задача решалась посредством экспериментальных исследований физической модели гидромолота К-14 на стенде цеха «Гидравлика» завода КЛМЗ ТОО «Корпорация Казахмыс» [1]. Вторая — проведением машинных испытаний имитационной модели молота с использованием компьютерных программ «Research» и «ГП4» [7—9].

Общая установка на максимизацию КПД обусловила выбор для гидромолота К-14 схемы с двухлинейным клапаном, концентричным штоку поршня-бойка.

Силовая часть гидромолота (гидродвигатель ударного действия (УГД)), представлена на рис. 1. Здесь поршень 2 соединен штоком 3 с бойком 4, образуя ведомое звено ударного гидроцилиндра (УГЦ). При этом поршень 2 разделяет внутреннюю полость на пневматическую камеру — КП, и гидравлическую — КГ. Концентрично штоку 3 расположен двухлинейный, двухпози-ционный клапан 5, управляемый через камеру КК золотнико-

Рис. 1. Гидрокинематическая схема гидромолота К-14: 1 — пневмоак-кумулятор; 2 — поршень; 3 — шток; 4 — боек; 5 — клапан двухлинейный; 6 — золотник-пилот; 7 — плунжер сливной; 8 — плунжер золотника; 9 — упор; УЗ1, УЗ2 — линии управления золотником; УК — линия управления клапаном; КО — клапан обратный; КП — камера пневматическая; КГ — камера гидравлическая; КЗ — камера управления золотником; Н — напорная линия; С — сливная линия

Рис. 2. Устройство временного сопротивления на пути потока отработанной жидкости: 2 — поршень; 5 — клапан двухлинейный; 6 — золотник-пилот; 7 — плунжер сливной; 10 — хвостовик плунжера; L — длина щели; ^ — площадь сечения щели; Sa — проходное сечение клапана; КС — камера слива; УЗ1 — линии управления золотником; КК — камера управления клапаном; КО — клапан обратный; КП — камера пневматическая; КГ — камера гидравлическая; КЗ — камера управления золотником; Н — напорная линия; С — сливная линия

вым распределителем 6. В подготовительной фазе цикла движения поршня-бойка золотник 6 находится в правом положении, соединяя камеру КК клапана 5 с напорной линией. В конце подготовительной фазы боек 4 достигает упора 9 и перемещает золотник до нейтрального положения. Дальнейшее движение золотника обеспечивается давлением жидкости со стороны рабочей камеры КГ по линии УЗ1 в переднюю камеру золотника КЗ. После полного переключения в левую позицию золотник 6 соединяет камеру КК клапана 5 со сливной линией, в результате чего сжатый газ в аккумуляторе 1 приводит в движение последовательную цепь элементов: поршень 2 — жидкость в камере КГ — клапан 5. Далее жидкость из камеры КГ движется двумя параллельными потоками: первый на клапан 5, обеспечивая его открытие движением против сопротивления цепи: камера КК— линия УК — золотниковый распределитель 6 — сливная линия С, а второй через открывающееся проходное сечение Sa клапана 5 в полости промежуточных цилиндров КС с плунжерами 7, обеспечивающими снижение сопротивления при вытеснении от-

№ пп Технические характеристики Значение

1 Масса базовой машины, т 12-15

2 Масса гидромолота, кг 430

3 Энергия удара, кДж 2,5-3

4 Частота ударов, Гц 0,85-3,4

5 Рабочее давление, МПа до 25

6 Расход масла, л/с 0,5-1

7 Рабочая длина инструмента, мм 600

8 Длина гидромолота без рабочего инструмента и подвески, мм 1700

работанной жидкости в фазе рабочего хода бойка (рис. 2). Для поддержания давления в рабочей камере КГ, достаточного для полного перемещения клапана 5 создается повышенное сопротивление на пути жидкости из камеры КГ в камеры КС посредством перекрытия каналов в эти камеры в конце подготовительной фазы цикла движения поршня-бойка хвостовиками 10 плунжеров 7 на величину Lщ и с зазором Sщ.

Основные проектные технические данные гидромолота К-14 приведены в таблице [1].

Рис. 3. Тарировка датчиков давления: 1 — датчики давления; 2 — гидравлический стенд; 3 — электрическая схема; 4 — осциллограф; 5 — персональный компьютер; 6 — блок питания

При проведении испытаний физической модели гидромолота решались следующие задачи:

• проверка работоспособности схемы гидромолота при номинальных значениях установочных параметров: давление зарядки аккумулятора до 3 МПа, давление питания гидромолота до 15 МПа;

Рис. 4. Стенд для экспериментальных исследований гидромолота К-14: молот на стенде

• анализ параметров рабочего цикла и оценка качества энергопреобразования.

Перед испытаниями была произведена тарировка датчиков давления на гидравлическом стенде австрийской фирмы «FE-STO» с собранной на нем гидравлической схемой, состоящей из насосной установки, гидроцилиндра, гидрораспределителя с электроуправлением, регулирующей гидроаппаратуры (рис. 3). Стенд был настроен на симуляцию импульсного движения бойка, что позволило получить картину изменения давления в гидросистеме, проверить работоспособность датчиков давления и их совместимость с осциллографом. Для удобства эксплуатации блоки питания были запитаны последовательно [10, 11].

Стенд для обеспечения испытаний гидромолота представлен на рис. 4, а: персональный компьютер, необходимый для вывода амплитудных и временных параметров в реальном времени и записи их на жесткий диск компьютера 1; пятиканаль-ный осциллограф USB OT120, предназначенный для исследования амплитудных и временных параметров, подаваемых на его вход 2; электроблок подключения датчиков, обеспечивающий снятие данных, как осциллографом, так и миллиамперметром 3; три датчика давления типа DMP331K 4; блок питания 5; гидромолот К-14 на стенде 6; баллон с азотом для зарядки аккумулятора 7.

Электрическая схема блока подключения датчиков представлена на рис. 4, б: датчики давления 1; разъемные соединения 2; блоки питания 3; сопротивления на 10 Ом 4; регулируемое сопротивление в диапазоне от 1—25 Ом 5; переключающий трехпозиционный контакт с нейтральным положением 6; пластинка с медным напылением 7; миллиамперметр 8. Точки подсоединения датчиков, регистрирующих изменение давления в напорной, сливной гидролиниях и в автономном аккумуляторе, обозначены символами Д1, Д2 и Д3 [12].

Одновременно с измерениями с целью разработки рекомендаций на совершенствование конструкции гидромолота на протяжении всех испытаний производились наблюдения за работой отдельных элементов конструкции: узла подвода жидкости, узлов соединения поршня и бойка со штоком, поршневого узла гидрозапора газа, узлов герметизации высокого и низкого давлений, узла гидротормоза бойка.

Анализ результатов стендовых испытаний физической модели позволил для следующего этапа разработки конструкции гидромолота К-14 сделать следующие выводы:

1) считать принятую к разработке схему гидроблока работоспособной;

2) обеспечить в схеме распределения соединение камеры управления рабочего клапана только с камерами сливных гидроцилиндров, обособив от общей сливной полости гидроблока;

3) обособить дренаж из задней полости золотника — пилота от общей сливной полости;

4) обеспечить временное перекрытие канала между рабочей камерой и сливными камерами в начале рабочего хода;

5) обеспечить положительное перекрытие в системе распределения жидкости между напорной и сливной линиями;

7) с целью увеличения хода бойка для соответствующего увеличения энергии удара предусмотреть два варианта:

• увеличение осевого габарита гидроблока;

• телескопическое исполнение сливных плунжеров.

Недостатком золотникового распределителя с клапанным запором передней полости (рис. 1, полость КЗ) является техническая сложность его изготовления, что обуславливает целесообразность перехода от двухпояскового золотника к трехпоясковому.

Для уточнения влияния выбираемых параметров на выходные характеристики гидромолота было произведено экспериментирование единственным в данном случае способом — машин-

4 «В* п Гц т}ё

Рис. 5. Эксплуатационные характеристики гидромолота К-14: А — энергия удара; п — частота ударов; Pd — давление питания; h — ход бойка; Pa — давление зарядки аккумулятора; п — КПД двигателя; — длина сливного трубопровода

ным, с использованием блока эксплуатационных исследований «E» компьютерной программы «Research». Эксплуатационные задачи обеспечивают определение характеристик УГД при питании от насосной станции с конкретной рабочей жидкостью в структуре конкретного технического устройства [5].

Экспериментами было проверено влияние выбираемых диаметров поршня и штока D1 = 80 мм и D2 = 50 мм, а также массы бойка m на энергию и частоту ударов — A и n, КПД — п, а также на требуемую величину давления зарядки аккумулятора — Pa.

Результаты машинных испытаний представлены графически на рис. 5 и позволяют сделать следующие выводы:

1) наиболее близкими к заданным значения энергии и частоты ударов достигаются при давлении питания 15 МПа: А = 2,9 кДж, n = 3,2 Гц; дальнейшее увеличение давления к значительному росту КПД не приводит;

2) расчетная энергия удара А = 3000 Дж достигается для диаметра штока 50 мм при частотах n = 3—4 Гц, что близко к расчетной;

3) потребное давление зарядки автономного аккумулятора при Р = 15 МПа достигает Ра = 4,35 МПа.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Митусов А. А. Разработка гидромолота для дробления горных пород: отчет о НИР/КарГТУ. № ГР 0112РК02312. Инв. № 0213РК01342. -Караганда, 2014. - 199 с.

2. Митусов А. А. Научные основы проектирования двухтактных гидродвигателей ударного действия исполнительных органов горных машин: Автореф. дис. докт. техн наук. — Караганда: Изд-во КарГУ им. Е.А. Букетова, 2010. — 38 с.

3. Митусов А. А. Двухтактные гидродвигатели ударного действия: Основы теории и расчет. Монография. — СПб.: Изд-во Политехн. университета, 2013. — 392 с.

4. Ушаков Л. С., Котылев Ю. Е., Кравченко В. А. Гидравлические машины ударного действия. — М.: Машиностроение, 2000. — 416 с.

5. Клок А. Б. Гидромолоты: учеб. пособие. — Караганда: Изд-во КарГТУ, 2007. — 182 с.

6. Ушаков Л. С. Импульсные технологии и гидравлические ударные механизмы. — Орел: ОрелГТУ, 2009. — 252 с.

7. Митусов А. А., Решетникова О. С. Компьютерное обеспечение гидравлических дисциплин КарГТУ / Труды международной научно-практической конференции «Инновационная роль науки в подготовке современных технических кадров», посвященной светлой памяти Героя Социалистического Труда, академика А.С. Сагинова и 55-летию Университета (18—19 декабря 2008 г.), вып. 1., ч. 1. — Караганда: изд-во КарГТУ, 2008. — С. 235—238.

8. Митусов А. А., Решетникова О. С. Гидравлика и гидропривод технологических машин. Теория и расчет. Учебное пособие. — Караганда, Изд-во КарГТУ, 2014. - 103 с.

9. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества. — СПб.: Изд-во «Лань», 2007. — 368 с.

10. Гойдо М. Е. Проектирование объемных гидроприводов. — М.: Машиностроение, 2009. — 304 с.

11. Меркле Д., Рупп К., Шольц Д. Электрогидроавтоматика. — Германия: Фесто Дидактик, 1994. — 202 с.

12. Митусов А. А., Хайруллин А. Р., Оспанов Д. У. Метрологическое обеспечение испытаний гидромолота К-14 / Республиканская студенческая научная конференция «Вклад молодежной науки в реализацию Стратегии «Казахстан-2050»». — Караганда: КарГТУ, 2015. — С. 121—124. EQU

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Митусов Анатолий Алексеевич1 — доктор технических наук, доцент, Решетникова Ольга Стасисовна1 — старший преподаватель, e-mail: olga.reshetnikova.80@mail.ru, Митусов Павел Евгеньевич — инженер, ТОО «Завод Казогнеупор», Казахстан,

Лагунова Юлия Андреевна — доктор технических наук, профессор, Уральский государственный горный университет, 1 Карагандинский государственный технический университет, Казахстан.

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 11, pp. 125-134.

A.A. Mitusov, O.S. Reshetnikova, P.E. Mitusov, Yu.A. Lagunova

ANALYSIS OF HYDRAULIC ROCK BREAKER

The article deals with the researches of the experimental sample of hydraulic hammer K-14 to ensure that it is working with selected scheme and constructive solutions. The problem was solved by physical model testing of hammer on the testing stand of the workshop «Hydraulics» of plant KFMP Ltd «Kazakhmys Corporation». Testing and metrology equipment was prepared. According to the results of the analysis of testing the scientific basis of the recommendations to correction of the hammer design and perspective directions of its use are presented. Tests of physical model are supplemented by simulation model researches using a computer program «Research», that provides a clarification of the influence of selected parameters of the output characteristics of the hammer.

The paper presents a new circuit breaker gidrokinematicheskaya K-14, and structural diagram of the device of temporary resistance at the flow path of the waste liquid, as well as the technical parameters breaker K-14. The article indicated by the test task, illustrated stand for hammer testing. An electrical circuit connecting the sensors unit. Showing results of the tests and the performance of the breaker K-14.

Key words: hammer, impact hydraulic engine, impact energy, crushing, hydroimpulse tech nics, gidrokinematicheskaya diagram stand for testing the circuitry performance.

UDC [532.5+ 621.225]

AUTHORS

Mitusov A.A.1, Doctor of Technical Sciences, Assistant Professor, Reshetnikova O.S.1, Senior Lecturer, e-mail: olga.reshetnikova.80@mail.ru,

Mitusov P.E., Ltd «Zavod Kazogneupor», Rudny, Kazakhstan, Lagunova Yu.A., Doctor of Technical Sciences, Professor, Ural State Mining University, 620144, Ekaterinburg, Russia, 1 Karaganda State Technical University, 100027, Karaganda, Kazakhstan.

REFERENCES

1. Mitusov A. A. Razrabotka gidromolota dlya drobleniya gornykh porod: otchet o NIR, KarGTU (Hydraulic rock breaker design: Research report, KarGTU), Karaganda, 2014, 199 p.

2. Mitusov A. A. Nauchnye osnovy proektirovaniya dvukhtaktnykh gidrodvigateley udar-nogo deystviya ispolnitel'nykh organov gornykh mashin (Scientific basis for design of two-stroke hydraulic percussion motors for mining machines), Doctor's thesis, Karaganda, Izd-vo KarGU, 2010, 38 p.

3. Mitusov A. A. Dvukhtaktnye gidrodvigateli udarnogo deystviya: Osnovy teorii i raschet. Monografiya (Two-stroke hydraulic percussion motors: Theoretic framework and computation. Monograph), Saint-Petersburg, Izd-vo Politekhn. universiteta, 2013, 392 p.

4. Ushakov L. S., Kotylev Yu. E., Kravchenko V. A. Gidravlicheskie mashiny udarnogo deystviya (Hydraulic percussion machines), Moscow, Mashinostroenie, 2000, 416 p.

5. Klok A. B. Gidromoloty: uchebnoe posobie (Hydraulic hammers: Educational aid), Karaganda, Izd-vo KarGTU, 2007, 182 p.

6. Ushakov L. S. Impul'snye tekhnologii i gidravlicheskie udarnye mekhanizmy (Pulse technologies and hydraulic percussion machines), Orel, OrelGTU, 2009, 252 p.

7. Mitusov A. A., Reshetnikova O. S. Trudy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Innovatsionnaya rol' nauki v podgotovke sovremennykh tekhnicheskikh kadrov», posvyashchennoy svetloy pamyati Geroya Sotsialisticheskogo Truda, akademika A.S. Saginova i 55-letiyu Universiteta (18—19 dekabrya 2008 g.), vyp. 1., ch. 1 (International Scientific-Practical Conference Proceedings: Innovative Role of Science in Technical Personnel Training, devoted to the cherished memory of Academician A.S. Saginov and to the 55th Anniversary of the University, 18—19 December 2008, issue 1, part 1), Karaganda, Izd-vo KarGTU, 2008, pp. 235-238.

8. Mitusov A. A., Reshetnikova O. S. Gidravlika i gidroprivod tekhnologicheskikh mashin. Teoriya i raschet. Uchebnoe posobie (Hydraulics and hydraulic motors of production machines. Theory and computation. Educational aid), Karaganda, Izd-vo KarGTU, 2014, 103 p.

9. Polovinkin A. I. Osnovy inzhenernogo tvorchestva (Basics of engineering art), Saint-Petersburg, Izd-vo «Lan'», 2007, 368 p.

10. Goydo M. E. Proektirovanie ob"emnykh gidroprivodov (Fluid power drive design), Moscow, Mashinostroenie, 2009, 304 p.

11. Merkle D., Rupp K., Shol'ts D. Elektrogidroavtomatika (Electrohydraulics), Germany, Festo Didaktik, 1994, 202 p.

12. Mitusov A. A., Khayrullin A. R., Ospanov D. U. Respublikanskaya studenches-kaya nauchnaya konferentsiya «Vklad molodezhnoy nauki v realizatsiyu Strategii «Kazakh-stan-2050»» (Republican Scientific Conference of Students: Contribution of Young Science to Kazakhstan-2050 Strategy Implementation), Karaganda, Izd-vo KarGTU, 2015, pp. 121-124.