автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Динамика ударных систем молотов с промежуточным телом и молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу

// Г/П ■........'/¿^У.

А?-/ ' <■/ ¿-■/^ / <1 и V *

^ -чУ V-4 /

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДАРАЦИИ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Коробков Владлен Викторович

УДК 622.233.65-82(088.8)

ДИНАМИКА УДАРНЫХ СИСТЕМ МОЛОТОВ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ТЕЛОМ И МОЛОТОВ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ УДАРОМ ПО РАЗРУШАЕМОМУ МАТЕРИАЛУ

(05.05.04 - Дорожные и строительные машины)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: д.т.н., профессор Абраменков Э.А.

д.ф .-м ,н. профессор Корнев В.М.

Новосибирск -1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

введение.......................................................................................... 4

Глава 1 состояние разработки и производства

навесных гидравлических молотов.......................................... 12

1.1 Основные направления развития навесных гидравлических молотов для разрушения крепких породоподобных материалов... 12

1.2 Физико-математическая модель и описание ударной системы молотов с промежуточным телом........................................... 16

1.3. Молоты с непосредственным ударом по разрушаемому материалу........................................................................... 22

1.4. Выводы и задачи исследования......................................... 29

Глава 2 молоты с промежуточным телом................................... 31

2.1. Анализ взаимодействия ударника с инструментом................ 31

2.2. Анализ взаимодействия инструмента (пики)

с разрушаемым материалом............................................................ 55

2.3. Синтез ударной схемы молотов с промежуточным телом...... 75

2.4. Выводы........................................................................ 82

Глава 3 молоты с непосредственным ударом

по разрушаемому материалу ..................................................... 84

3.1. Физико-математическая модель взаимодействия ударника с разрушаемым материалом и расчет ударной системы молота...... 84

3.2. Влияние внешних условий на взаимодействие ударника

молота с разрушаемым материалом........................................ 102

3.3. Физико-математическая модель и расчет гидравлического тормоза прострела молота с непосредственным ударом по разрушаемому материалу.......................................................... Ill

3.4. Выводы 122

Глава 4 конструктивные особенности, результаты натурных испытаний и перспективы использования молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу...... 123

4.1. Конструкция молота с непосредственным ударом

по разрушаемому материалу.................................................. 123

4.2. Результаты испытаний молотов с непосредственным ударом

по разрушаемому материалу.................................................. 129

4.3. Некоторые перспективы применения молотов

с непосредственным ударом по разрушаемому материалу........... 136

4.4. Выводы и перспективы исследований................................. 140

заключение..................................................................................... 142

литература........................................................................................ 145

приложения..................................................................................... 159

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Появление нового класса машин ставит перед исследователями, проектантами, изготовителями и эксплуатационниками целый ряд новых задач, среди которых одной из первых стоит задача определения места (производственной ниши) новых машин среди уже известных, имеющих аналогичное назначение (задача 2). Для установления этого места необходимо в первую очередь выявить набор и границы определяющих параметров машин нового класса (задача 1), провести сравнение их с параметрами существующих машин, после чего появляется возможность отграничить область максимально эффективного применения новых машин.

Именно такая ситуация сложилась в конце 60-х годов с появлением первого из высокоэнергетических молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу, впервые в мире созданного в Сибирском отделении РАН под руководством академика Б.В. Войцеховского и предназначенного для разрушения крепких породоподобных материалов (ППМ). Под такими материалами в данной работе понимаются материалы склонные к хрупкому разрушению при ударном воздействии (большинство горных пород крепостью свыше шести единиц по шкале профессора М.М. Протодьяконова, бетоны, чугуны, некоторые полупродукты и отходы металлургического производства и т.п.).

Решение двух вышеназванных задач возможно только при сравнительном анализе с существующими машинами аналогичного назначения. Сравнение должно проходить по главным техническим показателям машины (для ударных машин таковым является энергия удара) и технико-экономическим показателям (для молотов этого класса это способность и эффективность разрушения определенных объектов). В настоящей работе проводится сравнительный анализ двух разновидностей ударных систем высокоэнергетических гидропневматических на-

вееных молотов - с промежуточным телом и с непосредственным ударом по разрушаемому материалу. Однако вид и конструкция привода ударника в контексте данного исследования не являются определяющими и не рассматриваются.

Ударная система практически всех навесных молотов для разрушения ППМ, выпускаемых ведущими мировыми производителями, состоит из ударника и инструмента (пики), длина которого, обычно, не более чем вдвое превышает длину ударника, а объем ППМ, который необходимо разрушить при воздействии этой системы, по своим линейным размерам сравним с длиной ударника, следовательно время распространения напряженного состояния в разрушаемом материале сравнимо с временем воздействия упругой волны со стороны рабочего торца инструмента.

Появление молотов типа молота СОАН-2 (высокоэнергетического молота с непосредственным ударом по разрушаемому материалу) поставило на повестку дня вопрос о разграничении областей использования таких молотов и молотов с промежуточным телом, а также вопрос о возможности замены молотов одного типа молотами другого. Возникла необходимость сравнения принципиальных особенностей воздействия на разрушаемый материал высокоэнергетического удара через волновод (пику) и непосредственного удара инструментом, являющимся, фактически, частью ударника.

Одним из главных способов исследования показателей машины нового класса является построение и сравнительное исследование (по отношению к уже существующим машинам) физико-математической модели основных процессов ее взаимодействия с обрабатываемым материалом.

Цель и задачи исследования. Диссертация посвящена выявлению областей наиболее эффективного применения навесных молотов,

имеющих ударную систему с промежуточным телом, и молотов с ударной системой, наносящей удар непосредственно по разрушаемому материалу.

В работе ставились следующие задачи исследования:

1) изучение характерных особенностей и различий ударных силовых импульсов, воздействующих на разрушаемый материал, для молотов с промежуточным телом и высокоэнергетических молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу и влияния их параметров на формирование и распространение трещин в разрушаемом материале;

2) установление эффективных пределов энергии удара для молотов с промежуточным телом и высокоэнергетических молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу;

3) выявление критериев оптимизации параметров ударной системы для молотов с промежуточным телом и высокоэнергетических молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу;

4) получение пригодных для использования в инженерных расчетах зависимостей, связывающих показатели высокоэнергетических молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу и параметров разрушаемого материала;

5) изучение работы отдельных узлов молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу с целью повышения их надежности и долговечности.

Методы исследования.

Применен комплексный метод, включающий аналитический обзор и обобщение известного опыта; теоретические разработки с использованием методов механики; математическое моделирование ударных процессов с целью установления рациональных соотношений между основными безразмерными параметрами ударных систем; статисгиче-

ские исследования размерных рядов молотов, выпускаемых ведущими мировыми производителями, сравнение параметров удара, полученных теоретически и при испытании реальных машин в натурных условиях.

На защиту выносятся:

- результаты исследования физико-математической модели ударной системы молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу, позволяющие выполнять проектный расчет ударной системы высокоэнергетических молотов с учетом параметров ППМ;

- результаты исследования физико-математической модели тормоза прострела ударника, позволяющие обеспечить долговечность и безотказность работы этого узла;

- соотношения, пригодные для инженерного расчета ударных систем молотов;

Достоверность научных положений обоснована:

- анализом ситуации, сложившейся в мире с производством и проектированием молотов для разрушения крепких породоподобных материалов;

- статистическими исследованиями параметров размерных рядов навесных молотов, выпускаемых ведущими мировыми производителями, на основе корреляционного и регрессионного анализа;

- анализом общепринятой математической модели ударной системы молотов с промежуточным телом;

- сопоставлением параметров удара полученных при исследовании предлагаемой модели ударной системы высокоэнергетического молота с непосредственным ударом по разрушаемому материалу с результатами, полученными в натурных экспериментах;

- использованием полученных результатов при проектировании высокоэнергетических молотов с ударной системой с непосредственным ударом по разрушаемому материалу для промышленного приме-

нения в металлургическом и горном производстве.

Научная новизна и практическая ценность заключается в следующем:

- предложена физико-математическая модель ударной системы молота с непосредственным ударом по разрушаемому материалу, позволяющая производить проектный расчет ударной системы высокоэнергетических молотов с учетом параметров разрушаемого материала;

- предложена и исследована физико-математическая модель тормоза прострела ударника, с обоснованием характеристики этого узла, обеспечивающей долговечность и безотказность его работы;

- получены соотношения, пригодные для инженерного применения при проектировании ударной системы с промежуточным телом;

Личный вклад автора заключается в следующем:

- Предложена физико-математическая модель ударной системы молота с непосредственным ударом по разрушаемому материалу.

- Показано превалирующее влияние времени удара на эффективность разрушения ППМ высокоэнергетическим ударом.

- Определены рациональные границы наращивания энергии удара молотов с промежуточным телом (верхняя граница) и нижняя граница молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу, показана преемственность этих систем при наращивании энергии удара,

- Обоснован рациональный выбор соотношений размеров ударника и инструмента при наращивании энергии удара молотов с промежуточным телом.

- Предложены формулы для инженерного расчета при проектировании ударных систем молотов с промежуточным телом и молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу.

- Предложена и исследована физико-математическая модель гидравлического тормоза прострела молота с непосредственным ударом по

разрушаемому материалу, методика ее расчета, алгоритм и программа выбора оптимальных параметров.

- Определены области наиболее рационального использования молотов с промежуточным телом и высокоэнергетических молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу.

- Участие в поисково-конструкторских работах над высокоэнергетическими молотами с непосредственным ударом по разрушаемому материалу: М100 (участие в выборе конструктивной схемы, проектировании, испытании и внедрении) и М100ХЛ (проектирование и руководство проектом).

Практическая реализация. С использованием полученных результатов спроектирован и изготовлен молот с непосредственным ударом по разрушаемому материалу М100ХЛ, принятый в эксплуатацию Гурь-евским карьероуправлением объединения "Сибруда". Программы предварительного расчета молота и расчета тормоза ударника неоднократно использовались в процессе проектирования молотов с промежуточным телом и высокоэнергетических молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу сотрудниками КТИ гидроимпульсной техники СО РАН.

Теоретические и экспериментальные данные, представленные в диссертации, базируются на 18-летнем опыте автора в области исследования, проектирования, изготовления и внедрения в промышленность высокоэнергетических молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу. За участие в разработке и внедрении в промышленность молота М100 автор награжден Бронзовой медалью ВДНХ СССР. Автор считает своим приятным долгом высказать благодарность Л. А. Митину, В.В. Митрофанову, В.М. Корневу за существенную помощь в обсуждении направлений и результатов исследования, В.Л. Истомину за настойчивое подталкивание к написанию данной работы, а

также соратников по конструкторской работе: Фадеева П.Я., Фадеева В.Я., Кулагина Р.А., Ермилова Н.П. и многих других.

Апробация исследований. Изложенные в диссертации результаты обсуждались на конференции "Обработка материалов импульсными нагрузками" (Новосибирск, 1990) и на Третьем западносибирском региональном семинаре по теории механизмов и машин (Новосибирск, 1998).

Публикации.

В процессе работы над молотами автором лично и в соавторстве с сотрудниками опубликовано более 100 работ, как в нашей стране так и за рубежом, часть из которых, непосредственно связанных с теоретическим осмыслением ударных систем, приведена в библиографическом списке диссертации. Основными работами автора по данному вопросу следует считать работы [49, 50,60-64].

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 159 страницах основного машинописного текста содержит 27 рисунков и 9 таблиц. Список литературы включает 132 наименования. В приложения включены данные экспериментальных замеров, программы машинных расчетов и другие материалы.

В первой главе проводится анализ современного мирового состояния разработки и производства навесных гидравлических молотов, показаны тенденции в развитии этой области техники и определены некоторые из задач, возникших в связи с появлением высокоэнергетических молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу.

Вторая глава содержит анализ физико-математической модели существующих навесных ударных машин для разрушения крепких материалов (молотов с промежуточным телом) с целью выявления некоторых тенденций и отграничения области их применения. Показано, что начиная с некоторого значения энергии удара, конструкция машин

с промежуточным телом становится не только нерациональной, но и практически невозможной к применению в тех областях хозяйственной деятельности, где их применение ранее было признано необходимым. На основе сделанного анализа определены критерии подобия ударных механизмов для молотов с промежуточным телом, позволяющие производить экспериментальные исследования их ударных систем на маломерных моделях и строить размерноподобные ряды таких машин.

Третья глава посвящена построению и анализу физико-математической модели ударных машин с непосредственным ударом по разрушаемому материалу. На основе проведенных исследований показано, что молоты с непосредственным ударом по разрушаемому материалу занимают по энергии удара область, следующую в сторону возрастания за молотами с промежуточным телом, и в этом смысле являют собой продолжение последних в более высокие энергии удара. Определены основные критерии подобия молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу и отграничены области их наиболее эффективного применения.

В четвертой главе дано краткое описание конструктивного состава молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу, обсуждены и подвергнуты анализу результаты, полученные с участием автора при выполнении ряда хоздоговоров Институтом гидроимпульсной техники и Институтом гидродинамики Сибирского отделения Академии наук Российской Федерации, а также показаны наиболее перспективные области применения молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу, обусловленные особенностями ударной системы и ее взаимодействия с разрушаемым материалом.

В заключении сформулированы основные результаты работы, возможности их применения в практике проектирования молотов для разрушения крепких ППМ.

ГЛАВА 1

Состояние разработки и производства навесных гидравлических моло�