автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое моделирование переходных процессов и предельных циклов движения виброударных систем с разрывными характеристиками

На праваурукописи

(¿Чтг

Новиков Дмитрий Александрович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ И ПРЕДЕЛЬНЫХ ЦИКЛОВ ДВИЖЕНИЯ ВИБРОУДАРНЫХ СИСТЕМ С РАЗРЫВНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Специальность 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

1 2 ЯНВ 2012

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ульяновск-2011

005007683

Работа выполнена на кафедре «Теоретическая и прикладная механика» Ульяновского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Манжосов Владимир Кузьмич

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук, профессор

Вельмисов Петр Александрович

доктор технических наук, доцент Антонов Иван Степанович

Ведущая организация: ФБГОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева»

Защита диссертации состоится « 25 » января 2012 г. в 12 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.277.02 при Ульяновском государственном техническом университете по адресу:

432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32 (ауд. 211, Главный корпус).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного технического университета.

Автореферат разослан « (6 » декабря 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д. т. н., профессор

В. Р. Крашенинников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Среди многочисленных проблем, связанных с изучением ударных взаимодействий, следует особо выделать класс задач о систематических соударениях, реализуемых в виброударных.системах.

Постановка исследований в области динамики, устойчивости движения, ударо-активности связана с рассмотрением виброударных процессов в системах разнообразной структуры, имеющих различного вида нелинейности и совершающих движение при действии регулярных и нерегулярных сил.

Разнообразие виброударных систем требует при разработке расчетных методов не только решения задач их анализа, но и развития вопросов синтеза динамической структуры с целью наилучшей реализации целесообразных форм движения.

Отыскание решений точными методами яшыется весьма трудоемкой процедурой, ограничивающей область их приложений. Особенно затруднительным становится их использование при необходимости учета дополнительных нелинейных факторов и усложнении характера возмущений от действия нерегулярных сил. Эта процедура становится практически трудно выполнимой, если необходимо проанализировать переходные процессы в системе и выявить предельные циклы движения динамической системы.

Решение данной проблемы может быть достигнуто при разработке эффективных процедур моделирования данных динамических систем, основанных на использовании адекватных математических моделей, визуализации процесса, представления и качественной обработки результатов моделирования.

В связи с изложенным, тема диссертации, в которой ставится и решается проблема математического моделирования движения удароактивных виброударных систем с периодическими разрывными характеристиками силового воздействия и существенно нелинейными свойствами ударного взаимодействия, является актуальной.

Целью работы является повышение эффективности функционирования циклических удароактивных виброударных систем на основе математической модели системы с учетом переходных процессов, алгоритмов и расчета параметров, позволяющих обеспечить устойчивые предельные циклы движения виброударных систем с заданными характеристиками.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Построить математическую модель виброударной системы как динамической системы с разрывными функциями силового воздействия и нелинейными свойствами ударного взаимодействия, с учетом явления дребезга и возможным длительным переходным процессом при достижении предельного цикла.

2. Разработать комплекс программ и реализовать программное обеспечение в проблемно-ориентированном программном комплексе для моделирования движения виброударных систем с учетом соударений, разрывных функций силового воздействия на объект, явления дребезга, графическим и числовым воспроизведением параметров движения в процессе моделирования, фиксированием длительности переходных процессов и предельных циклов движения;

включением в систему блока случайных изменений параметров, позволяющим вводить случайное малое отклонение входных параметров системы.

3. Установить параметры виброударной системы, определяющие характер движения ударной массы, особенности переходного процесса и выход на установившийся режим движения.

4. Сопоставить физическую и математическую модель виброударной системы по результатам экспериментальных данных и результатам математического моделирования.

5. Разработать процедуру расчета параметров виброударной системы при различном фазовом соотношении момента переключения сил к времени нанесения удара в предельных циклах движения.

6. Разработать и реализовать процедуру оценки устойчивости движения виброударпых систем с разрывными функциями периодического силового воздействия на ударную массу, с учетом соударений и явлениями дребезга.

Методы исследования. При решении поставленных задач в диссертационной работе использованы: основные теоремы динамики механических систем, методы математического моделирования, стереомеханическая модель ударного-взаимодействия, численные методы решения дифференциальных уравнений движения виброударной системы, теория рядов для анализа числовой последовательности данных при математическом моделировании движения виброударной системы, методы математической статистики и объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна результатов, выносимых на защиту.

1. Разработана математическая модель удароактивной виброударной системы как динамической системы с разрывными функциями силового воздействия и нелинейными свойствами ударного взаимодействия, отличающаяся от известных учетом явления дребезга и переходного процесса при достижении предельного цикла.

2. Разработан проблемпо-ориентированный программный комплекс с принципиально новыми возможностями моделирования виброударных систем:

а) с учетом соударений, разрывных функций силового воздействия на объект, явления дребезга;

б) графическим и числовым воспроизведением параметров движения в процессе моделирования, фиксированием длительности переходных процессов и предельных циклов движения;

в) включением в систему блока случайных изменений параметров, позволяющим вводить случайное малое отклонение входных параметров системы;

г) включением в систему блока оценки выхода виброударной системы на установившийся режим статистическими методами.

3. Разработана методика обработки и анализа экспериментальных осциллограмм в условиях неполной информации о параметрах виброударной системы.

4. Разработана новая методология синтеза виброударных систем, реализующих предельные циклы движения с заданными характеристиками.

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов

обеспечепа установлением адекватности математической модели, подтвержденной близостью результатов экспериментальных данных и математического моделирования; корректным применением законов и теорем механики, строгими математическими выкладками при решении дифференциальных уравнений, а также весьма малым отличием результатов математического моделирования и аналитического расчета при решении тестовых задач.

Практическая ценность. Программный комплекс, методы синтеза и результаты моделирования могут быть использованы при расчете и проектировании различных виброударных систем с разрывными характеристиками силового воздействия периодической структуры. Методология обработки экспериментальных данных, основанная на использовании теорем механики и интегрального исчисления, может быть применена для определения динамических характеристик виброударной системы в условиях неполной информации о ее параметрах.

Реализация результатов работы.

Работа вошла в ФЦ11 «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», ГК № П 1122.

Результаты диссертационной работы использованы предприятием ООО «Производственная компания» для построения стенда проверки прочное™ изделий из закаленного стекла, представляют практический интерес и приняты для использования в расчетных и опытно-конструкторских работах предприятия (подтверждено актом внедрения).

Методы синтеза удароактивных виброударных систем и предложенная схема использованы предприятием ООО «Ульяновский приборо-ремонтный завод» для построения стенда акустической проверки прочности материалов, представляют практический интерес и приняты для использования в расчетных и опытно-конструкторских работах предприятия (подтверждено актом внедрения).

Процедура моделирования удароактивных виброударных систем и предложенная схема использованы предприятием ООО «ТехноСтрон» для модификации измерителя прочности строительных материалов, с целью нанесения серий ударов по исследуемым образцам, представляют практический интерес и приняты для использования в расчетных и опытно-конструкторских работах предприятия (подтверждено актом внедрения).

Программный комплекс для моделирования виброударных процессов, позволяющий в мультимедийном режиме воспроизводить процесс движения ударной системы, фазовые диаграммы движения, диаграммы изменения координат и скорости ударника в переходных процессах при различных задаваемых параметрах системы, используется в лекционных курсах и да практических занятиях по теоретической механике (подтверждено актом внедрения).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены и прошли обсуждение на III Всероссийском совещании-семинаре заведующих кафедрами теоретической механики вузов Рос-

сийской Федерации (Пермь, 2004); международной конференции «Континуальные алгебраические логики, исчисления и нейроинформатика в науке и технике» (Ульяновск, 2005); 6-й и 7-й Международных конференциях «Математическое моделирование физических, технических, экономических, социальных систем и процессов» (Ульяновск, 2005, 2009); Международной научно-практической конференции «Наука и производство - 2009» (Брянск, 2009); Международной научно-практической конференции «Наука сегодня: теоретические аспекты и практика применения» (Тамбов, 2011); XXIII Международной инновационно-ориентированной конференции молодых учёных и студентов (МИКМУС-2011, Москва); на научно-технических и научно-методических конференциях Ульяновского государственного технического университета (2003, 2004, 2005, 2007, 2008, 2009, 2010, 201,1).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, в том числе 3 статьи опубликованы в журналах из списка ВАК, 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 184 наименований и приложений. Основной текст изложен на 193 листах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность постановки и задачи исследований; определено содержание решаемых задач; отражена научная новизна диссертационной работы.

В первой главе показано широкое применение удароактивных виброударных устройств в различных технических системах, анализируется состояние исследований динамических процессов и предельных циклов движения виброударных систем. Сделан анализ исследований удароактивных виброударных систем, выполненных отечественными и зарубежными учеными.

Рассмотрение виброударных систем с различными связями (пневматическими, гидравлическими, пневмогидравлическими, электромагнитными) обнаруживает их существенные и довольно многочисленные отличия. Из-за большого разнообразия изучаемых систем, каждой из которых присущи свои особенности, возникают сложности как в их сопоставительном анализе, так и в построении концепции рационального рабочего процесса. С целью формирования такой концепции исследователи обращаются к наиболее общей динамической схеме изучаемых систем, представляя ее в виде поступательно движущегося тела, на которое действует некоторое переменное во времени возмущение.

Общность этой схемы проявляется в том, что путем соответствующего выбора силовой функции с ее помощью можно представить виброударные системы с периодическим силовым воздействием, с силовым воздействием по положению ударной массы, с упругими и без упругих связей, с различными диссипативными связями, с различными типами энергопреобразователей.

Среди возможных представляет интерес такая силовая функция, которая наиболее эффективно обеспечивала бы заданную удароактивность виброударной системы. Исследования по оптимизации удароактивных систем (Бабицкий В. И., Израилович М. Я., Лавендел Э. Э., Виба Я. А., Нагаев Р. Ф., Ашавский А. М. и другие) показывают, что такому условию отвечает кусочно-постоянное силовое воздействие.

Но второй главе рассмотрена обобщенная динамическая схема движения виброударной системы (рис. 1), представленной в виде движущегося вдоль оси х тела т, на которое действует некоторое неременное во времени возмущение с разрывами в моменты переключения сил. При движении объекта происходят его удары с ограничителем, положение которого определяется координатой хс.

Р(0 „

т X

/

7-И,

(

Рис. 1. Схема пиброударной системы и диаграмма силы /'(/) Математическая модель виброударной системы описывается уравнениями: т-х =/■>((), х((0)=.х0, х(г0)=х0,

( > ¡Р^-ЦТ+^КгТ, " ' '

при х = хс, если х~ > 0, то х+ =- , где х0 — координата массы в начальный момент времени при г = ~ ско~ рость ударной массы в начальный момент времени; хс - координата ограничителя; х- скорость ударной массы перед столкновением с ограничителем; х*~ скорость ударной массы после столкновения с ограничителем; И - коэффициент восстановления скорости при ударе.

Методом припасовывания решений дифференциальных уравнений, описывающих смежные интервалы движений, разделенные моментом удара, построены аналитические зависимости, определяющие параметры движения на различных интервалах. Описан режим движения, когда возникает явление дребезга. Число соударений при дребезге стремится к бесконечности, однако общее время гс таких соударений конечно и определяется следующим образом:

= Ч +(-х0±^х02-2А1 (х0-хс))/ Л,; А, = Р,/т;

))" — скорость нанесения удара в момент времени I = ( .

Если / < то многократный ударный режим движения ударной массы заканчивается еще в первой фазе действия силы Р(() и следует переходить к рассмотрению движения во второй фазе действия силы при следующих начальных условиях: х(С,)=хс, х(/, )=0.

Если неравенство t^ < t, не выполняется, то возникает необходимость определения конечного числа ударов массы об ограничитель до начала второй фазы действия силы P(t). Число ударов j определяется как

J =---+ 1- ^R-WJ)-,

где tq - время первого удара, R - коэффициент восстановления скорости.

При режиме многократных ударов скорость каждого последующего удара интенсивно уменьшается по закону геометрической прогрессии. Определено минимальное число ударов, после которого можно практически считать, что ударная масса находится в покое у ограничителя, пока , т. е. не наступила вторая фаза действия усилия P(t):

imm - (In s / In R)+1, где e - малая величина.

Если i>imin то можно считать, что (x(ic,))" =0, x(tci)=хс, т. е. становятся известными начальные условия для следующего этапа расчета.

Разработан проблемно-ориентированный программный комплекс для моделирования движения виброударных систем:

а) с учетом соударений, разрывных функций силового воздействия на объект, явления дребезга;

б) графическим и числовым воспроизведением параметров движения в процессе моделирования, фиксированием длительности переходных процессов и предельных циклов движения;

в) включением в систему блока случайных изменений параметров, позволяющим вводить случайное малое отклонение параметров системы;

г) включением в систему блока оценки выхода виброударной системы на установившийся режим статистическими методами.

При математическом моделировании движения виброударной системы предложена методика оценки выхода системы на установившейся режим на основе статистического анализа числовых значений предударной скорости. Этот анализ позволил путем построения парной линейной регрессии осуществлять строгую математическую констатацию выхода системы на установившийся режим движения с заданным уровнем отклонения числовых значений предударной скорости, не превышающих малую величину s.

Предложена методика оценки устойчивости вычислительного процесса на основе анализа сходимости ряда в виде числовой последовательности предударных скоростей с использованием критерия Коши. Для того чтобы ряд " у у п у

(ХлТГ—7Г~)+ где " максимальная скорость удара, а V' - ,

0 * max шах 0 ^

сходился необходимо и достаточно, чтобы последовательность его частичных сумм A',, s2, sy..,sn,... обладала следующим свойством: каково бы ни было £ > 0 , существует такое п, что при любом m > 0 l.s„Tm - sn| < е.

При вычислительном эксперименте делается выборка чисел (К -V") и расчет частичных сумм для га €(50, 100, 200, 300, 500, 1000, 5000 и т. д.), где и-число циклов. Чем меньшее значение малой величины £>0, тем большее число циклов необходимо для гарантированной констатации устойчивости процесса. Моделирование показало, что в большинстве случаев при е <0,00] можно ограничиться выборкой для 100 <п< 500.

Общий вид интерфейса программного комплекса для моделирования про-

Рис. 2. Общий вид интерфейса (процесс зафиксирован в момент нанесения удара)

В третьей главе представлены результаты моделирования виброударных систем с помощью разработанного проблемно-ориентированного программного комплекса с учетом соударений, разрывных функций силового воздействия на объект, явления дребезга, графическим и числовым воспроизведением параметров движения в процессе моделирования, фиксированием длительности переходных процессов и предельных циклов движения.

Режимы движения виброударной системы зависят от множества факторов, к числу которых можно отнести закон изменения силы Р(1), период действия силы Т, время переключения силы за период (г,),, начальное положение хп и начальную скорость х0 ударной массы, коэффициент восстановления К скорости ударника при ударе об ограничитель.

На рис. 3 представлены результаты моделирования (диаграммы перемещения х, скорости V и ускорения А ударной массы в зависимости от времени ?), когда при одних и тех же параметрах системы только за счет изменения начального положения ударной массы (х0 = 0 вместо х0=-О,5м) и смены фазы силового воздействия (рис. 3, б) обеспечивается практически с первого цикла выход на установившийся режим движения.

Рис. 3. Диаграмма 1 - перемещение х, диаграмма 2 - скорость V, диаграмма 3 - ускорение А

На рис. 4 представлены результаты моделирования виброударной системы, когда при одних и тех же параметрах при пульсирующем цикле система может прекратить движение (рис. 4, а), а в другом случае (риса. 4, б) за счет более рациональной длительности действия силы система выходит на установившийся режим.

Рис. 4. Диаграмма 1 - перемещение х, диаграмма 2 - скорость к, диаграмма 3 - ускорение Л

На рис. 5 представлены результаты моделирования, когда параметры виброударной системы вообще не обеспечивают стабильного режима движения.

Рис. 5. Диаграмма 1 - перемещение х, диаграмма 2 - скорость V, диаграмма 3 - ускорение А

Математическое моделирование виброударных систем с использованием проблемно-ориентированного программного комплекса позволило выполнить большой объем вычислительных экспериментов и установить степень влияния параметров системы и их отклонений от некоторых базовых значений на переходные процессы и предельные циклы движения виброударных систем.

В четвертой главе осуществлена проверка соответствия математической модели ударной системы реальным физическим процессам. На рис. б представлены экспериментальные осциллограммы движения ударника гидравлического ударного механизма (авторы Алимов О. Д., Басов С. А.).

ш

а) Осциллограмма скорости х ударника б) Давление в камере рабочего хода

Рис. 6. Экспериментальные диаграммы рабочего процесса: х-скорость ударника;

Р1(1) - давление в камере рабочего хода; Ус = 4,73 м/с, пи = 5,7! Гц, Рт = 5,3 М11а

В диссертации предложена методика обработки и анализа экспериментальных осциллограмм скорости ударника в условиях неполной информации о параметрах виброударной системы.

Методика основана на проведении масштабирования координатных осей, определении периода движения ударной массы, определении времени рабочего хода и холостого хода, определении усредненных значений ускорения ударной массы на участках рабочего хода и холостого хода с использованием теоремы об изменении количества движения ударника и теоремы о среднем значении подынтегральной функции на рассматриваемом интервале времени.

Предложенная методика обработки экспериментальных осциллограмм позволила получить необходимые исходные данные для математической модели виброударной системы, чтобы провести сопоставление результатов моделирования физической модели и математической модели.

На рис. 7 представлены результаты математического моделирования движения виброударной системы.

щение ударника, диаграмма 2 - скорость ударника, диа1рамма 3 -ускорение ударника

Из представленных диаграмм видно, что процесс движения ударника периодический (период составляет Т = 0,175 с, что соответствует физической модели). Скорость ударника в момент нанесения удара Гс = 4,85 м/с (для физической модели скорость ударника V. = 4,73 м/с; различие математической и физической модели по скорости удара не превышает 3 % ).

Максимальная по модулю скорость ударника на участке холостого хода Ух = 1,65 м/с (для физической модели максимальная по модулю скорость ударника на участке холостого хода К = 1,66 м/с; различие математической и физической модели по этому параметру не превышает 1 %).

Математическое моделирование воспроизводит разрывные функции силового воздействия (соответственно, разрывные функции ускорения и скорости ударной массы). В физическом эксперименте из-за инерционности системы мгновенного изменения давления в рабочих камерах не происходит. Вследствие этого осциллограмма скорости имеет гладкий характер.

Результаты математического моделирования и физического эксперимента с наложением графиков скорости ударной массы представлены на рис. В.

Время, с

Рис. 8. Результаты моделирования движения виброударной системы с наложением графика экспериментальных данных (диаграмма 1 скорость ударной массы при физическом моделировании, диаграмма 2 - скорость ударной массы при математическом моделировании)

Это сопоставление показывает, что принятая математическая модель адекватно описывает процесс движения системы.

В пятой главе изложено решение проблемы синтеза удароактивной виброударной системы. Требуется построить закон движения л: = х{1) ударной массы т, совершающей прямолинейное движение вдоль оси х с соударениями об ограничитель (хг координата ограничителя) со скоростью х при периодическом силовом воздействии Р(1) релейного вида с периодом Т с- одним переключением силы за период в моменты времени (?,)„.

Предполагается, что удар массы т об ограничитель мгновенный, модель удара описывается равенством х*=-Я-х~, где Х+ - скорость массы после удара, Я - коэффициент восстановления скорости (0 < Я < 1).

Периодический режим движения ударной массы описывается равенствами

где (/й)„ = П'Т — время окончания периода действия силы, х((г„)п) и х((?Л)„)-положепие ударной массы в начале и в конце периода, i((/l()n)иi((/ll)(l)- скорость ударной массы в начале и в конце периода.

Возможны различные законы периодического движения ударной массы при периодическом силовом воздействии на эту массу.

1) Периодическое движение ударной массы, когда сила Р(() = /> завершает свое действие в момент времени I = (п - 1)Г +1, и ударная масса в этот момент времени наносит удар по ограничителю со скоростью х (рис. 9).

Рис. 9. Диаграмма скорости при переключе- Рис. 10. Диаграмма скорости ударной массы, нии силы в момент удара по ограничителю когда момент нанесения удара и > 1)

2) Периодическое движение ударной массы, когда момент нанесения удара / =(п-])Т+1с наступает позже времени окончания действия силы Р^

(гР( =(и-1)7, + ^1). В моменты времени = (и-1)Г + *, на ударную массу начинает действовать сила Рг, стремящаяся вернуть ее в исходное состояние и тормозящая ее до нанесения удара, если Рг < 0 (рис. 10).

3) Периодическое движение ударной массы, когда момент нанесения удара С = (п — ¡)Т + 1с наступает раньше времени окончания действия силы Р]

(/,, =(и-1)Г + /|). Скорость ударной массы после нанесения удара становится

равной х4 =-Я-х . Однако действие силы Р^ может привести к повторным многократным ударам и возникновению дребезга (рис. 11).

лю наступает раньше времени окончания действия силы I] При синтезе виброударной системы использованы теоремы об изменении кинетической энергии ударной массы, теоремы об изменении ее количества

движения, условия периодичности движения, условия соударения, условия сшивания фазовых координат на сопряженных временных интервалах рабочего цикла. Определены основные параметры, характеризующие процесс движения ударной массы: скорость нанесения удара х ; скорость после нанесения удара х ; начальная скорость х0 ■ начальная координата ударной массы х0; координата ограничителя хс; ускорение ударной массы А, при ее разгоне; ускорение ударной массы Аг при ее возврате в исходное положение; время определяющее момент переключения силы со значения Рх на значение Р2; период цикла Т\ коэффициент восстановления скорости К при ударе.

В случае, если требуется воспроизвести закон движения ударной массы по схеме, изображенной на рисунке 9, предложены следующие зависимости для расчета параметров виброударной системы, если заданы х0, неравенство (~х )<х„< Я-х~, хс, скорость х и коэффициент Я :

2(хс-х0) - 2(х„ -хс)

ТЛ= 2(^-3) +

X + х0 Я ■ X - х0 X + х„ х~ + х0

На рис. 12 представлены результаты моделирования движения ударной системы при реализации требуемых характеристик цикла (эти характеристики указаны на панели управления процессом).

Рис. 12. Диаграммы перемещения х (диаграмма I), скорости V (диаграмма 2) и ускорения А (диаграмма 3), а также фазовая диаграмма движения ударной массы

Первые циклы движения соответствуют расчетным характеристикам. Удар по ограничителю наносится со скоростью х = 10 м/с, период цикла Т = 0,067 с.

Однако после пятого удара происходит «затягивание» движения в режим, когда удар по ограничителю наносится до момента переключения силы < г,. Процесс затягивания четко прослеживается на фазовой диаграмме у = , воспроизводимой на фазовой плоскости. Ударная система выходит на устойчивый предельный цикл движения, но со скоростью удара х = 5,4 м/с.

Поддержать выполнение условия 1С =г, для ударной системы под действием периодической силы релейного типа, когда время нанесения удара и время переключения силы совпадают, проблематично без специальных мер стабилизации.

В случае, если требуется воспроизвести закон движения ударной массы по схеме, изображенной на рисунке 10, к основным параметрам необходимо добавить координату ударной массы ) в момент переключения силы Р, при 1 = (или коэффициент кх); скорость ударной массы х(>,) при / = /, (или коэффициент время определяющее момент нанесения удара. В этом случае имеем следующие зависимости для расчета параметров виброударной системы:

2(х(?,)-х[)) Л,

х -(\~к„) . + _ ._ „ х„-х+ /., | . и ^о-*

',='.+ \ -> , Г = + , х02<(х(О)2, —1.

л я

Рис. 13. Диаграммы перемещения х (диаграмма 1), скорости v (диаграмма 2) и ускорения А (диаграмма 3) , а также фаяовая диаграмма движения ударной массы

Если, например, виброударной системе требуется обеспечить скорость удара .г = 10 м/с при начальном положении ударной массы х0 = -0,15 м; коэффициенте кх= 0,4; коэффициенте к = 1,0075; положении ограничителя Х.= о, коэффициенте восстановления Я= 0,2, то определяя параметры системы по предложенным расчетным зависимостям (эти параметры приведены на панели управления, рис. 13), реализуем устойчивый периодический режим движения.

В случае, если требуется воспроизвести закон движения ударной массы по схеме, изображенной на рисунке II, то к основным параметрам, помимо перечисленных выше, необходимо добавить время (т, определяющее длительность дребезга и время 12, определяющее длительность действия силы Р2. В этом случае имеем следующие зависимости для расчета параметров виброударной системы:

/1,(1-Л)'

хг0(1~(Щ)/х0)2 т 2(х0-х„)

X +Х0 4(1-Л)' 2 2(хй-хс) ' 1 х0(1 + (^)/х0)"

На рис. 14 представлены результаты моделирования движения виброударной системы при реализации вычисленных характеристик цикла, указанных на

панел

Рис. 14. Диаграммы перемещения х (диаграмма 1), скорости V (диаграмма 2) и ускорения Л (диаграмма 3), а также фазовая диаграмма движения ударной массы

Процесс движения периодический, обеспечиваются силовое воздействие Р2 (а, следовательно, и А2) меньше нуля и предударная скорость х~ = 10 м/с. Удар об ограничитель происходит раньше, чем заканчивается действие силы Рг Действие силы Р1 направлено на то, чтобы удержать ударник у ограничителя. Возникает дребезг ударной массы, который гасится при В этот момент координата ударника ) = = 0, его скорость х(/,) = 0. Фазовая диафамма (рис. 14) имеет четко выраженный предельный цикл.

Виброударная система, когда первый удар по ограничителю наносится на интервале (п - 1)Г < (и - \)Т + 1С < пТ и длительность действия силы /> достаточна для гашения дребезга, является мало чувствительной к изменению начального фазового состояния системы.

На рис. 15 представлены результаты моделирования движения виброударной системы при начальной скорости х0 = 0 (вместо х0 = -2,5 м/с, как в предыдущем случае). Остальные параметры оставлены без изменения.

Рис. 15. Диаграммы перемещения х (диафамма 1), скорости V (диаграмма 2) и ускорения А (диаграмма 3) ударной массы при х0 = -0,125 м; х0 = 0 м/с; Л, = 375 м/с2; Л2=- 25 м/с2

Переходной процесс занимает всего один цикл. В дальнейшем процесс движения периодический, обеспечиваются силовое воздействие Р2

(а, следовательно, и А2) меньше нуля и предударная скорость х~ = 10 м/с. Заметим, что реализовать такой процесс движения проще по отношению к предыдущему случаю, так как начальная скорость ударной массы в данном случае х0= 0 (вместо х0 = -2,5 м/с, как в предыдущем случае).

Интересен для реализации режим движения, когда ударная масса в начале движения находится в состоянии покоя у ограничителя (х0 = 0 м/с, х0 = 0 м). Результаты моделирования представлены на рис. 16.

Рис. 16. Диаграммы перемещения х (диаграмма 1), скорости V (диаграмма 2) и ускорения А (диаграмма 3) ударной массы при х0 =0 м; ха =0 м/с; А, = 375 м/с"; А2 = -25 м/с

При ? = 0 ударная масса находится у ограничителя в состоянии покоя (начальная координата ударной массы х0-0 и ее начальная скорость х0= 0).

В этом состоянии ударник остается до того момента, пока не произойдет переключения силы.

Переходной процесс занимает всего один цикл. В дальнейшем процесс движения периодический.

На основе проведенных исследований предложены перспективные схемы удароактивных виброударных систем, ряд из которых принят для практического использования. В числе таких схем, как удароактивное виброударное устройство для акустического контроля свойств материала; виброударное устройство для испытания изделий на прочностные свойства в условиях ограниченного цикла нагружений; виброударный механизм с изменяющейся структурой в рабочем цикле, обеспечивающий возможность адаптации режима работы к свойствам обрабатываемой среды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации осуществлена разработка моделей, алгоритмов и нро1рамм-ного обеспечения для моделирования динамических процессов удароактивных виброударных систем с разрывными характеристиками с цслыо повышения эффективности их анализа и выбора параметров системы с устойчивым предельным циклом.

Основными результатами диссертации являются следующие:

1. Математическая модель виброударной системы с периодическим силовым воздействием релейного типа, с нелинейными свойствами ударного взаимодействия, которая по структуре близка к оптимальным системам и может служить своеобразным эталоном при построении реальных систем.

Сравнение и установление близких результатов экспериментальной и математической модели виброударной системы, показавшие, что принятая математическая модель адекватно описывает реальный процесс движения системы.

2. Аналитические зависимости для расчета параметров движения на различных интервалах переходного процесса, установившие возможность возникновения явления дребезга, определение минимального числа последовательных ударов при дребезге, превышение которого позволяет с заданным уровнем погрешности отсекать последующие малые перемещения ударника.

Эти результаты позволили решить проблему моделирования дребезга в виброударных системах и на 50 % повысить точность вычислений.

3. Проблемно-ориентированный программный комплекс для моделирования движения виброударных систем с учетом соударений, разрывных функций силового воздействия на объект, явления дребезга, графическим и числовым воспроизведением параметров движения в процессе моделирования, фиксированием длительности переходных процессов и предельных циклов движения; включением в систему блока случайных изменений параметров.

Разработанные вычислительные процедуры позволяют на порядок повысить производительность процесса моделирования и анализа результатов.

4. Оценки выхода ударной системы на установившийся режим движения с использованием визуальных оценок посредством активации граничной линии, проходящей через множество точек максимальных значений предударных скоростей, а также статистического анализа числовой последовательности предударных скоростей.

Оценки устойчивости процесса движения путем анализа сходимости ряда в виде числовой последовательности разницы предыдущего и текущего значений предударных скоростей с использованием критерия Коши при выборке чисел и расчета частичных сумм для большого объема циклов.

Эти вычислительные процедуры, в отличие от известных для данного класса систем, обеспечивают строгую математическую констатацию установившегося режима движения виброударной системы.

5. Методика расчета параметров виброударной системы при различном фазовом соотношении момента переключения сил к времени нанесения удара в предельных циклах движения.

Данная методика на порядок повышает производительность процесса расчета параметров виброударной системы.

6. Схемы удароактивных виброударных систем для использования в технических системах акустического контроля свойств материала, испытания изделий на прочностные свойства, с возможностью адаптации режима работы к свойствам обрабатываемой среды.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях.

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Манжосов В. К., Новиков Д. А. Моделирование режимов движения ударной системы при периодическом силовом воздействии // Известия Саратовского университета. Серия Математика. Механика. Информатика. - 2010, 'Г. 10, вып. 4. - С. 65 - 71.

2. Манжосов В. К., Новиков Д. Л. Предельные циклы движения ударной системы при действии силы релейного типа и ударе в момент переключения силы // Автоматизация процессов управления. - 2011, № 3 (25). - С. 14-20.

3. Манжосов В. К., Новиков Д. Л. Проблемно-ориентированный программный комплекс для моделирования движения объекта при ударах о препятствие // Автоматизация процессов управления.-2011,№4(26)-С. 86-91. .

В других изданиях.

4. Манжосов В. К., Новикова О. Д., Новиков Д. А. Моделирование задач по теоретической механике на тему «Кинематика плоского движения». Тез. докл. паучн.-метод. конф. «Современные технологии учебного процесса в вузе». УлГТУ, Ульяновск, 2003. - С. 57 - 58.

5. Манжосов ВХ, Новикова О.Д., Новиков Д.А. Моделирование и анимация при решении задач по теоретической механике на тему «Колебание материальной точки». Тез. докл. научн.-метод. конф. «Современные технологии учебного процесса в вузе». УлГТУ, Ульяновск, 2003, - С. 59.

6. Манжосов В.К., Новикова О.Д., Новиков Д.А. Моделирование задач механики на лекционных и практических занятиях// III Всероссийское совещание-семинар заведующих кафедрами теоретической механики вузов Российской Федерации. Тез. докл. Пермь: 2004. -С. 84-85.

7. Манжосов В. К., Новикова О.Д., Жилин В.А., Захаров С.С., Новиков Д.А. Моделирование движения материальной точки на наклонной плоскости с учетом вязкого трения в режиме

свободных колебаний. Тез. докл. научн.-метод. конф. «Современные технологии учебного процесса в вузе». УлГТУ, Ульяновск, 2004 - С 78 - 79

8. Манжосов В.К., Новикова О.Д.,Калашников И. II., Новиков Д. А. Моделирование ударного иагружеиия стержня // Современные технологии учебного процесса в вузе. Тезисы докладов ПМК, Ульяновск: УлГТУ, 2005. - С. 68 - 70

9. Манжосов В.К., Новикова О.Д., Бакулин И. О., Михеев В. В., Новиков Д. А. Моделирование на персональном компьютере продольной устойчивости стержня // Математическое моделирование физических, технических, экономических, социальных систем и процессов. Труды 6-й Международной конференции. Ульяновск: УлГУ, 2005. -С. 83 — 85.

10. Манжосов II К., Новикова О. Д., Новиков Д. А. Синтез виброударной системы при периодическом силовом воздействии Н Вестник УлГТУ. - 2008. № 1. - С. 32 - 36

И. Манжосов В. К., Новиков Д. Л. Обобщенные параметры движения плоского рычажного механизма // Прикладные задачи механики: сборник научных трудов. - Ульяновск- Ул-ГГУ, 2008. - С. 49 - 65.

12. Маижосо-в В. К., Новиков Д. А. Модель плоского рычажного механизма // Вестник УлГТУ. - 2009. № 1. - С. 26 - 30.

13. Манжосов В. К., Новикова О. Д., Новиков Д. А. Моделирование движения плоского рычажного механизма с воспроизведением результатов моделирования на мониторе персонального компьютера // Труды 7-й Международной конференции «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов» Ульяновск: УлГУ, 2009. - С. 183 - 184.

14. Новиком Д. А., Манжосов В. К. Моделирование движения плоского рычажного механизма // Материалы Межд. Научно-практической конф. «Паука и производство - 2009», часть 1. - Брянск: Брянский гос. техн. университет, 2009. - С. 338 - 339.

15. Манжосов В. К., Новиков Д. А., Корпяков Д. Е„ Муромцев И. И. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010614035 «Моделирование виброударной системы при периодическом силовом воздействии с учетом явления дребезга». Зарегистрировано в Реестре прогр;1мм для ЭВМ 22.06.10.

16. Манжосов В. К., Михеев А. В., Новиков Д. А. Свидетельство о государственной регистрации нрофаммы для ЭВМ № 2010615003 «Моделирование движения рычажного ударного механизма». Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 01.10.10.

17. Новиков Д. А. Программный комплекс для моделирования движения ударной системы при периодическом силовом воздействии на ударную массу // Вестник УлГТУ - 2011 №1.-С.29-35.

18. Новиков Д. А., Манжосов В. К. Режимы движения виброударной системы // Труды Международной заочной научно-практической конференции «Наука сегодня: теоретические аспекты и практика применения», Тамбов, 2011. - С. 70 - 71.

19. Новиков Д. А., Бакурин В.П. Адаптивный ударный механизм переменной структуры // Труды ХХШ Международной Инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов (МИКМУС 2011), Москва, 2011. - С. 125.

20. Новиков Д. А. Моделирование переходных процессов движения виброударных систем с разрывными характеристиками // Труды ХХШ Международной Инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов (МИКМУС 2011), Москва 2011. - С. 126.

Подписано в печать 15.12.2011. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ 1327.

Типография УлГГУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, 32.

61 12-5/1340

Ульяновский государственный технический университет

На правах рукописи

Новикрв Дмитрий Александрович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ И ПРЕДЕЛЬНЫХ ЦИКЛОВ ДВИЖЕНИЯ ВИБРОУДАРНЫХ СИСТЕМ С РАЗРЫВНЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ

Специальность 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы

программ

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор

Манжосов В. К.

Ульяновск - 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 3

ГЛАВА 1. УДАРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И МЕХАНИЗМЫ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 6

1.1. Ударные технологии и механизмы. 6

1.2. Обзор исследований ударных механизмов. 15

1.3. Постановка задач исследований. 27 ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДВИЖЕНИЯ

ВИБРОУДАРНОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ПЕРИОДИЧЕСКОМ СИЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ 29

2.1. Математическая модель виброударной системы. 29

2.2. Алгоритм моделирования виброударной системы и его реализация. 34

2.3. Описание блоков программного продукта. 36

2.4. Процедуры анализа результатов численного эксперимента 45 при моделировании виброударной системы .

2.5. Оценка сходимости ряда в виде числовой последовательности разницы предударных скоростей

с использованием критерия Коши 58

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ВИБРОУДАРНОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ПЕРИОДИЧЕСКОМ

СИЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ. 60

3.1. Закон изменения силы. 61

3.2. Влияние на процесс движения уровня действующих сил. 70

3.3. Влияние на процесс движения начального фазового состояния. 73

3.4. Влияние на процесс движения времени переключения сил 84

3.5. Влияние на процесс движения периода действия сил Т. 88

3.6. Влияние на процесс движения коэффициента

восстановления скорости ударника 93

ГЛАВА 4. ПРОВЕРКА СООТВЕТСТВИЯ

МАТЕМАТИЧЕСКОЙ И ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ВИБРОУДАРНОЙ СИСТЕМЫ. 99

4.1. Экспериментальная установка виброударной системы и экспериментальные осциллограммы. 99

4.2. Методика обработки экспериментальных осциллограмм в условиях неполной информации о виброударной системе 104

4.3. Сопоставление результатов моделирования физической модели и математической модели 111

ГЛАВА 5. СИНТЕЗ ВИБРОУДАРНОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ПЕРИОДИЧЕСКОМ СИЛОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ.

5.1. Постановка задачи синтеза виброударной системы при 115 периодическом силовом воздействии.

5.2. Синтез виброударной системы при периодическом силовом воздействии, когда момент нанесения удара и момент переключения силы совпадают. 119

5.3. Синтез виброударной системы при периодическом силовом воздействии, когда момент нанесения удара наступает раньше момента переключения силы. 136

5.4. Синтез виброударной системы при периодическом силовом воздействии, когда момент нанесения удара наступает позже момента переключения силы. 151

5.5. Определение устойчивости синтезированных систем. 177

5.6. Перспективные схемы виброударных систем. 187

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 192

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК. 194

ВВЕДЕНИЕ

Среди широкого круга проблем, связанных с изучением ударных взаимодействий, особое место занимает класс задач о систематических соударениях, реализуемых в виброударных системах.

Изучение вопросов динамики, устойчивости движения, удароактивности требует рассмотрения виброударных процессов в системах разнообразной структуры, имеющих нелинейности и подвергающихся действию различных регулярных и случайных сил.

Разнообразие конструктивных вариантов виброударных систем требует при разработке расчетных методов не только решения задач их анализа, но и развития вопросов синтеза динамической структуры с целью наилучшей реализации целесообразных форм движения.

Отыскание решений точными методами является весьма трудоемкой процедурой, ограничивающей область их приложений. Особенно затруднительным становится их использование при необходимости учета дополнительных нелинейных факторов и усложнении характера возмущений от действия случайных сил. Эта процедура становится практически трудно выполнимой, если необходимо проанализировать переходные процессы в системе и выявить предельные циклы движения динамической системы.

Решение данной проблемы может быть достигнуто при разработке эффективных процедур моделирования данных динамических систем, основанных на использовании адекватных математических моделей, визуализации процесса, представления и качественной обработки результатов моделирования.

В соответствии с паспортом специальности 05.13.18 «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ» предметом данной работы является разработка и обоснование методов математического моделирования движения виброударных систем с разрывными характеристиками.

В первой главе показано широкое применение удароактивных виброударных устройств в различных технических системах, анализируется состояние исследований динамических процессов и предельных циклов движения виброударных систем.

Во второй главе рассмотрена обобщенная динамическая схема движения виброударной системы, представленной в виде движущегося вдоль оси х тела т, на которое действует некоторое переменное во времени возмущение с разрывами в моменты переключения сил. Методом припасовывания решений дифференциальных уравнений, описывающих смежные интервалы движений, разделенные моментом удара, построены аналитические зависимости, определяющие параметры движения на различных интервалах. Описан режим движения, когда возникает явление дребезга.

В третьей главе представлены результаты функционирования программного комплекса, обеспечивающего моделирование движения виброударной системы с учетом соударений, разрывных функций силового воздействия на объект, явления дребезга, графическим и числовым воспроизведением параметров движения в процессе моделирования, фиксированием длительности переходных процессов и предельных циклов движения.

Режимы движения виброударной системы зависят от множества факторов, к числу которых можно отнести закон изменения силы период действия силы Т, время переключения силы за период , начальное положение хо и

начальную скорость ударной массы, коэффициент восстановления ^ скорости ударника при ударе об ограничитель.

В четвертой главе осуществлена проверка соответствия математической модели ударной системы реальным физическим процессам. Это сопоставление показывает, что принятая математическая модель адекватно описывает процесс движения системы.

В пятой главе изложено решение проблемы синтеза удароактивной виброударной системы. Требуется построить закон движения х = х(Ч) ударной массы т, совершающей прямолинейное движение вдоль оси х с соударениями

об ограничитель (А'с - координата ограничителя) со скоростью х при

периодическом силовом воздействии ^^ релейного вида с периодом Т с

одним переключением силы за период в моменты времени .

Рассмотрены различные законы периодического движения ударной массы при периодическом силовом воздействии на эту массу.

1. Периодическое движение ударной массы, когда сила ^^ - ^

завершает свое действие в момент времени №+ Ч и ударная

масса в этот момент времени наносит удар по ограничителю со

скоростью х

2. Периодическое движение ударной массы, когда момент нанесения

г =(и-1)Г + *

удара уд с наступает позже времени окончания действия

силы 1 ( 1). В моменты времени 1 на

Р

ударную массу начинает действовать сила 2, стремящаяся вернуть ее

Р <0

в исходное состояние и тормозящая ее до нанесения удара, если 2

3. Периодическое движение ударной массы, когда момент нанесения г = (л-1)74

удара уд с наступает раньше времени окончания действия

р лр = (п-\)Т + „ силы 1 ( ° 4 у 1). Скорость ударной массы после нанесения

удара становится равной х+ =-Я-х . Однако действие силы ^ может привести к повторным многократным ударам и возникновению дребезга

На основе проведенных исследований предложены перспективные схемы удароактивных виброударных систем, ряд из которых приняты для практического использования.

ГЛАВА 1. УДДРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И МЕХАНИЗМЫ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Ударные технологии и механизмы

При выполнении различных технологических операций, связанных с обработкой, разрушением и перемещением тел, используются усилия с большими амплитудами и малой продолжительностью. Эти усилия в виде ударных импульсов генерируются силовой импульсной системой, структура которой представлена на рис. 1.1. Эта система включает в себя ударный механизм, обеспечивающий периодическое движение ударной массы и соударение ее с рабочим инструментом. Эффективная работа ударного механизма во многом определяет эффективность всей системы в целом.

2

3 \ > ........■ ........ .. .........

--. — — — -УП-

—> _ги

'У,--/ щ- — —►

/

2 Ж

X

X.

Рис. 1.1. Структура силовой импульсной системы: 1 - источник энергии, 2 - ударный механизм, 3 - опорная система ударного механизма, 4 - рабочий инструмент,

5 - технологическая среда

Известна широкая гамма устройств ударного действия, в основу которых заложены различные принципы обеспечения периодического движения ударной массы. Наибольшее распространение получили устройства гидравлические, пневматические, электромагнитные, комбинированные (пневмогидравлические, электромеханические и другие).

Гидравлические устройства ударного действия (например, отбойные гидравлические молоты) широко применяются в технологических машинах, предназначенных для разрушения горных пород, прочных и мерзлых грунтов, строительных материалов [10, 14, 16, 19, 37, 40, 43, 62, 67, 126, 167, 169]. Характерная схема такого механизма представлена на рис. 1.2.

Крыи.'Ад Нергмня [циЛЙЙра ¡«¡юрмляюадпя Р»5ашй Палец Нчжиий

«Йвпус

/ ГОДОДМ СфвМПММЛЬ

' Нлрхнря иту.чкв

'Ь кг' /

/ Ножтъ втулка

АСриь*/! оД бают

('"ЦА'11Л'1ЬКЙ1.1

Рис. 1.2. Схеме гидравлического молота

Опыт эксплуатации показывает, что машины ударного действия обеспечивают высокую эффективность работ при реконструкции и сносе строительных объектов, прокладке и ремонте коммуникаций и транспортных магистралей, проведении тоннелей, подготовке площадок под строительство (рыхление мерзлых и скальных грунтов или уплотнение грунтов), добыче полезных ископаемых.

Установка ударного механизма на мобильные транспортные средства (рис. 1.3) позволяет существенно расширить их возможности с обеспечением оперативного перемещения в технологическом пространстве.

Рис. 1.3. Установка ударного механизма на мобильные транспортные средства В современных гидромолотах применяются устройства автоматического выбора режима нагружения по энергии и частоте удара, а некоторые модели

оснащаются и автоматической системой ударного нагружения, реагирующей на изменение сопротивления технологической среды.

Гидравлические ударные механизмы (рис. 1.4) используются в технологиях для ликвидации прихватов инструмента при бурении глубоких нефтяных и газовых скважин. Для нанесения ударов требуется деформация (растяжения или сжатия) колонны труб, расположенной выше механизма.

Рис. 1.4. Ударный механизм для ликвидации прихватов колонны труб при бурении глубоких

нефтяных и газовых скважин

Широкое применение в практике получили силовые импульсные системы с применением пневматических виброударных механизмов, структура которых представлена на рис. 1.5.

Поршень-ударник 4 представляет собой ступеУ1чатый стержень. Такая конфигурация стержня обусловлена его технологическими задачами: иметь как можно большую площадь для обеспечения большей силы давления сжатого воздуха при разгоне ударника и меньшую площадь для обеспечения меньшей силы давления при возврате ударника в исходное положение.

распределитель, 6 - манометр, 7 - вентиль. 8 - маслораепределитеяь, 9 - фильтр-влагоотделитель, 10 - ресивер, 11 - компрессор, 12 - привод компрессора

Рабочий ход ударника в пневматических ударных механизмах осуществляется под действием силы, обусловленной давлением воздуха на

поршень. Перемещая ударник, эта сила совершает работу, затрачивается на увеличение кинетической энергии ударника.

которая

пф

Рис. 1.6. Принципиальная схема пневматических ударных механизмов серии I фирмы «Тамрок» [12] а. б — рабочий ход бойка; в, г — холостой ход

Принципиальная схема пневматических ударных механизмов серии Ь фирмы «Тамрок» (Финляндия) представлена на рис. 1.6 [12]. Ударник имеет ступенчатую форму, чтобы обеспечить разные значения сил на участках разгона ударника для нанесения удара и возврата его в исходное положение.

В отличии от этого схема дроссельного пневмоударного механизма (ДПУМ) построена таким образом (рис. 1.7), что обеспечивает простую конфигурацию ударника [98]. В нем отсутствуют такие недостатки, как зависимость длины ударника от величины его хода.

Сеть

Рх, Чх/

Рис. 1.7. Схема ДГГУМ(Т): 1 -предкамера; 2-камера рабочего хода; 3-камера холостого хода; 4-удариик; 5-корпус (цилиндр); 6-трубка; 7-инструмент [98]

Общий вид пневматического молота с ДПУМ и его составных частей представлен на рис. 1.8.

Рис 1.8.. Пневматический молот с ДПУМ: а) общий вид: 1 - пневмомолот, 2 - узел крепления; б) и в) составные части и разрез пневмомолота: 1 - камера рабочего хода, 2 -камера холостого хода, 3 - корпус, 4 - ударник, 5 - инструмент, 6 - воздухоподводящая трубка. 7 - пружина, 8 - предкамера [98]

Ударные технологии с использованием пневматических модотов применяются при дноуглубительных и землеройных работах в реках, каналах, бухтах, озерах, на мелководье и в водохранилищах, при забивке свай вдоль береговой линии, при добыче сапропеля на мелководных и погибающих от заиления и зарастания озерах, при работе в местах, где необходимо применение

универсальной машины, являющейся комбинацией экскаватора и ударного механизма.

Одна из схем реализации таких технологий представлена на рис. 1.9 [180].

Рис. 1.9. Применение ударных технологий при дноуглубительных работах на реках [180]

Наряду с традиционно используемыми гидравлическими и пневматическими устройствами и системами возрастающую роль играют

электрические импульсные системы и машины, реализующие непосредственное, без промежуточных звеньев, энергопреобразование.

Силовые электромагнитные импульсные системы (СЭМИС), имеющие в основе линейные электромагнитные двигатели (ЛЭМД) и обеспечивающие наилучшие условия совместимости или интеграции приводного двигателя и рабочего органа машины, представляются здесь наиболее перспективными [8, 112, 137].

Естественным является стремление построить такую схему виброударного механизма, в которой для организации периодического движения ударной массы число промежуточных устройств было бы минимальным. Это условие удается реализовать в схеме электромагнитного виброударного механизма (рис. 1.10, а). Обеспечение движения ударной массы с помощью электромагнитных сил основано на том, что рассматриваемая система при взаимодействии магнитного поля катушки с ударной массой стремится к состоянию магнитного равновесия. И если ударную массу периодически выводить из этого состояния, то под действием электромагнитных сил она будет возвращаться в исходное положение.

а) б) в) г)

Рис. 1.10. Схемы электромагнитных ударных механизмов: 1 - намагничивающая катушка; 2 - ударная масса; 3 - упругий элемент, 4 - рабочий инструмент; 5 - корпус.

Вывод ударной массы из положения магнитного равновесия может быть

осуществлен либо изменением самого положения магнитного равновесия

(например, применением двухкатушечной схемы (рис. 1. 4, г), при которой

напряжение питания подается или на одну катушку электромагнита, или на другую; либо с помощью специальных устройств (например, упругого элемента, рис. 1.10, б, в), обеспечивающего упругое равновесие системы, не совпадающее с магнитным равновесием).

Ударные технологии и ударные механизмы перспективны в применении при осуществлении программ космических исследований Луны и ближайших планет Солнечной Системы. При этом необходимо учитывать, что применение традиционных энергоносителей (пневматических или гидравлических) может оказаться просто невозможным.

Здесь предпочтительны электромагнитные и электромеханические ударные механизмы. Причем, если такой силовой импульсной системой будет оснащена автоматическая межпланетная станция, как это имело место при осуществлении космической программы «Луна-24» (рис. 1.11), то ударный механизм должен обладать адаптивными свойствами в условиях жесткого дефицита на энергообеспечение, автоматически меняя режим своей работы в зависимости от свойств технологической среды.

Рис. 1.11. Автоматическая межпланетная станция «Луна-24»

Автоматическая межпланетная станция для изучения Луны - «Луна-24», 18 августа 1976 года совершила мягкую посадку на Луну в юго-восточном районе Моря Кризисов .

Рис. 1.12. Автоматическая межпланетная станция «Луна-24»: а) взятие грунта до глубины 2 м; б) старт взлетной ступени станции для доставки лунного грунта на Землю

В процессе забора грунта до глубины 1,2 метр