автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Динамика дроссельных пневмоударных механизмов с форсажем рабочего процесса для строительных ручных машин

Томская государственная архитектурно-строительная академия

Н.1 прапах рукописи

Шабанов Рамазан Шабаповнч

УДК 622.233; 621.542

ДИНАМИКА ДРОССЕЛЬНЫХ ПНЕВМОУДАРНЫХ МЕХАНИЗМОВ С ФОРСАЖЕМ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ РУЧНЫХ МАШИН

05.05.04. Дорожные м строительные машины

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических паук

Томск-1997

Работа выполнена в Новосибирской государственной академии строительства

Научный руководитель: Заслуженный изобретатель РСФСР, члеп-корр. СО АНВШ, доктор технических наук профессор Лбраменков Э.А.

Официальные оппоненты: академик АГН, доктор технических наук Смоляницкий Б.Н

доктор технических наук, профессор Саруев Л.А

Ведущая организация - ОАО Томский электромеханический завод

Зашита состоится РЗ 1997г. в М°°час.

на заседании специализированного сонета К 064.41.01 по защите диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук при Томской государственной архитектурно-строительной академии, 634003, Томск, пл. Соляная, 2, корп. 4, аул.211.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направить по адресу академии.

Автореферат разослан . 0& ' 1997г.

Ученный секретарь специализированного совета, кандидат технических дшук,

доцент С.М. Кравченко

Общая характеристика работы

Актуалгчость работы. Развитие строительной отрасли в услови-х Сибири связано не только с механизацией болыиеобьемных и тру-оемких процессов, но и технологических процессов, определяемых алыми объемами реставрационных, восстановительных и ремонтных ;|бот. Практика применения пневмоударных машин показала, что ии являются наиболее пригодными для работы п неординарных условиях: при высоких температурах, в радиационных зонах, при иысо-их ускорениях, интенсивных вибрационных и ударных нагрузках, » ожаро - и взрывоопасных ситуациях. Потребность промышленности ручных машинах п настоящее время в условиях сложившихся ры-очных отношений покрывается в основном ввозом из Англии, Гер-.пши, США, Японии. Однако необходимо учитывать прогноз даль-ейшего развития отечественной промышленности. С целью попы-кчшя эксплуатационных характеристик, а также увеличения выпуска азнообразных по назначению пневмоударных ручных машин отече-гвснного производства следует продолжать развивать исследования анных научных направлений. '

Исследования этих направлений являются актуальными н неза-исимости от состояния, подчиненности и задач промышленности, «скольку решают извечно важную задачу: улучшени1' услопии труда абочих в сфере материального обеспечения жизнедеятельности об-юства.

Данная работа является логическим звеном в цикле псследова-ий пневматических машин ударного действия, проводимых в лабо-лтории строительных машин Новосибирской государственной ака-;мни строительства и выполнена в соответствии с темами: Разработка на осьове импульсных систем новых и повышение эф-ектииносги сушествуюших ручных машин и инструментов, приме-яемых в промышленном, жилищном и сельскохозяйственном строи-¡льствах в условиях Сибири" - 019200087776, 1994, 1995, 1996; Производство ручных пневматических машин ударного действия шковацисниая программа 1994, 1995, 1996).

Апробация исследований. Изложенные в диссертации результа-.1 обсуждались на следующих совещаниях и конференциях: Всерос-шском научно-техническом совещании "Ручной механизированные! псфумент в строительстве" (Новосибирск, 1993);М'еждународнан

я

научно-техническая конференция "Развитие строительных машш механизации и автоматизации строительства и открытых горных ра бот " (Москва, 1996); Научно-технической конференции Новосибир ской государственной академии строительства (Новосибирск, 1993 1996).

Цель и задачи исследования. Диссертация посвящена дальней шей разработке нового перспективного направления в развитии руч ных пневматических машин ударного действия, позволяющих создат значительный экономический эффект в строительной отрасли Рос сийской Федерации. Сущность разработок заключается в разню и теории дроссельных пневматических ударных механизмов с иаддунш при форсировании силового импульса давления воздуха со сторож камеры рабочего хода и создание на этой основе новых схем и кои струкцнй машин с улучшенными эксплуатационными характерно™ ками.

При выполнении работы ставились следующие задачи исследо вания:

1) разработка новых принципиальных схем дроссельных пней моударных механизмов с дроссельными признаками средств стабили зации и формирования силового импульса;

2) изучение рабочего процесса и потенциальных возможпостс пневмоударных механизмов с дроссельным воздухораспределением дополнительными газодинамическими признаками форсажа рабочем процесса;

о) установление рациональных размеров и параметров дроссель ных пневмоударных механизмов с форсажем и уточнение методик: их инженерного расчета;

4) создание экспериментальных образцов ручных машин, иссле дование и испытание их в лабораторных и производственных услонн йх.

Методы исследования. Применен комплексный метол, нклк> чающнй: аналитически!! обзор и обобщение существующею опыта теоретические разработки с использованием методов механики, тер модмнамики; математическое и физическое моделирование рабочи процессов с целью выбора и установления рациональных соотноше ний между различными безразмерными параметрами дроссельны пневмоударных механизмов; экспериментальную проверку эффек

явности новых машин в лабораторных и производственных уел они-х.

Основные научные положения, защищаемые в работе:

- принципиальные схемы дроссельных пневмоударных мехамиз-юв с новыми конструктивными признаками средств наддува и фор-ажа, позволяющие качественно и количественно изменять рабочий роцесс пневмоударного механизма; 1

- физико-математическая модель рабочего процесса пневмати-еского ударного механизма с дроссельным воздухораспределением и редствами наддува при форсировании силового импульса со сторо-ы камеры рабочего хода ударника, даюшая возможность вскрыть ;шб< лее общие закономерности основных показателей качества -дельного расхода сжатого воздуха, удельной мощности и амплитуды ибрации;

- система уравнений, описывающая рабочий процесс машин с россельным пневмоударным механизмом со средствами наддува и юрсажа в системе управления впуском, позволяющая вскрыть зако-омерности, характерные для пневмоударных машин данного типа ;

- метод расчета дроссельною пневмоударного механизма с ис-ользованием рациональных значений безразмерных параметров, поученных физико-математическим моделированием.

Достоверность научных положений обоснована:

- анализом направления совершенствования пневмоударных ме-анизмов с воздухораспределением ударником (по патентным мате-иалам за период с 1900 но !995 ».г.);

- численным исследованием рабочих процессов дроссельного невмоударного механизма со средствами наддува и Форсажа при ормировании силового импульса со стороны камеры рабочего хода парника;

- результатами моделирования рабочего процесса с наддувом и орсажем з дроссельном пневмоударном механизме ручной машины применением известных методик моделирования;

- применением предложенной методихи расчета при создании оьых моделей машин и сопоставлением расчетных параметров с актически йзмеренными, полученными другими исследованиями:

- созданием и всесторонним исследованием в лабораторных ус-овиях нового высоконадежного образна ручной машины с пони-ен.ноП амплитудой вибрации;

$

Штнаал1ошша. ?акдша<;тся:

- в разработке принципиальных схем ручных машин с арос седьмым пиевмоударным механизмом, с новыми конструктивным признаками средств наддува и форсажа, позиоляюшими улучшить к;] чественно и количественно энергетические параметры рабочею про цесса механизма с одновременным снижением амплитуды колебани корпуса;

- в разработке, физико-математической модели рабочего пронес са дроссельного пневмоударного механизма со средствами наддува 1 форсажа в системе впуска;

- в исследовании физико-математической модели рабочего про цесса дроссельного пневмоударного механизма со средствами наддув, и форсажа камеры рабочего хода ударника;

- в разработке методики инженерного расчета дроссельном пневмоударного механизма со средствами наддува и форсажа с использованием рациональных значении безразмерных параметров лт ручных машин со сниженной вибрацией.

Практическая ценность и реализация результатов работу.

Обоснована и разработана новая принципиальная схема дроссельного механизма со-средствами наддува и форсажа при формировании силового импульса со стороны камеры рабочего хода, но то-ляюшая создать машины ударного действий с улучшенными ^сплуа-тационными характеристиками. Разработана методика инженерной расчета пневмоударных механизмов с дроссельным возлухораспре-делением на любые практически приемлемые сочетания энергии и часшты ударов при ограничении по удельному расходу во пуха ¡1 усилию нажатия с приемлемой амплитудой колебаний корпуса.

Создан экспериментальный образец ручной машины с дроссельным воздухораспределением - строительный молоток МСП-30. Указанный молоток используется и учебном процессе как нами пин-пособие но разделу "Пневматический механизированный нтчру-мент" курсов "Строительные машины" и "Механизация и атом.ин-зания" в НГАС (Новосибирская государственная ак-,пемия счроиимь-ства). С1о металлоемкости на единицу ударной ;ошносгн счротеп.-ный молоток выгодно отличается от шрубежпых аналогов н н- уси-нает отечественным обрашам. Себестоимость н и отоплении 1чрон-тсльного моложа может быть снижена вдвое в сравнении с апа.нна-ми. Молоток с дроссельным пневмо\ларным мехашпиом со с| с.тс< -

амн наддува и форсажем имеет вибрационные характеристики прел-очтительнее аналогичных cepniino выпускаемых.

Личный вклад аптора в следующем:

- п создании принципиальных схем дроссельных пневмоуларных еханизмов со средствами наддува и форсажа в системе «пуска;

- в разработке и применении и исследовании физкко-итематическои модели рабочего процесса дроссельного пневмоудар-смо механизма со средствам» наддува и форсажа в системе впуска;

- в установлении основных соотношений геометрических разгром и энергетических параметров дроссельного пневмоударного гханнол« со средствами наддува и форсажа, обладающего умень-енной амплитудой колебаний корпуса;

- в расчете, разработке конструкции, доводке и испытаниях ронтельного молотка МСП-30.

Публикация. По. теме диссертации опубликованы 10 статей, •лучено решение о, выдаче патента РФ по заявке N 95-105545/28 с •иорнтетом от П.04.95.

Объем работы. Диссертация состоит из четырех глав, заключена списка литературы, прнложе шя и включает 218 страниц основ-то машинописного текста, в том числе 74 рис, 12 таблиц, список тиратуры из 95 наименований иа 10 стр., 8 приложений на 54 стр., лючаюшие 20 рис. if 13 табл.

Введение. Диссертационная-работа посвящеца новому перспек-ккому направлению в развитии ПУМ - созданию пневматических (ных машин ударного действн.. дроссельного типа с форсажем palero процесса со стороны камеры рабочего хода, позволяющим шать значительный экономический'эффект в.стронтсл1.етпе

Наличие только одной подвижной детали а ДПУМ(Ф> обеспе-•ает наивысшую, среди других механизмов, надежность работы в юлнях низких температур, что предопределяет перспективность использования п ручных машинах ударного действия для работы слопиях Сибири.

Раздел I содержит анализ материалов о применении ручных иии ударного действия в строительстве.

Теоретическому и экспериментальному исследованию рабочих •нессоп ПУМ и машинам на их основе посвящены работы L. Конюхова, Л.П.Германа, Ю.М.Малахова, Б.В.Суднншникова, к.Клуншна, Н.Д.Костылева, К.К.Тупицнна, А.И.Федулова,

И.С.Кассациера, В.М.Мосткопа, Ю.П.Попова, П.М.Алабукси О.Д.Алимова, Е.В.Алексапдрова, В.Б.Соколипскок

Б.Н.Смоляшшкого, X.Б.Ткача и других отечественных ученных. О щестпенный вклад в разработку пневмоударных механизмов с дро( сельным воздухораспределением внесли работы Э.А.Абраменков Г.Ф.Тимофеева, В.Ф.Корчакова, А.Г.Богаченкопа, Д.Э.Абраменкова.

Целыо предлагаемых исследовании является разработка нот) перспективного направления ss развитии ДГ1УМ(Ф), создание дост точно точного метода six расчета, что обеспечит создание на этой о ноне высокопроизводительных надежных машин широкого примем пня.

Решение поставленных задач распространяется в основном ручные машины с' ДПУМ(Ф), предназначенные для разрушен крепких естественных л искусственных материалов при строитель^! в условиях Сибири.

Раздел 2 содержит дополнения к классификации признак пневматических механизмах ударного действия в группах среде стабилизации энергоносителя и средств управления процессом.

Рассмотрены конструктивные исполнения признаков наддува форсажа в пневмоударных механизмах.

Исследуемый иневмоударный механизм относится к кллс дроссельных с камерами наддува и форсажа со стороны рабочего х да ударника и камерой наддува со стороны его холостого хода I рнс.1 представлена принципиальная схема механизма, на котор использованы следующие обозначения: I-ударник; 2-имлинлр; хвостовик рабочего инструмента; 4,5,6 - дроссели впуска, наддува форсажа с проходными селениями шр, юнр, о>ф, питающие соетт-п веино камеры форсажа и наддува с объемами Уф и V1(p; 7 - дроссс впуска с проходным сечением ых, питающий объем камеры ii.i;uyn, объемом Vx; 8 - канал с проходным сечением о для выпуска oip;i( тавщего воздуха из камер рабочего и холостого ходов; L, M, S, длина, масса, площадь диаметрального сечення и координата ис| мешения ударника; Нх, Вм Нф, Вф - координаты начальных и кот ных отсечных кромок каналов выпуска и форсаж:«; р„, р,м,. рч. р, давления воздуха в сети, камерах наддува рабочего и холоемго no. в камере форсажа; в0, 0ф, 0„р, Сх - температуры воздуха в семь мерах форсажа, наддува рабочего и холостого ходов; F„ - сила па; тия на корпус цилиндра; z. Z| - ширина каналов выпуска и фо|'са*

О •

Расчетная схема ДПУМ(ф) X ^

Р0°0

д

JL

/

I—1 Ч-Ы-

_J__\ сз

rh •*■ —

1 ¿1

JE

-¡V

кМ

ф

î\t>

-Hp-

es~N/(p0uS), ¡{x~La3 ;D^~¡m4 , Z=u5Sc,)f/{Vm,+

Рис.1.

Диаграммы рабочеп процесса ДПУМ(ф)

е. к ■ • » *

Р|,МПа

0.11

0.13

Рис.2.

x

В отличие от известных дроссельных ппевмоударных механизме) (ДПУМ) наддув камеры рабочего хода осуществляется не из сети, из форсажной камеры через неподвижный постоянно открыты! дроссель, сообщающий указанные камеры между собой. Таким обра зом постоянно с сетью сжатого воздуха посредством дросселей впус ка сообщены камера форсажа рабочего хода и камера наддува холо стою хода.

Данные исследования предусматривали анализ решений систем! уравнений, описывающих рабочий процесс дроссельного ПУМ ■ форсажем со стороны камеры наддува рабочего хода, а так же синте совокупности параметров, обеспечивающих наилучшие значекш критериев качества, с целью получения рациональных соотношение конструктивных параметров ДПУМ(Ф).

При составлении уравнений рабочего процесса была использо вана известная физико-математическая модель ДПУМ с постоянно! нолнтропой процесса по значению близкой к адиабате. Такое допу шенне вполне удовлетворяет прикладным задача»'

Уравнения рабочего процесса ДПУМ(Ф) и в целом система по строены с учетом допущений и ограничений, среди которых ¡пионе" имеющие прикладное значение и при реализации могут быть »идеи тифипированы и учтены в инженерной методике расчета пнеимо ударного механизма конкретной машины: I).перетечки через зазорь между ударником и цилиндром равны пулю, т.е. не учитываются; 2 выравнивание параметров воздуха в рабочих камерах механизма про исходит мгновенно; 3) теплообмен между рабочим телом, стенкам! цилиндра и окружающей средой отсутствует; 4) коэффициенты расхода воздуха приняты равными единице, т.е. не учитываются; 5 силы трения и парах ударник-корпус и инструмент-корпус не учи тываются.

Исходными соотношениями при составлении фишки математической модели дроссельного пневмоударною механизма I форсажем рабочего процесса со стороны камеры рабочего хода ям.чи ются-уравнения термодинамики переменной массы газа (воздуха) I уравнения движения массы ударника и функции времени.

Уравнения рабочего процесса ДПКМ(Ф) представлены п визе системы:

dp г

dt V р - SX

dpу

к

dX 1

W(ч>ф(а>„ р+ч>ф)~ VpVpa >- Pp~JfS]•

W(o>xipxo-vx4,xa)-px~-s\

dt ~~Vx+SX

ь(-1ф Оф Г 1

РФ v'l/\w<"}P'PP°QP0 ~<!'фйф(шф * "'» р iJ\-

dt ' pp'Vp-SX) ■">v Од

dt px(Vx+SX) d2 X S(ps -Ppf

dX

dt-

M

W(уфПф(ы„p t <>ф>- vp<Pp:,np., )*(к-Прх IIYnxq>xoaxo - vx,px„nxil)-(к - ¡)px XtO,

7/7 ° 1/7] <0-

d- XK (S-SH)px-Spp

dtJ < dt " K dt

(1)

II (!) значения: IV = J2k/i / ( к-/);

0.52S3> Pi / Po Po4e~-0.23xs.

0.S2SJ s p j / p0 < / fo / Po Г x * -(Pi / Po>(k *n/ k ■

"'ш ~ 0.S2S3 > p0 / p¡ - Pi JoJ-0 258S.

0 SIS* <p0 / Pi <1 - Pi Po/Pi>2/ * -IPo/Pi>(k*!)/k

OJ:SJ> i4 / ;>,, - pgfä-0.2588,

*4:i -- 0J2S1< p¡ / pa<l - Ра fàÙ Pi / Pa>2/ k ~(Pi / Ра >{к + П / * ■

0.52S.1> P.; / Pi Pj<{v~-0.258S,

V \ V. Pi p, / Pi)2/к-<г,/р,-/к+'}/k

Ф/о >О ф:п<0

к - & i / &о • к -1:

•Pin <0 Via

к - & i / 0О , к -/:

1>ф

•0.5283 > Рр / Рф 0.5283 1 Рр /Рф < / . О 5283>рф/Рр 0.5183 $Рф/ рр<!

Рф^-0.2588,

Рф ^ф^Рр/Рф)2/ к-(Рр/Рф / * + П/к . -Рр^ 0.2588,

- ррРф /рР )2 'к - (рФ /рр /к +'; 7 * •

Рф >о

</>Ф *о

к-вр/Эф, к-1;

Оф ■

Х + 1.гВф Нф<Х+Ь<Зф Х + иНф

О,

(Вф-(Х + 1.))г1.

<вх-нх>г,;

Х*ИВх Н х<Х + 1.<Вх Х+1$Нх

о,

; <вх-нх)г;

х<,нх

Нх<Х<Вх Х>вх

(Х-н х)г. (Вх-И\ и.

Для оценки экономичности ДПУМ(Ф) система (1) дополнена уравнениями» позволяющими подсчитать массу воздуха, поступившего п рабочие камеры за характерный промежуток времени. Масса воздуха, поступившая за один иикл в камеры наддува рабочего и холостого, ходов ударника:

Ср= / шро<РрЭр1Н,

'о + <г

Ох*~ 1 шхо<рх9х</(.

(2)

где -

У/о*0'

1ц время цикла. •

В (2) <Рр, и ф, подсчнтываются аналогично <р,а. Общее количество воздуха,поступившее за один цикл в камеры:

Со - ср + Ох. <<1

РазделЗ.При численном исследовании использованы \равпени> <1-3), для которых составлены алгоритм и программы расчеи ДПУМ(Ф). При оценке рабочего процесса использованы два крик-рия чо (удельнмй массовый расход сжатого воздуха. кг/(с/Вт») и г.?

Я

(съем мощности с единицы площади сечения ударника), которые позволяют достаточно полно представить физическую сущность процесса. Для случаев, когда экстремальных зависимостей по критериям qo и пм было недостаточно для установления предпочтительного диапазона параметров, использовался контрольный критерий

4N SN /qG = A2i2 /(p0uSG) = N2 /(ppuSO), (4)

где qa=G/(iA)=C,/N; (5)

eN4A/(p0uS) =N/(p„uS}; . (6)

G - массовый расход воздуха; N, A, i, u - мощность, энергия удара, частота ударон и скорость соударения ударника с рабочим гнстру-ментом.

Ускорение, - скорость и перемещение корпуса ппевмоударного механизма определяются при совместном решении уравнений (1). В качестве оценочных значений -величин ускорения, скорости и перемещения корпуса принимались их максимальные значения:

max aK=(pt,S-F„)/AfK ,■ ' . ' (7)

max uK=(l-FH/(poS))(M(l+ky)f~AArl\ (8)

max XK=(l-F„/<p0S))(M(! + ky)2A/MK/<p0S), (9)

где k„ , кк - коэффициенты отскока ударника и корпуа от инструмента; F„- сила нажатия на корпус, И; ЛД--м?сса корпуса, кг.

На рис.2 представлены диаграммы рабочего процесса ДПУМ(Ф), иллюстрирующие одну из предпочтительных настроек механизма для ручной машины, приведены изменения: давлений воздуха, отслеживаемых на пятом рабочем цикле в камерах наддува рабочего tpHp(t)) и холостого (p,(t)) ходов, в камере форсажа (Рф(1)); температур воздуха - (0„p(t)), 0x(t) н вф(1) в соответствующих камерах. На рис. 3 представлены графические зависимости qG cN (

для соотношений: ан~"'нр/0)р'

' (12) = " Р/"ф- (13)

Результаты исследований сводятся к следующему.

Рациональные настройки ДПУМ(Ф) реализуются при наполнении камеры форсажа из сети с одновременным перепуском из нее в камеру наддува рабочего хода в периоды конца холостого и начала рабочего ходов ударника в течение 0.15...0.45 от полного времени цикла. Исследования рабочего процесса ДПУМ(Ф) ьдиапазоне изменения схф от 0.15 до 1.85 показали, что в плоскостях, чс (аф) и eN («ф) увеличение Шф в указанных пределах изменения с<ф приводят к увеличению А до 6%, уменьшению I до 3% при увеличении N до 4%, 01ф до 5Гс и в, до 19%. Однако, чо несколько (<2%) понижается при некотором (>1%) возрастании ек, что обусловлено большим (до 4Г6) ходом ударника и его скоростью соударения (до 3%) с инструментом. При Шф < 15.9 давление воздуха рф в период рабочего хода, после сообщения камеры форсажа с камерой наддува рабочего хода, остается несколько (до 3%) больше, чем в камере наддува; температура воздуха 0ф и камере форсажа понижается (до 2%) с одновременным ее повышением (до 4%) в камере наддува; разницы по температурам и давлениям сохра -потея до момента открытия ударником выпускных каналов на уровне (2...3%) к моменту соударения ударника с инструментом. При Оф> 15.9 давление воздуха рф в период рабочего хода, после сообщения камер наддува и форсажа, устанавливается несколько (до 3%) меньшим, чем в камере наддува. Создающиеся в камерах наддува и форсажа условия обусловливают при 5.3<и,(,<- 15.9 одновременное увеличение чс и ем, а при 15.9 < сц, < 47.7 уменьшение пс и увеличение ем, что дает основания считать рациональным диапазоном значений аф=37.1...47.7. Значения Иф<37.1 (рис.3) предопределяют одновременное Увеличение проходного сечения с»,,,, и Чо при снижении за счет уменьшения скорости соударения, оперши и частоты ударов. Значения аф> 15.9 обусловливаются неравенством «И1,>Мф , выравнивание давления воздуха в камерах форсажа и надду ва и вырождение процесса форсажа ь ДПУМ(Ф). Изменение параметра £(яо,б|м) показывает, что он имеет при схф=5.3...15.9 худшие свои значения, что так же относится к Чо и е^. Поэтому слелует отдавать предпочтение настройкам ДПУМ(Ф) с аф=37.1...47.7, при которых чо и улучшаются, сохраняя при этом в нредночтигслыю.м варианте колебательный процесс корпуса (цилиндра).

S« qcxl05 КГ/С В 0.039 т 4.9

-л ЯолЮ'.кг/сВ

0.028 т 4.5

0 0278--4.« 0.0'76-■ -0.1173 0.0274- -439

4W7Î437 0-027-■ -0.1165 J.026S- -

0.0266- ■4 J3 0.0264-■4 31 0.0262' ■ ^ ^ 0.026- -4.2?+:

Исследование рабочего процесса ДПУМ(ф) в диапазоне нзме нения а„ от 0.023 до 3.063 показало, что в плоскостях с}С(ан) и z (а„) увеличение ынр ,в указанных пределах изменения а„ .приводит увеличению А и одновременно до 11% повышает N, до 6% Ср и д 5% Gx., обусловливает снижение qa до 15% и повышение с^цо 148 При s ом величина хода ударника остается постоянной, однако скс рость его во?растает до 8%. Характер изменения давления воздуха камере форсажа и наддува качественно и количественно представле диаграммами, а графиками зависимостей (¡¿¡(а,,) и с,\(а„) на рис.: показаны изменения критериев оценки ДПУМ(ф).' При а,,.<0.25 дш ление воздуха в камере форсажа в период конца холостого и нача:: рабочего ходов ударника возрастает до9£>%, а в камере наддува -л 85% от величины сетевого. В момент открытия ударником форса» ной камеры давление воздуха в-ней падает до (65...67)% с одноир< мениым повышением его в камере наддува рабочего хода до 70% i величины сетевого, после чегр давления I) камерах выпавмиваютси поддерживаются одинаковыми до момента открытия выпускного к; нала и выпуска отработавшего воздуха из камеры наддува pa6ouei хода.Пр:: 0.25<а„< 1,25 амплитуда колебаний значений давления по «уха в камерах форсажа и наддува при их сообщении снижается. 11| сохраняющейся величине хода ударника его скорость, благодаря н< вышешно среднего давления по пути со стороны камеры рабочс! хода, увеличивается, хотя и незначительно (до 8%). Частота ударо по указанным выше причинам, так же возрастает (до 4%). Сье мощности (¿н) увеличивается на (11...12)%. что обусловлено сушее венным уменьшением удельного расхода сжатого воздуха (</0) щ увеличении расхода со стороны камеры рабочего хода на (5...6)! Отмеченное обусловливается меньшим противодавлением к каме форсажа и более полным наполнением ее сетевым воздухом. П] 1.25<ан<1.75 наблюдается тенденция к стабилизации параметров i и s,v, а поскольку ы„р>(1>^ , то ДПУМ(ф) вырождается в варна ДГ1УМ без форсажа и дальнейшее увеличение а„ обусловит поте) всех преимуществ применения форсажа рабочего процесса со crop ны камеры наддува рабочего хода.

Учитывая кинетику и динамику рабочего процесса и соглас их необходимостью выбора наилучшей настройки, например, по к

к>

:банию корпуса ДПУМ(ф), можно принять рациональным исполь->вание настройки п диапазоне |,3<ая<1.7 . Однако рациональным с 1ЧКИ зрения колебаний корпуса применительно к ручным машинам, ж показывает изменение параметра (см.рис.3), следует

штать «„=1.3...1.5 .

Изменения параметра А.ф от 2.5 до 3.75 показали, что в плоско-гяч С]с;(Хф) и е^(Хф) с увеличением объема V,,,, и уменьшением Уф ipn (У„р+Уф)= const) приводят к снижению (до 5%) критерия q^ и овышению (до 3%) en за счет незначительного увеличения расхода плуха камерами наддува рабочего (до 0.7%) и холостого (до 0.2%) здов при одновременном увеличении скорости и соударения удар-ика с инструментом до 3%. При этом величина хода ударника оста-ся практически без изменения (x=const), а ударИая мощность N >зрастает до 3%. Особенности рабочего процесса ДПУМ(Ф) в рас-(атриваемом диапазоне изменения Хф сводятся к следующему. С леньшением объема Уф (при rop~ const и щ,р = const) набл! хается vice интенсивное ее .наполнение сетевым воздухом, приводящее к эвышению противодавления п ней и, кгк следствие, меньшему рас-шу воздуха из сети. Так, в течение рабочего цш'ла камерами надду-i рабочего и холостого ходов расход поздуха увеличивается менее, :м на 1%. Однако на всем диапазоне изменения Vp при 2,5 < Хф< 75 давление воздуха рф п камере форсажа поддерживается одннако-,1м на временном участке конца холостого и начале рабочего ходов ж перекрытом ударником канале форсажа, причем максимальное имение воздуха не превышает 93% от давления его в сети. Давление •здуха Рир'в камере наддува рабочего хода за время холостого хода : изменяется с изменением а за время рабочего хода, до сооб-ення с камерой форсажа, имеет тенденцию к возрастанию от 70% > 80% от величины сетевого давления. После сообщения указанных |мер посредством канала форсажа в камере наддува рабочего хода вление воздуха возрастает от 80% до 87% от величины его сетевою вления. Несмотря на указанные изменения Хф, давление воздуха к imchtv выпуска остается одинаковым и составляет 6596 от величи-.1 сетевого.'Таким образом, изменения давления зоздуха в камере |длува рабочего хода не существенно влияют на повышение вели-нш среднего давления по пути, а следовательно, энергия ед шич->го удара и частота ударов изменяются также не существенно. От-

меченные незначительные изменения основных параметре ДПУМ(Ф) можно объяснить неизменностью на протяжен» (75...76%) времени рабочего цикла суммарного объема камеры рабе чего хода » поддержанием постоянным отношения Vp/Vx=7. Приме нение пвисчмостн. 4(4g. cn) (рис.3) с целью выяснения рационал1 пых значении Хф показало, что при Ц,>3.75 улучшения обоих крик рлев чо и cn будет продолжаться, а при увеличении г>>ф, наприме| до <оф>1.5о)р при w,ipal.5a)p рабочий прицесс форсажа вырождается положительные качества указанного процесса в отношении сиижеии колебания корпуса ДПУМ(Ф) теряются. Поэтому можно рекоменд! вать ограничение значений в пределах 3.4.„3.6. Отметим так ж< что в исследуемом диапазоне изменения А.ф приращение экопоми< ности (снижение qc) в 1.8 раза превыш^т съем мощности en.

Изменения параметра^, or 1.35 до 1.60 показало, что в плоска стях qo Оф) и ем Оф) с увеличением объема V„p или уменьшением \ (при (Уир+Уф)= const) приводят к снижению критерия en до 3% росту qu Д° 5%. Энергия А единичного удара и частота i ,удар< снижаются соответственно до 4.5% и 0.3%, что обусловлено сниж1 пнем д^ 5% скорости соударения удариика с инструментом. П| jtom отмечается уменьшение расхода воздуха обеими камерами на. flyua:G„p (до 1.1%) и Gx (до 1.2%), что характеризует рабочий шп ДГ1УМ(Ф) с x=const при (\\1р/Уф) = const. Особенности рабоче процесса ДПУМ(Ф) о рассматриваемом диапазоне изменения си дятся к следующему. С уменьшением нф или увеличением Нр раб чий процесс ДПУМ(Ф) вырождается в двух случаях: 1) И,|,< х, ч тождественно выпуску воздуха из камеры форсажа и вытеспенп воздуха из камеры наддува рабочего хода; 2) Е^>ИфН- L пли х L, что тождественно обычному дроссельному ПУМ без форсажа. Э ограничения и предопределили диапазон изменения j,^ при котор: » рабочем процессе изменению подвергались только давление но (лу в камере наддува рабочего хода. При этом с увеличением ^давлен воздуха до сообщении камер составляет 82.5% от сетевого при и 71.6% при ]ф=1.55. Обшее снижение давления к моменту открыт канала (Ьорсажа достигает 15%. С увеличением .¡ф после сообщен камер наблюдается общее снижение давления воздуха в камере пи луна до 21%, причем оно снижается так. что при меньших j,i, лосин ет 80.9%, а при больших .¡ф - 70.2% от величины сетевого давлен

оздуха. Отмеченное изменение обусловлено постоянством Ур , V,, х, также постоянством в конце холостого хода давления воздуха „р=0,9 р0 и начале выпуска отработавшего воздуха при рабочем ходе р1ф=0.65 р0 , что также предопределено и практически постоянным исходом воздуха камерами наддува (разшша составляет 1.1% и .2%). Как следует из графических зависимостей ос Оф) " емОф) редпочтитедьны настройки с jф< 1.35, при которых улучшаются Цо с^ , однако это потребует увеличения Нф и Нр , а при сохранении ф потребуется увеличение Ур. При этом для' сохранения ¡,=6.35...6.75 следует уменьшение Ух , а для обеспечения требуемого и пульса холостого хода необходимо будет увеличение дросселя 1уска -<оЛ, что повлечет за собой увеличение расхода б*, которое |ктуется спецификой режима работы ДПУМ с постоянно открыты-II дросселями впуска. Следовательно, можно предложить для реали-цнн в ДПУМ(Ф) диапазон рациональных значений: ]ф-1.35., |.40, I что указывает также контрольный параметр % , ем) (рис.3).

Результаты исследований и-их анализ показали, что параметры, шсывающие изменение рабочего процесса п камере наддува холо-ого хода (см. диаграммы рх в р(0 на рпс.2), оставались неизмен-■1ми. а следовательно, исследования влияния процесса форсажа си ороны камеры наддува рабочего хода на обший рабочий процесс 1УМ(Ф) проведены достаточно корректно и полученные результа-I можно использовать для целей конструирования машин с 1УМ(Ф). •

Опенка вибрационных характеристик ДПУМ(Ф) произведена раллельно с обычным ДПУМ, который пересчитывался на соотв^т-»укмиие энергетические характеристики механизма с форсажем. Ре-п.таты сравнительного числен] ого исследования при р0~0.6 МПа пажены иа графиках рис.4 перемещениями ,\\ф ,ХК и скоростями

, ик корпусов. Энергетические характеристики сравниваемых 1УМ пометены в таблицах к рисункам.

Исследования колебательных процессов показали, что усилие катия Р„ - 200 Н для ДПУМ (Ф) и обычного ДПУМ с энергиями фон ог 28.85 до 56.64 Дж и частотой ударов от 25,18 до 14.26 Ги, хпечивает посадку их корпусов на буртик инструмента за каждый «сл. При этом к 4-му циклу характеристики ХКф, Хк качественно и

Результаты численного исследования колебании корпуса ДПУМ(ф) и ДПУМ

Nim V G m 1 A N 4c, CN Mk í7!!

4 14.3 0.032 25.38 29.55 750.06 0.000043 0.119601 8 200

5 \â 29 0.032 25.37 29.51 74S.7 0.000043 0.119473 S 200

Результаты расчета ДПУМ(ф> при Р„=0.С МПа

и G i A N Qr, EN Mk

4 14.14 0.0316 25. IS 28.89 727.44 0.000043 0.117319 к 200

5 14.13 о.оЖП 25.17 2K.S5 726.2 0.000044 0.117201 8 200

it,м/с a) 0J5 т

0.0005 0.0004 - 0.0003 0.0002 0.0001 О

t.С

Реаудьиты

тасчета ДПУМ при ¡>n~0.ó M Па

Nsul u 4H4.7 G i ■ Л N q<¡ r-N NU К 200 200

0.0377 14.37 58.22 836.5 0.000045 0.125635 8 S ~~'

5114.7 0.0377 14.37 58.22 836.5 0.000045 0.125635

Результаты расчета ДПУМ(ф) при Р(1~0.Г> МПа

№u и G í А N Чс; Mv t:H

4 14.5 0.0373 14.26 56.64 «07.74 0.000046 0.122993 s 200

5 14.5 0.0373 14.26 56.64 807.74 0.000046 0.122993 8 200

б) 0.2

и,м/с

Х,м

--г 0.0(135 0.0D3 j- 0.0025 fr 0.002 f 0.0015 jf- 0.001 I" 0.0005

4-0

J. I..

0.15 0.2 Рис.4

соличестиенно являются надежными и устойчивыми. То же отмечайся и для характеристик . С увеличением энергии удара в 1.96 раза и частоты ударов в 1.76, максимальные значения Хкф и /велнчнваготся соответственно с 2.6 х10"4 до 27.5 х 10"4м для ШУМ(Ф) и с 4.0 х 10"4 до 34 х 10'4м для обычного ДПУМ. Максимальные значения иКф увеличиваются соответственно с 0.!4 до 0.5 л/с для'ДПУМ(Ф) и с 0.2 до 0.5 м/с для обычного ДПУМ. Таким оО-)азом, в исследуемом диапазоне энергий единичного удара переме-цеиие корпуса ХКф< А\ соответственно в 1.538 раза для А==28.85 Дж I в 1.236 раза для А-56.64 Дж, что можно объяснить изменением (см.рис.2).

Об изменении формы диаграммы в сторону ее улучшения спи-ютельствуют соотношения времен холостого и рабочего ходов. Так шя ДПУМ(Ф) соотношение г= =1.273 при =200 Н и

г= 1.231 при Г„ ~ 500 >Н.'Для обычного ДПУМ указанные соот-юшении соответственно равны 1.400 и 1.636. Отметим при лом, по улучшенная форма цикла ДПУМ(Ф) более устойчива к измене-1ням внешних условий нежели форма обычного ДПУМ. о чем свиде-ельствуют соотношения (Чое/гт)^ 1 • 273/1.231 = 1.034 и г.'0с/гли|) о!=1-636/1.400ет1.!68. То есть изменения ((у/г,,) для 1ПУМ(Ф) составляют 3.4% и 16,8% для обычного ДПУМ. Это свидетельствует о повышении вероятности устойчивости и надежности ■лучшенного рабочего цикла ДПУМ(Ф) в 4 94 раза.

Раздел 4 содержит экспериментальные подтверждение теории и .столики инженерного расчета геометрических параметров ДПУМ(ф) шя практических целей. Максимальная величина погрешности прн-:одится на удельный расход воздуха и не превышает 12%. Эксп«,рн-1еитально показано, что увеличение объема камер рабочего хода ШУМ(с|*> предопределяет "улучшенные" очертания диаграмм да плетя, однако обусловливает увеличение удельного расхода и уменьше-ше съема мощности с единицы рабочего объема камеры. Отмечеи-юе является практическим.подтверждением необходимости установ-1сния рациональных структур ударной мощности ДПУМ(ф).

Технические характеристики молотка МСП-30 с ДПУМ(ф) в равнении с аналогичными характеристикам!! представленных мо-[отков подтверждают положительные конструктивные и технологнче-

скис особенности дроссельных ПУМ с наддувом и форсажем рабо чего процесса.

Показано, что строительный молоток с ДПУМ(ф) имеет улуч шенные показатели по вибрационным характеристикам в сравнешп с аналогами. Вибрационные характеристики этих молотков бе средств виброзащгты не превышают уровни, нормированные ГОС'1 17770-86 и 12.1.012-90.

С учетом ПДШХ: ГОСТ 12.2.030-78 молотки МСЛ-30 1 ДПУМ(ф) удоапетворлют нормам эксплуатации.

Пневматический молоток с ДПУМ(ф) работает устойчиво и на дежно пгч| всех возможных давлениях сжатого воздуха.

Представляется возможным, благодаря простоте конструкции I повышению ресурса ДПУМ(ф), понизить дефицит ручных машш ударного действия в парках строительных машин.

Основные результаты работы.

1. Предложены признаки средств форсажа рабочего процесса которые дополняют общую классификацию признаков ПУМ без из менения се идейно-методической основы.

2. Предложены варианты конструктивных исполнений признаков срецств форсажа и наддува камеры рабочего хода ДПУМ, выпол ненных в (на) корпусе (цилиндре) и в (па) ударнике.

3. Предложено физико-математическое описание рабочего про цесса машины с дроссельным пневмоударным механизмом со средствами форсажа и наддува в системе управления впуском, позволяющее раскрыть закономерности, характерные для пневмоударных машш данного типа.

4. Разработана методика инженерного расчета дроссельной, пневмоударного механизма с форсажем и наддувом с использование инвариантов подобия и рациональных значений безразмерных пара Метров, полученных при физико-математическом моделировании I физическом эксперименте.

5. Получены рациональные параметры, позволяющие реализовать рабочий процесс пневмоударного механизма близкий к оптимальному, которые определены в следующих диапазонах измсненш значений: отношения проходных сечений дросселей впуска в камср\ форсажа и холостого хода от 1.44 до 1.82; отношения проходных се чений канала выпуска и дросселя впуска камеры форсажа

т 35.0 до 48.06; отношения проходных сечений дросселей наддува амеры рабочего хода и впуска камеры от 1.69 до 2.89; отношения бъемов камер рабочего и холостого ходов от 6.25 до 6.75; отношения уммарного объема камеры рабочего хода и камеры форсажа от 3.40 о 3.60; отношения приведенных величин протяженности камеры аддува рабочего хода и камеры форсажа от 1.30 до 1.40.

6. Установлено, что удельный расход воздуха дроссельным певмоударным механизмом с форсажем и наддувом в камерах рабо-:го хода сохраняется .на уровне 3.35 х 10"5 м3/(с.Вт) для энергий lapa от 30 до 100 Дж

7. Перемещение и скорость посадки корпуса пневмоударною еханизма с форсажем более предпочтительны в сравнении с обыч-i.iм ДПУМ, что подтверждается улучшенной формой силовой диа-1зммы ДПУМ(Ф).

8. Вибрационные, шумовые и силовые характеристики образна 'чной пневматической машины ударного действия с форсаже,.! ра-. »чего процесса МСП-30 предпочтительнее в сравнении с отечест-нпым серийным образном МО-5П и зарубежными образцами (217-SV-08 - Германия) с близкими энерге-ичеекпми <арактеристиками.

9- Учитывая, что потребности строительства в ручных машинах арного действия будут возрастать за счет ремонтно-сстановигельных работ, целесообразно изготовление и нспользова-ie пневматических молотков с ДПУМ(Ф) расширять. Межвузовской учио-техпическоп про!раммой "Архитектура и строительство" пре-смогрена разработка типажного ряда ручных машин ударного лей-иия 13 наименований (разрабатываемых п рамках МНТП в НГАС. (овосибирск).

ДО. На принципиальную схему дроссельного пнепмоударного ме-чизма " форсажем и надлупом получено Положительное решение ШИГПЗ па изобретение по заявке 95-105545/28 с приоритетом oí 07.95 г.

11- Положительные эксплуатационные характеристики молотка ГП-30 подтверждены лабораторными и производственными испы-1нями, а экономическая эффективность молотка подтверждена :чеюм, выполненным на основе действующих методик, ирименяе-N для установления эффективности новой продукции.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах автора:

1. Тимофеев Г.Ф., Абраменков Д.Э., Шабанов Р.Ш. Пневмо ударные механизмы с подвижной аккумуляционной камерой //С( материалов Всероссийского научно-технического совещания "Ручно механизированный инструмент в строительстве. Повышение эффек тивности средств и методов механизации строительства. Ручные м: шины". - Новосибирск, НГАС, 1994, с.36-37.

2. Абраменков Д.Э., Богаченков А.Г., Шабанов Р.Ш.. Пневмс ударные механизмы с камерой наддува //Сб.. материалов Bcepoccui ского н^/чно-технического совещания "Ручной механизированны инструмент в строительстве. Повышение эффективности средств методов механизации строительства. Ручные машины". - hoboci бирск, НГАС, 1994, с.37-39.

3. Шабанов Р.Ш. Физико-математическая модель пневмоуда( ного механизма с наддувом //Сборник тезисов докладов научнс технической конференции (часть 2) - Новосибирск, НГАС, 199. с.68-69.

4. Шабанов Р.Ш. Результаты исследования пневмоударного мс ханизма с форсажем рабочего цикла //Сборник тезисов докладов и; учнс-технической конференции («асть 2) - Новосибирск, НГА( 1996, с,80-81.

5. Абраменков Д.Э., Абраменков Э.А., Шабанов Р.Ш., Малыип С.А., Надеин A.A., Хорчаков В.В. Создание ручных пневматическ! машин ударного действия с дроссельным воздухораспределение //Материалы международной научно-технической конференции "Развитие строительных машин, механизация и автоматизация cipoi тельства и открытых горных работ" /Под ред. Д.П.Волкова И Л.Ципурского. - М.:МГСУ, 1996, с. 105-108.

6. Шабанов Р.Ш., Абраменков Э.А., Абраменков Д.Э. Иекот! рые результаты исследования дроссельного пневмоударного мехаш: ма с форсажем рабочего процесса.//Изв.вузов. Строительство. 199 №12, с.90-98.

7. Абраменков Д.Э., Корчаков В.Ф., Малышев A.C., Шабаш Р.Ш.. Дроссельные пневматические ударные механизмы ручных м шин //Повышение эффективности средств и методов механизации

ггоматизации строительства. Сб. научных трудов. Вып.1. Ручные шины ударного действия - Новосибирск, НГАС, 1996, с.43-54.

8. Абраменков Д.Э., Малышев С.А., Суворов Д.Г., Шабанов Ш. Закономерность расхода сжатого воздуха дроссельным пневмо-[арным механизмом //Повышение эффективности средств и мето-1в механизации и автоматизации строительства. Сб. научных грудоа. .Ш.1. Ручные машины ударного действия - Новосибирск. НГАС, 96, с.67-76.

9. Шабанов Р.Ш., Абраменков Д.Э., Абраменков Э.А., Тимакои С. Усилие нажатия и частота ударов ручной машины ударного дей-вия //Повышение эффективности средств и методов механизации и юматизации строительства. Сб. научных трудов. Вып.1. Ручные шины ударного действия - Новосибирск, НГАС, 1996, с.76-84.

10. Абраменков Д.Э., Абраменков Э.А., Малышев С.А., Тимаков Ю., Шабанов Р.Ш. Энергетические характеристики пневматиче-ого строительного многоцелевого молотка //Повышение э<] фек-виости средств и методов механизации и автоматизации строительна. Сб. научных трудов. Вып.1. Ручные машины ударного действия (овосибирск, НГАС, 1996 , с.84-99.

11. Заявка 95-105545/28 на патент РФ. Пневматический молоток

дроссельным воздухораспределением //Д.Э.Абраменков.

^.Корчаков, Р.Ш.Шабанов, Э.А.Абраменкоа, С.А.Малышев. Почтительное решение от! 1.07.95 с приоритетом от 11.04.95.

Шабанов Рамазан Шабанович

ДИНАМИКА ДРОССЕЛЬНЫХ ПНЕВМОУДАРНЫХ МЕХАНИЗМОВ С ФОРСАЖЕМ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ РУЧНЫХ МАШИН

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПО "Кедр", Офсет, 1997, Заказ № 30 Тираж 100