автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Обоснование параметров и разработка дроссельного пневматического ударного механизма для замены трубопроводов водоотведения

На правах рукописи

Дедов Алексей Сергеевич

ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И РАЗРАБОТКА ДРОССЕЛЬНОГО ПНЕВМАТИЧЕСКОГО УДАРНОГО МЕХАНИЗМА ДЛЯ ЗАМЕНЫ ТРУБОПРОВОДОВ ВОДООТВЕДЕНИЯ

Специальность 05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 ДПР Ш

Новосибирск - 2012

005019268

005019268

Работа выполнена в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (Сибстрин) на кафедре "Строительные машины, автоматика и электротехника".

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент,

Ведущее предприятие - Сибирская государственная

автомобильно - дорожная академия (СибАДИ, г. Омск)

Защита диссертации состоится «18» мая 2012 г. в 1430 час. на заседании диссертационного совета Д 003.019.01 в Институте горного дела СО РАН по адресу: 630031, г. Новосибирск, Красный проспект, 54.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института горного дела СО РАН.

Автореферат разослан «17» апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

Абраменков Дмитрий Эдуардович

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Данилов Борис Борисович; доктор технических наук, профессор Гилета Владимир Павлович

доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Применение бестраншейных методов замены подземных водоотводящих коммуникаций в России и за рубежом обусловлено ведением работ на ограниченных участках городских территорий, включающих транспортные магистрали, различного назначения, строительные объекты и площадки, а также высокой стоимостью проведения работ траншейными методами, которые могут оказаться неоправданными по экономическим расходам на восстановление территорий городского ландшафта. Устройство траншей в некоторых случаях (пожаро- и взрывоопасные объекты) просто недопустимо.

Учитывая, что на территории Российской Федерации ежегодной замене подлежит значительная протяженность сетей водоот-ведения, становится очевидно, что решением проблемы своевременной замены трубопроводов водоотведения может быть применение бестраншейных методов. Учитывая отмеченное, исследования направленные на разработку комплектов оборудования с улучшенными техническими, энергетическими и эргономическими характеристиками являются актуальными.

Данная работа выполнялась по научному направлению гос. per. № 01940009360 Новосибирского государственного архитектурно - строительного университета "Разработка на основе импульсных систем новых и повышение эффективности существующих ручных машин и инструментов, применяемых в промышленном, гражданском и сельскохозяйственном строительстве в условиях Сибири", гранта МО РФ "Разработка научных основ баро- и термодинамической модели дроссельной пневматической машины ударного действия для технологических процессов в строительном комплексе" (№ 98-21-4; 6-146) "Разработка научных основ создания пневматической машины ударного действия с форсажем рабочего процесса" (№ ТОО-12.4-27). "Исследование механизма трансформации энергии воздуха в работу и баро- и термодинамическая теория поршневой машины ударного действия" (МО 1.3.04). Материалы исследований докладывались на ВНТК Новосибирского государственного архитектурно - строительного университета (Новосибирск, 2006 - 2011 г), ВНТК (г. Рубцовск), Расширенном научно - техническом семинаре (г. Самара, 2011 г).

Целью работы является разработка дроссельного пневматического механизма машины ударного действия для бестраншейной замены трубопроводов водоотведения с улучшенными эргономическими, техническими и энергетическими характеристиками.

Идея работы заключается в улучшении показателей рабочего цикла пневматической машины ударного действия за счет применения камеры форсажа, расположенной со стороны камеры холостого хода.

Объект исследований. Пневматические машины ударного действия для проходки подземных скважин, протяжки труб водоотведения бестраншейным методом для эксплуатации в городских условиях.

Предмет исследований. Зависимости энергетических параметров от геометрических соотношений рабочих объемов камер и проходных сечений впускных дроссельных каналов, координат расположения элементов системы форсажа и выпускных каналов дроссельного пневматического ударного механизма. Задачи исследования.

1. Обоснование направлений совершенствования существующих пневмоударных машин для реконструкции инженерных коммуникаций водоотведения.

2. Выбор и обоснование принципиальной схемы пневматического ударного механизма

3. Исследование взаимозависимостей параметров рабочего процесса пневматического ударного механизма.

4. Определение рациональных соотношений энергетических параметров рабочего процесса и уточнение методики инженерного расчета пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода.

5. Создание экспериментального образца пневматического ударного механизма, и его исследование в лабораторных условиях.

Методы исследований. В работе применялся комплекс методов: статический анализ и обобщение результатов известных опытов; теоретические разработки с использованием методов механики; математическое и физическое моделирование рабочего процесса пневматического ударного механизма с целью установления рациональных соотношений между энергетическими и геометрическими параметрами; экспериментальные исследования

эффективности разработанного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода и сопоставление результатов с полученными другими в подобных исследованиях.

Основные научные положения, защищаемые автором:

1. Уменьшение габаритных размеров и массы, дроссельного пневматического ударного механизма, у которого длина ударника не зависит от величины его хода и ударник является единственной подвижной деталью в системе воздухораспределения достигается применением камеры форсажа холостого хода и подвижной центральной трубки воздухоподвода, при этом энергия и частота ударов повышается до 10 %.

2. Устойчивость энергетических параметров механизма с камерой форсажа холостого хода достигается выбором его рациональных геометрических параметров и обеспечивается следующими значениями геометрических соотношений: объёмов камер холостого хода и форсажа от 3 до 5; площадей проходных сечений дросселя впуска из предкамеры в камеру форсажа и дросселя впуска в камеру холостого хода от 8 до 10; площадей проходных сечений дросселей впуска и выпуска из камеры форсажа и дросселя впуска из предкамеры в камеру форсажа холостого хода от 5 до 7; координат начала впуска воздуха из камеры форсажа в камеру холостого хода и начала выпуска воздуха в атмосферу из камеры холостого хода от 0,3 до 0,5.

3. Увеличение энергии единичного удара до 19 %, частоты ударов до 5 %, удельного расхода воздуха до 22 % и удельного съема мощности с единицы площади ударника до 14 %, достигается при коэффициенте отскока ударника от хвостовика рабочего инструмента от 0,1 до 0,4 в диапазоне изменения соотношения координат начала впуска воздуха из камеры форсажа в камеру холостого хода и начала выпуска в атмосферу из камеры холостого хода от 0,2 до 0,5.

Достоверность научных положений. Основана:

- анализом направлений совершенствования пневматических ударных механизмов с воздухораспределением ударником (по патентным материалам за период с 1877 по 2011 гг.);

- анализом математических моделей и методов расчета рабочих процессов пневматических ударных механизмов машин с различными типами воздухораспределения (за период 1900 - 2011 гг);

- сопоставлением параметров рабочего процесса дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода, полученных при аналогичных исследованиях другими авторами;

- анализом результатов моделирования рабочих процессов с различными настройками основных энергетических параметров, геометрических соотношений и коэффициентов отскока ударника от рабочего инструмента;

- исследованием на ЭВМ и в лабораторных условиях образца пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода и подвижной центральной трубкой воздухоподвода.

Научная новизна заключается:

- в разработке на уровне изобретений (патенты РФ №№ 2301890, 2327872, 2336989, 2336990) принципиальных схем дроссельных пневматических ударных механизмов с управляемым перепуском воздуха между рабочими камерами и дроссельных пневматических ударных механизмов с камерой форсажа холостого хода и подвижной центральной трубкой воздухоподвода;

- в разработке математической модели, описывающей рабочий процесс дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода с подвижной центральной трубкой воздухоподвода;

- в установлении взаимозависимостей и закономерностей между основными энергетическими параметрами и геометрическими соотношениями между объемами рабочих камер, площадями проходных сечений дросселей впуска, форсажа и выпуска воздуха из камер;

- в установлении аналитических и графических зависимостей для инженерного расчета основных геометрических параметров дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода и подвижной центральной трубкой воздухоподвода в диапазоне до трех порядков изменения энергии единичного удара, приемлемого для конкретных условий эксплуатации машин ударного действия.

Практическая значимость заключается в разработанной инженерной методике расчета дроссельного пневматического ударного механизма с заданной структурой ударной мощности с камерой форсажа холостого хода пневматической машины удар-

ного действия для реконструкции систем водоотведения бестраншейным методом для эксплуатации в городских условиях.

Личный вклад автора состоит в формулировании цели и общей идеи работы, выполнении теоретической части, моделировании на ЭВМ и участии в экспериментальной части исследований, анализе и обобщении результатов, разработке методики расчета дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода, которая позволяет определить геометрические параметры по заданным: энергии и частоте ударов.

Реализация работы:

1. Методики расчета дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода переданы предприятиям:

- Рубцовский филиал ОАО НПК "Уралвагонзавод".

2. Результаты работы внедрены в учебный процесс для студентов специальности 270113 "Механизация и автоматизация строительства".

Апробация работы. Результаты исследований обсуждались и были одобрены на международных и всероссийских НТК и научных семинарах в Самарском ГАСУ, Сибирской автомобильно-дорожной академии (СибАДИ), Новосибирском ГАСУ, Рубцовском филиале АлтГТУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 22 научные работы, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 4 патента на изобретения РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, библиографического списка, приложений и включает 172 страницы машинописного текста, в том числе 99 рисунков, 11 таблиц, библиографический список из 105 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Приложения содержат 61 страницу, в том числе 39 рисунков и 34 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, представлена научная новизна и практическая значимость. Отмечен личный вклад автора, показаны реализация и апробация работы, приведены ее объем и структура.

В первом разделе (состояние средств механизации водоот-ведения, задачи исследования) показано общее состояние проблемы реконструкции инженерных коммуникаций водоотведения и состояние существующих средств механизации бестраншейных методов реконструкции. Выполнен анализ конструктивных исполнений пневмоударных машин, как основного оборудования комплектов реконструкции систем водоотведения бестраншейным способом. Анализ показал, что подавляющее большинство пневмопробойников зарубежных и отечественных фирм имеют бесклапанную систему воздухораспределения.

Отмечена необходимость улучшения эргономики за счет снижения габаритов и массы, увеличения ударной мощности, долговечности и надежности пневмоударных машин с целью повышения производительности при реконструкции сетей водоотведения. На основании анализа состояния вопроса механизации сформулированы цель и задачи исследования.

Во втором разделе (выбор и обоснование принципиальной схемы пневматического ударного механизма и разрушающего органа пневматической машины ударного действия для замены трубопроводов водоотведения) приведены обоснование и выбор схемы пневматического ударного механизма для машины ударного действия, как основной машины комплекта для реконструкции систем водоотведения. Рассмотрена и обоснована схема передачи ударного импульса на хвостовик рабочего инструмента и режущий колпак.

Выбор схемы ударного механизма проведен с учетом следующих требований: простота и технологичность конструкции; минимальные размеры и масса; гарантированный запуск и устойчивая работа в любом пространственном положении и в широком диапазоне изменений давления и температуры воздуха, подводимого к механизму, коэффициентов отскока ударника от инструмента и изменений соотношений геометрических параметров впуска, перепуска, форсажа и выпуска воздуха. В наибольшей степени этим требованиям отвечает дроссельный пневматический ударный механизм а.с. СССР №247179, который был принят за основу и наделен элементами совершенствования, защищенными патентами РФ (№№ 2301890, 2327872, 2336989, 2336990). Основными элементами приняты: камера форсажа со стороны камеры

холостого хода; подвижная центральная трубка воздухоподвода и форма форсажных каналов.

На основании анализа разработанных механизмов принят механизм по патенту РФ №2336990 (Рисунок 1). Наличие камеры форсажа позволяет: изменить форму импульса холостого хода, сократить расход сжатого воздуха и повысить ударную мощность механизма.

К Л М 3 1 Б А

Рисунок 1. Дроссельный пневматический ударный механизм с камерой форсажа холостого хода и центральной подвижной

трубкой

Сжатый воздух из сети по каналу А корпуса 1 постоянно поступает в предкамеру Б, откуда по кольцевому дроссельному каналу В в камеру Г1 рабочего хода и из нее по перепускному каналу Д в аккумуляционную камеру Е. Одновременно воздух из камеры Б по каналу Ж в подвижной трубке 2 и ее щелевой канал И и далее перепускной канал К в ударнике 3, канал форсажа Л корпуса 1 поступает в камеру М форсажа и через дроссельный канал Н запуска в камеру О холостого хода.

Опорожнение камеры Е посредством камеры Г, а также камеры М посредством камеры О осуществляется через выпускной канал П периодически в зависимости от положения ударника.

Под действием разности силовых импульсов давления со стороны камер Г а О ударник совершает возвратно - поступательное движение и периодически наносит удары по инструменту 4.

Форсаж камеры О осуществляется воздухом посредством камеры М в последовательности: заполнение камеры М через каналы Ж, И, К, Л в конце рабочего хода и начале холостого ходов

ударника, до величины сетевого, и опорожнение через канал JI при сообщении с камерой О при холостом ходе.

В третьем разделе (исследование рабочего процесса дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода на математической модели).

Изучению динамики рабочего процесса пневматических ударных механизмов посвящены работы российских ученых: П.М. Алабужева, О.Д. Алимова, A.M. Ашавского, В.П. Гилеты, В.Ф. Горбунова, В.А. Григоращенко, H.H. Есина, A.JI. Исакова, H.A. Клушина, А.Д. Костылева, A.M. Петреева, Д.Г. Суворова, Б.В. Суднишникова, К.К. Тупицына, А.И. Федулова, а также работы их учеников и последователей. Положительная роль в развитии теоретических исследований принадлежит М.А. Мамонтову в области термодинамики переменного количества газа, Е.В. Герц и Г.В. Крейнену по приводам машин - автоматов, Л.А. Залманзону по элементам и системам пневмоники. Их работы оказали существенное влияние на развитие теории дроссельных пневматических ударных механизмов (ДПУМ), отличие которых характеризуется наличием только одного подвижного элемента в системе -ударника и независимостью длины ударника от его хода.

Исследованию ДПУМ, как нового класса пневматических ударных механизмов, посвящены работы Д.Э. Абраменкова и Э.А. Абра-менкова, H.A. Клушина. A.A. Кутумова, А.М. Петреева, А.Г. Бога-ченкова, Т.Ю. Виговской, C.B. Гаршина, A.A. Липина, Л.Л. Лысенко, Р.Ш. Шабанова, В.В. Чичканова и др. Однако результаты этих исследований не могут быть полностью распространены на ДПУМ с камерой форсажа холостого хода (ДПУМ(ФХ)) и центральной воздухораспределительной трубкой, что объясняется принципиальными отличиями в системе воздухораспределения. Учитывая перспективность применения ДПУМ(ФХ) в качестве основного в машинах для бестраншейной замены труб водоотведения, возникла необходимость разработки и исследования математической модели данного типа

При математическом описании модели в размерном виде приняты следующие допущения: состояние воздуха подчиняется уравнению Клапейрона; течение воздуха по каналам, включая дроссельные, квазистационарное; связь между давлением и температурой воздуха в рабочих камерах описываются уравнением политропы; параметры воздуха по всему объему рабочей камеры одинаковы; изменение

скорости ударника в момент удара происходит мгновенно и определяется значением коэффициента отскока ударника от инструмента; трубка подвижна только в радиальном направлении; перемещение корпуса пренебрежимо мало в сравнении с перемещением ударника.

Для упрощения первоначальная принципиальная схема модернизирована с исключением центральной трубки (рисунок 2) из расчетной схемы.

ер

Рисунок 2. Упрощенная расчетная схема дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода

На расчетной схеме (рисунок 2) обозначены: Ху, Ьу, 5У - перемещение, длина и площадь сечения ударника; Н, В, С, Ы' - соответственно координаты отсекающих кромок срезов каналов выпуска и форсажа; е, а - соответственно ширина каналов выпуска и щели в трубке; Ги - усилие нажатия на корпус; ®ар» 05ах, шр, сох, <вп0, сохф - соответственно проходные сечения каналов выпуска, впуска в камеры рабочего и холостого ходов, предкамеру и из камеры форсажа в камеру холостого хода.

Для принципиальной схемы составлено математическое описание в виде системы уравнений (1):

dpjdt = k [FF(G)no(pno - (Dincp4,n - cop(pp - coxcpx)]/Fn, dptjdt - k [^(ca^ip^n - cox^tpx4, +sign (yx<№*))]/^ dpjdt = k [ff(a>p9p - coapCpap + sign (yx^) + sign (y^Vyx) + sign (yyrVyr)) +pp(dxy/dt) Sy]/[Vp-XySy], dpjdt = k [ff((»xq>x - M«x9ax + cox4,cpx4, + co,xq)3x + + Sign (yx^) + Sign (yyKV|/ylt) +sign (co3X(p3X)+ + sign (yyr^yr)) -px (dXy/dt) Sy]/[Vx+xKSyi;

dQJdt = 8n [fF(tonocpnonno - co^cp^Q^ - (OpCppQp - coxcpxS7x)]/pnKrT, dtydt = % [^(co^ni^n + sign (00x^4,4$))]/^^,

dQp/dt = 0P [fT(cop(ppnp - C0ap9ap^ap + sign (yx$V|fx$Qx$) + < + sign (y^yxflyO + Sign (yyrVy^yr)) + (1)

+ {k-\)pv (dxy/dt) ,

dQJdt = ext^(a)x(pxfix-(oax9flxQax+cox4,cpxlj)nxii +Ga3X93,Ax + + sign (yxiyxi£lxi)+sign (co„(p3xa,x)+sign (yy*v(/}1taj^)+ +Sign (yy^y^yr)) - (k-\)px{dxy/dt)Sy\l\px(Vx+xySy)};

d2Xyld? = [Syip^p^+signiFy^+Fy^rmy при Xy>0,

(dxjdt)0 = -kynidxyldfjy при xy<0;

d2xjdf = [{Sy-SK)(px-pp)+sign(FyJ-FnymK при x^O,

(dxjdt) о = -km(dxjdi)y при xR<0;

d2xM = [S^px-p^+sign{Fyr)\lmr при x^O,

(dx-Jdt)0 = -kJidxJdt\ при xT<0.

Параметры с индексами "т", "к", "р", "х", "ф"," у", "а", "с", "п" относятся соответственно к трубке, корпусу, камерам рабочего, холостого хода, форсажа, ударника, атмосфере, сети, предкамеры.

Наличие двух букв в индексе указывает: "куда - откуда" происходит истечение воздуха.

Обозначения в системе уравнений (1) имеют следующий физический смысл:

Рт Рф, рР, рх - давления воздуха в предкамере и камерах форсажа, рабочего и холостого ходов;

К, Уф, Ур, К - объемы предкамеры, камер форсажа, рабочего и холостого ходов;

сопо, (ор, сох, <Офп, соХф, юзх - площади проходных сечений дросселей впуска в предкамеру и камеры рабочего и холостого ходов,

из предкамеры в форсажную камеру и из нее в камеру холостого хода, а также канала запуска;

<взр, Юах - площади проходных сечений каналов на выпуске отработавшего воздуха из камер рабочего и холостого ходов;

фпо, Ффп, фпсфр, фх, фзх - функции впуска воздуха в предкамеру, камеру форсажа и из нее в камеру холостого хода, в камеру рабочего и холостого ходов и канал запуска;

Лар, Ох, Паф - функции расхода воздуха в зависимости от изменения температуры на выпуске в атмосферу из камер рабочего и холостого ходов, камеры форсажа;

\]/ук, \|/хф - функции расхода через кольцевой зазор между ударником и корпусом, ударником и трубкой при расположении ударника в камере рабочего и холостого хода при перекрытом ударником канале форсажа и открытом канале выпуска;

Пр, Д„ £2Хф, Цх - функции расхода воздуха в зависимости от изменения температур со стороны камер рабочего и холостого ходов, камеры форсажа и через канал форсажа^

уук, у^, ухф - площади проходных сечений каналов, на котором осуществляются перетечки;

IV = \2kRKk-1)]1/2; Л- газовая постоянная; ¿-показатель процесса;

0П, 0ф, 0Р, 6Х - температура воздуха в предкамере и камере форсажа, рабочего и холостого ходов;

£уи> - коэффициенты "отскока" ударника и корпуса от

инструмента и трубки от корпуса;

•Руг, Рук, - силы трения ударника о трубку и корпус и сила нажатия на корпус;

ху, д:к, хт - перемещение ударника, корпуса и трубки;

5И, 5Т - площади диаметральных сечений ударника, инструмента и трубки; / - время;

шу, тк, тТ, - масса ударника, корпуса и трубки. Термодинамические функции впуска и выпуска представлены в виде:

0,5283 > £5- р]л/9] • 0.2588,

VI

Фу =

0,5283 Р^Г ~ (Р1/Р})^'к,

(2)

0,5283 > — ~Р1^вг 0.2588,

0,5283 < -р^ •

(3)

= |Фу>О|Л-(в,/0/), к-1.

(4)

В четвертом разделе (исследование энергетических параметров пневмоударного механизма с камерой форсажа холостого хода) с использованием моделирования выполнена качественная и количественная сравнительная оценка основных параметров пневматических ударных механизмов с камерой форсажа и механизма без камеры форсажа холостого хода. Осциллограммы рабочих процессов (рисунок 3), подтверждают устойчивость всех параметров начиная со второго цикла после "запуска".

Осциллограммы расходов воздуха (рисунок 4) камерой холостого хода и их долевое участие в процессе форсажа и запуска стабильно устойчивы. Наличие камеры форсажа позволяет снизить противодавление воздуха в камере холостого хода и повысить скорость соударения при снижении расхода до 11,5 % и удельного расхода до 14 % за цикл. Отмеченное повлияло на структуру расхода воздуха (м3/Вт), (м3/Дж) и (м3/Гц), которые у механизма с камерой форсажа ниже соответственно на 7,76; 6,19 и 16,21 % в сравнении с механизмом без камеры форсажа. Взаимозависимости между давлениями воздуха и координатами каналов впуска из предкамеры в камеру форсажа и из нее в камеру холостого хода характеризуются различием от начала открытия и в конце полного открытия на (42-44) %. При этом давление воздуха в предкамере и перепускном канале на впуске в камеру форсажа отличается до 4,2 %, что подтверждает большую экономичность нового пневматического механизма с камерой форсажа холостого хода.

г, с

Рисунок 3. Осциллограммы рабочих процессов в камерах

механизма

0,4 0,42 0,44 0,46 0,48 0,5 0,52

Рисунок 4. Осциллограммы расхода сжатого воздуха камерами механизма

Изменение температуры воздуха в камере рабочего хода показывает тенденцию ее снижения в механизме с камерой форсажа: максимальная, в начале выпуска в атмосферу и в конце выпуска, соответственно на 3,84; 3,91 и 15,63 %. что указывает на более высокое использование внутренней энергии сжатого воздуха в рабочем цикле.

Изменение температуры воздуха в камере холостого хода в начале выпуска в атмосферу имеет тенденцию к увеличению до 9,18 %, а при соединении с камерой форсажа до 14,43 %. Температура воздуха в камере форсажа в начале ее наполнения составляет 274,06 К, а в начале соединения с камерой холостого хода возрастает на 31,48 %, что подтверждает наличие форсажного

в, кг/с

0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05

процесса в камере холостого хода. Таблицы, показывающие изменения давления и температуры воздуха в камерах представлены в тексте диссертации.

КПД по использованию температуры воздуха в камерах на характерных участках рабочего цикла механизма следующий:

- от начала выпуска до конца выпуска воздуха из камеры рабочего хода в механизме с камерой форсажа составляет 0,30 в сравнении с 0,22 для камеры рабочего хода без камеры форсажа;

- в камере рабочего хода на участках от максимальной температуры воздуха до температуры воздуха начала выпуска в атмосферу для обеих механизмов практически одинаков и составляет 0,167;

- в камере холостого хода от максимальной температуры воздуха до температуры начала запуска для механизма с камерой форсажа составляет 0,269, для механизма без камеры форсажа 0,259;

- в камере форсажа на участке от максимальной температуры воздуха до температуры начала сообщения с камерой холостого хода составляет 0,127.

КПД по использованию давления воздуха в камерах на характерных участках рабочего цикла механизма следующий:

- в камере форсажа на участке от максимального давления воздуха до давления начала сообщения с камерой холостого хода составляет 0,594;

- в камере холостого хода от максимального давления воздуха до давления сообщения с камерой форсажа составляет 0,579 и до начала выпуска в атмосферу 0,567 против 0,425 для механизма без камеры форсажа;

- в камере рабочего хода от максимального давления воздуха, до начала выпуска в атмосферу механизма с камерой форсажа и механизма без камеры форсажа составляет соответственно 0,162 и 0,175;

- в камере рабочего хода от максимального давления воздуха, до окончания выпуска в атмосферу у механизма с камерой форсажа и механизма без камеры форсажа составляет соответственно 0,823 и 0,809.

Рассмотрено влияние коэффициента отскока ударника от инструмента Установлены рациональные соотношения геометрических размеров и энергетических параметров дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа, позволяю-

щие получить увеличение удельного съема мощности с единицы диаметральной площади ударника и снижение удельного расхода воздуха:

- коэффициент отскока &у=0,1-0,4 в диапазоне отношений у=С/Ях=0,2-0,5 обусловливает устойчивый режим работы и приводит к увеличению энергии единичного удара на 19,38 %, частоты ударов на 5,13 %, удельного съема мощности с единицы площади ударника на 14,86 %, снижение удельного расхода воздуха на 22,44 %, расхода воздуха на 2,66 %.

Рассмотрены значения ожидаемых параметров по шуму и вибрации. Результаты расчетов значений помещены в тексте диссертации.

В пятом разделе (взаимозависимости энергетических и геометрических параметров модели пневмоударного механизма) экспериментальными исследованиями зависимостей энергетических параметров в зависимости от базовых геометрических размеров пневматического ударного механизма с камерой форсажа установлены диапазоны рациональных значений соотношений:

ЯфРац= = «фрац = ^ = 8-10;

Яфх рац = ^ = 5- 7; у = £ = 0,2- 0,5.

шфп "X

Рациональные значения Лф, а^, афХ, у позволили разработать методику инженерного расчета дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа, которая представлена в тексте диссертации в разделе 5. Методика позволяет рассчитать основные геометрические размеры механизма с любым сочетанием энергетических параметров мощности при заданном ограничении по удельному расходу воздуха.

Заключение.

В диссертации, являющейся научно - квалификационной работой, изложены научно обоснованные технические решения, имеющие существенное значение для развития страны, заключающееся в разработке высокоэффективных и надежных дроссельных пневматических ударных механизмов с камерой форсажа холостого хода с уменьшенными габаритами и массой и необхо-

димой структурой ударной мощности, для реконструкции систем водоотведения бестраншейным методом.

В работе получены следующие новые результаты:

1. Разработаны новые принципиальные схемы дроссельных пневматических ударных механизмов с камерой форсажа и подвижной центральной трубкой (патенты РФ №№ 2301890, 2327872, 2336989, 2336990) воздухоподвода, позволяющие качественно и количественно улучшить рабочий цикл механизма;

2. Разработаны и исследованы математические модели с различными соотношениями геометрических параметров, направленных на совершенствование энергетических параметров дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода;

3. Установлены рациональные соотношения геометрических размеров дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа, позволяющие получать увеличение удельного съема мощности с единицы диаметральной площади ударника и снижение удельного расхода воздуха:

- диапазон рациональных соотношений объемов Ух камеры холостого хода и камеры Гфх форсажа - Гх/Кфх = 3-5; площадей проходных сечений дросселя впуска С0фп из предкамеры в камеру форсажа и дросселя впуска Юн, в камеру холостого хода -Оф= <ВфП/шхп=8-10; площадей проходных сечений сохф впуска и выпуска из камеры форсажа и дросселя Юфа впуска из предкамеры в камеру форсажа холостого хода - Офх= шхф/а>фп=5-7, координат С начала впуска воздуха из камеры форсажа в камеру холостого хода и Нх начала выпуска воздуха в атмосферу из камеры холостого хода - у=С/Ях=0,2-0,5;

- при ку = 0,1-0,4 в диапазоне отношений у = 0,2-0,5 обусловливает устойчивый рациональный режим работы и приводит к увеличению энергии единичного удара на 19,38 % частоты ударов на 5,13 %, удельного съема мощности с единицы площади ударника на 14,86 %, снижению удельного расхода воздуха на 22,44 %, расхода воздуха на 2,66 %;

4. Разработана методика инженерного расчета дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода и подвижной центральной трубкой воздухоподвода и рекомендации, которые позволяют рассчитать основные геометрические

размеры механизма с любым сочетанием энергетических параметров, при заданном ограничении по удельному расходу воздуха;

5. Создан экспериментальный образец пневматической машины ударного действия с дроссельным пневматическим ударным механизмом с камерой форсажа холостого хода и центральной подвижной трубкой. По металлоемкости на единицу ударной мощности машина выгодно отличается от зарубежных аналогов и не уступает отечественным образцам.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Пат. 2301890 Российская Федерация, B25D9/04, Е21В1/30, Пневматическое устройство ударного действия с дроссельным воздухораспределением / Д.Э. Абраменков, Э.А. Абраменков, A.C. Дедов, В.А. Емельянов, Ю.Э. Малышева, A.B. Шапорев; заявитель и патентообладатель НГАСУ(Сибстрин) / 2006125891/02. заявл. 17.07.2006, опубл. 27.08.10, Бюл. № 18. - 10 с.

2. Пат. 2327872 Российская Федерация, Е21С37/00, B25D9/14, Пневматическое устройство ударного действия с дроссельным воздухораспределением / Д.Э. Абраменков, Э.А. Абраменков, Д.В. Браун, A.C. Дедов, Г.А. Мазалов, Д.Б. Поцелуев; заявитель и патентообладатель НГАСУ (Сибстрин)/ 2006126269/03. заявл. 19.07.2006, опубл. 27.06.08, Бюл. № 18. - 10 с.

3. Пат. 2336989 Российская Федерация, B25D9/04, Е21В1/30, Пневматический молот с дроссельным воздухораспределением / Д.Э. Абраменков, Э.А. Абраменков, Н.С. Бых, A.C. Дедов, A.B. Чубаров. Ю.Э. Малышева, К.Ю. Садбаков; заявитель и патентообладатель НГАСУ (Сибстрин) / 2005121790/02. заявл. 11.07.2005, опубл. 27.10.08, Бюл. № 30.-13 с.

4. Пат. 2336990 Российская Федерация, B25D9/04, Е21В1/30, Пневматический молот с дроссельным воздухораспределением / Д.Э. Абраменков, Э.А. Абраменков, А.Г. Гаревских, A.C. Дедов, Г.А. Мазалов, Е.С. Проскурникова; заявитель и патентообладатель НГАСУ(Сибстрин)/2006125891/02. заявл. 17.07.2006, опубл. 27.10.08, Бюл. № 30.-10 с.

5. Абраменков Д.Э. Пневматический механизм ударного действия дроссельного типа с буферным циклом и форсажем камеры рабочего хода / Д.Э. Абраменков, Э.А. Абраменков, A.C. Дедов // Известия ВУЗов. Строительство. — Новосибирск: НГАСУ (Сибстрин). - 2006. - №10. - С. 58-66.

6. Дедов A.C. Влияние положения канала форсажа на рабочие характеристики дроссельного пневмоударного механизма с форсажем холостого хода / A.C. Дедов, A.C. Зверева, Д.Э. Абра-менков // Изв. Вузов. Строительство. Новосибирск, 2011. -№6(630).-С.79-86.

7. Мельникова A.C. Развитие конструкций молотов для погружения свай в грунтовые среды: исторический аспект / A.C. Мельникова, A.C. Дедов, A.B. Грузин, Д.Э. Абраменков //Изв. Вузов. Строительство. Новосибирск, 2011. - №11(635). - С. 55-62.

8. Дедов A.C. Технология бестраншейной замены трубопроводов водоотведения /A.C. Дедов, A.C. Мельникова, H.A. Попов, О.В. Ткаченко, Д.Э. Абраменков // Изв. Вузов. Строительство. Новосибирск, 2011. - №12(636). - С. 62-72.

9. Абраменков Д.Э. Классификация признаков и принципиальные конструктивные схемы пневмоударных механизмов строительных навесных молотов / Д.Э. Абраменков, А.С Мельникова, A.C. Дедов, H.A. Попов, A.B. Грузин, Э.А. Абраменков // Изв. Вузов. Строительство. Новосибирск, 2012. -№1 (637). - С. 92-100.

10. Дедов A.C. Пневматическое устройство ударного действия с дроссельным воздухораспределением / A.C. Дедов, В.Ю. Ильюченко, Д.Э. Абраменков, Э.А. Абраменков// Актуальные проблемы современности. Международный научный журнал. -Караганды. - 2007. - №2(15). - С. 283-291.

П.Емельянов В.А. Пневмоударный механизм с камерой форсажа холостого хода / В.А. Емельянов, В.Ю. Ильюченко, A.C. Дедов, Э.А. Абраменков, А.Г. Богаченков // Труды НГАСУ. - Новосибирск: НГАСУ(Сибстрин), 2006. - Т.9, №2(36). - С. 17-27.

12. Кутумов A.A. Программное и аппаратное обеспечение экспериментального исследования пневмоударного механизма навесного молота / A.A. Кутумов, Ю.Э. Малышева, A.B. Трегу-бенко, В.Э. Ладнов, A.C. Дедов // Труды НГАСУ. - Новосибирск: НГАСУ(Сибстрин), 2008.-T.il,№1(43).-С. 14-31.

13. Дедов A.C. Конструктивные варианты пневматических ударных механизмов с форсажной камерой холостого хода / A.C. Дедов, В.Ю. Ильюченко, В.А. Емельянов, Д.Э. Абраменков // Новые материалы и технологии в машиностроении. Сборник тезисов всероссийской научно - технической конференции. - Рубцовск: Рубцовский индустриальный институт, 2006. - С. 83-84.

14. Ладнов В.Э. Качественное и количественное изменение давления воздуха в камере дроссельного пневматического ударного механизма / В.Э. Ладнов, A.C. Дедов, В.Ю. Ильюченко, Д.Э. Абраменков // Сборник тезисов всероссийской научно - технической конференции. - Рубцовск: Рубцовский индустриальный институт, 2006. - С. 93-94.

15. Семьянов Д.А. Пневматический молот с дроссельным воздухораспределением и импульсным изменением давления воздуха в камере рабочего хода / Д.А, Семьянов, Д.Д. Абраменков, A.C. Дедов // Проблемы социального и научно - технического развития в современном мире. Материалы IX всероссийской научно - технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Часть 1. - Рубцовск: Рубцовский индустриальный институт, 2007. - С. 117-119.

16. Камболин A.C. Аналитический обзор существующих технологий разработки мерзлых грунтов/ A.C. Камболин, A.C. Дедов, В.Ю. Ильюченко // Материалы VIII всероссийской научно -технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Часть 1. - Рубцовск: Рубцовский индустриальный институт, 2006.-С. 152-155.

17. Пузанков И.В. Обоснование конструктивного решения пневмоударного механизма машины для замены труб водоотведе-ния / И.В. Пузанков, Д.Д. Абраменков, A.C. Дедов // Проблемы социального и научно - технического развития в современном мире. Материалы IX всероссийской научно - технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Часть 1. - Рубцовск: Рубцовский индустриальный институт, 2007. - С. 115-117.

18. Абраменков Д.Э. Влияние процесса форсажа на формирование импульса холостого хода в пневмоударном механизме / Д.Э. Абраменков, A.C. Дедов, A.B. Куликов // Сборник докладов международной научно-технической конференции. Восточно-техническая политика Республики Казахстан: проблемы и перспективы развития оборонно-промышленного комплекса. - Щучинск: Национальный университет обороны, Казахстан 2010. - С. 64-65.

19. Грузин A.B. Пневмоударный механизм с форсажной камерой холостого хода / A.B. Грузин, A.C. Дедов // Сборник докладов международной научно-технической конференции. Восточно-техническая политика Республики Казахстан: проблемы и перспек-

тивы развития оборонно-промышленного комплекса. - Щучинск: Национальный университет обороны, Казахстан 2010. - С. 68-69.

20. Дедов A.C. Пневмоударный механизм с частичным отбором и уплотнением грунта по трассе/А.С. Дедов, Е.И. Крутиков, Е.Ф. Адаховский // Проблемы социального и научно - технического развития в современном мире:- Материалы всероссийской научно - технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 70 - летию Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова 19-20 апреля 2011 г. - Рубцовский индустриальный институт: Рубцовск, 2011.-С. 161-164.

21. Дедов A.C. Пневмоударный механизм с дифференциальным ударником /A.C. Дедов, A.B. Куликов, М.С. Малышев // Проблемы социального и научно - технического развития в современном мире: Материалы всероссийской научно - технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 70 - летию Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова 19-20 апреля 2011 г. - Рубцовский индустриальный институт: Рубцовск, 2011. - С. 164-165.

22. Крутиков Е.И. Принципиальные конструктивные решения свайных молотов / Е.И. Крутиков, A.C. Зверева, A.C. Дедов // Проблемы социального и научно - технического развития в современном мире: Материалы всероссийской научно - технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 70 - летию Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова 19-20 апреля 2011 г. - Рубцовский индустриальный институт: Рубцовск, 2011. - С. 170-171.

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин)

_630008. г. Новосибирск, ул. Ленинградская. 113_

Отпечатано в мастерской оперативной полиграфии НГАСУ (Сибстрин) 1,5 п.л. тираж 100 экз. Заказ 7

61 12-5/2673

Министерство образования и науки РФ

Новосибирский государственный архитектурно - строительный

университет (Сибстрин)

Дедов Алексей Сергеевич

Обоснование параметров и разработка дроссельного пневматического ударного механизма для замены трубопроводов водоотведения

Диссертация на соискание степени кандидата наук по специальности 05.05.04 - "Дорожные, строительные и подъемно - транспортные машины"

Научный руководитель: д.т.н., доцент Абраменков Дмитрий Эдуардович

Новосибирск - 2012

Содержание

Введение 6

1. Состояние средств механизации водоотведения,

задачи исследования 12

1.1 Текущее состояние систем водоотведения в России 12

1.2 Обзор существующих методов и оборудования для бестраншейной замены трубопроводов 15

1.2.1 Замена трубопроводов с использованием гидродомкрата 15

1.2.2 Замена трубопроводов с использованием пневматической

машины ударного действия 16

1.3 Пневматические машины ударного действия для замены трубопроводов водоотведения 18

1.4 Задачи исследований 24

2. Выбор и обоснование принципиальной схемы пневматического ударного механизма и разрушающего органа пневмодвижетеля

для замены трубопроводов водоотведения 26

2.1 Основные особенности пневматических ударных механизмов 26

2.2 Пневматические ударные механизмы с дросселями впуска постоянного геометрического сечения 28

2.3 Способы реализации передачи ударного импульса от

ударника разрушаемому органу 38

2.4 Описание рабочего процесса пневматического ударного

механизма с камерой форсажа холостого хода 42

3. Математическая модель дроссельного пневматического

ударного механизма с форсажем камеры холостого хода 48

3.1 Допущения и ограничения к описанию и расчету пневматического ударного механизма 48

3.2 Построение математической модели дроссельного пневматического ударного механизма с центральной трубкой

и форсажем камеры холостого хода 50

3.3 Критерии оценки дроссельного пневматического ударного механизма центральной трубкой воздухоподвода и

форсажной камерой 59

3.4 Динамическое подобие элементов модели пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода пневмодвижетеля протяжки труб водоотведения 62

4. Численное исследование термодинамических параметров пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода 69

4.1 Оценка устойчивости параметров и работоспособности дроссельного механизма с камерой форсажа холостого хода

и дроссельного механизма без камеры форсажа 69

4.2 Оценка энергетических характеристик: давления и расхода

воздуха пневматическим ударным механизмом 76

4.3 Оценка изменений температуры воздуха в

рабочих камерах на характерных участках рабочего цикла 80

4.4 Качественные и количественные взаимозависимости параметров термодинамики g3

4.5 КПД использования производительной части воздуха в камерах

рабочего и холостого хода 90

4.6 Исследование энергетических параметров в зависимости от базовых геометрических размеров пневматического ударного механизма с камерой форсажа 94

4.6.1 Результаты исследования энергетических параметров 94

4.6.2 Результаты исследования характеристик расхода воздуха по критериям удельного расхода воздуха и удельного съема мощности с единицы площади диаметрального сечения

ударника в зависимости от геометрических критериев 108

4.6.3 Влияние коэффициента отскока ударника на удельный

расход воздуха j 23

4.6.4 Результаты исследования шумовых и вибрационных

характеристик 119 5. Экспериментальные исследования эксплуатационных показателей пневматического ударного механизма с центральной трубкой

воздухоподвода и камерой форсажа холостого хода 128

5.1 Программное и аппаратное обеспечение 128

5.2 Установление энергетических характеристик 133

5.3 Взаимозависимости между энергетическими и геометрическими параметрами 136

5.4 Установление вибрационных и шумовых характеристик 151

5.5 Методика расчета пневматического ударного механизма 152 Заключение 158 Библиографический список 160 Приложения

Приложение П. 1 173

Приложение П.2 1 зо

Приложение П.З 201

Приложение П.4 205

Введение

Актуальность темы. Бестраншейные методы замены подземных водо-отводящих коммуникаций в России и за рубежом обусловлены ведением работ на ограниченных участках городских территорий, включающих транспортные магистрали, различного назначения строительные объекты и площадки, а также высокой стоимости проведения работ траншейными методами, которые могут оказаться неоправданными по экономическим расходам на восстановление территорий городского ландшафта. Устройство траншей в некоторых случаях (пожаро- и взрывоопасные объекты) просто недопустимо.

Учитывая, что на территории Российской Федерации ежегодной замене подлежат около 16 ООО километров сетей водоотведения, становится очевидно, что решением проблемы своевременной замены трубопроводов водоотведения может быть только применение бестраншейных методов. Учитывая отмеченное, исследования направленные на разработку комплектов оборудования с улучшенными техническими, энергетическими и эргономическими характеристиками являются актуальными.

Данная работа выполнялась по научному направлению гос. per. № 01940009360 Новосибирского государственного архитектурно - строительного университета "Разработка на основе импульсных систем новых и повышение эффективности существующих ручных машин и инструментов, применяемых в промышленном, гражданском и сельскохозяйственном строительстве в условиях Сибири", гранта МО РФ "Разработка научных основ баро- и термодинамической модели дроссельной пневматической машины ударного действия для технологических процессов в строительном комплексе" (№ 9821-4; 6-146) "Разработка научных основ создания пневматической машины ударного действия с форсажем рабочего процесса" (№ ТОО-12.4-27). "Исследование механизма трансформации энергии воздуха в работу и баро- и термодинамическая теория поршневой машины ударного действия" (МО 1.3.04). Материалы исследований докладывались на ВНТК Новосибирского государ-

ственного архитектурно - строительного университета (Новосибирск, 2006 -2011 г), ВНТК (г. Рубцовск), Расширенном научно - техническом семинаре (г. Самара, 2011 г).

Целью работы является разработка дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода и центральной возду-хоподводящей трубкой машины ударного действия для бестраншейной замены трубопроводов водоотведения с улучшенными эргономическими, техническими, энергетическими характеристиками.

Идея работы заключается в улучшении показателей рабочего цикла пневматической машины ударного действия за счет применения камеры форсажа, расположенной со стороны камеры холостого хода.

Задачи исследования.

1. Обоснование направлений совершенствования существующих средств механизации для реконструкции инженерных коммуникаций водоотведения.

2. Выбор и обоснование принципиальной схемы пневматического ударного механизма

3. Исследование взаимозависимостей параметров рабочего процесса пневматического ударного механизма.

4. Определение рациональных соотношений энергетических параметров рабочего процесса и уточнение методики инженерного расчета пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода.

5. Создание экспериментального образца пневматического ударного механизма, и его исследование в лабораторных условиях.

Методы исследований. В работе применялся комплекс методов: статический анализ и обобщение результатов известных опытов; теоретические разработки с использованием методов механики; математическое и физическое моделирование рабочего процесса пневматического ударного механизма с целью установления рациональных соотношений между энергетическими и геометрическими параметрами; экспериментальные исследования эффектив-

ности разработанного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода и сопоставление результатов с полученными другими в подобных исследованиях.

Основные научные положения, защищаемые автором:

1. Уменьшение габаритных размеров и массы, дроссельного пневматического ударного механизма, у которого длина ударника не зависит от величины его хода и ударник является единственной подвижной деталью в системе воздухораспределения достигается применением камеры форсажа холостого хода и подвижной центральной трубки воздухоподвода, при этом энергия и частота ударов повышается до 10 %.

2. Устойчивость энергетических параметров механизма с камерой форсажа холостого хода достигается выбором его рациональных геометрических параметров и обеспечивается следующими значениями геометрических соотношений: объёмов камер холостого хода и форсажа от 3 до 5; площадей проходных сечений дросселя впуска из предкамеры в камеру форсажа и дросселя впуска в камеру холостого хода от 8 до 10; площадей проходных сечений дросселей впуска и выпуска из камеры форсажа и дросселя впуска из предкамеры в камеру форсажа холостого хода от 5 до 7; координат начала впуска воздуха из камеры форсажа в камеру холостого хода и начала выпуска воздуха в атмосферу из камеры холостого хода от 0,3 до 0,5.

3. Увеличение энергии единичного удара до 19 %, частоты ударов до 5 %, удельного съема мощности с единицы площади ударника до 14 %, а также уменьшение удельного расхода воздуха до 22 %, достигается при коэффициенте отскока ударника от хвостовика рабочего инструмента от 0,1 до 0,4 в диапазоне изменения соотношения координат начала впуска воздуха из камеры форсажа в камеру холостого хода и начала выпуска в атмосферу из камеры холостого хода от 0,2 до 0,5.

Достоверность научных положений обоснована:

- анализом направлений совершенствования пневматических ударных механизмов с воздухораспределением ударником (по патентным материалам за период с 1877 по 2011 гг.);

- анализом математических моделей и методов расчета рабочих процессов пневматических ударных механизмов машин с различными типами воз-духораспределения (за период 1900 - 2011 гг.);

- сопоставлением параметров рабочего процесса дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода, полученных при аналогичных исследованиях другими авторами;

- анализом результатов моделирования рабочих процессов с различными настройками основных энергетических параметров, геометрических соотношений и коэффициентов отскока ударника от рабочего инструмента;

- исследованием на ЭВМ и в лабораторных условиях образца пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода и подвижной центральной трубкой воздухоподвода.

Научная новизна заключается:

- в разработке на уровне изобретений (патенты РФ №№ 2301890, 2327872, 2336989, 2336990) принципиальных схем дроссельных пневматических ударных механизмов с управляемым перепуском воздуха между рабочими камерами и дроссельных пневматических ударных механизмов с камерой форсажа холостого хода и подвижной центральной трубкой воздухоподвода;

- в разработке системы уравнений, описывающих рабочий процесс дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода с подвижной центральной трубкой воздухоподвода;

- в установлении взаимозависимостей и закономерностей между основными энергетическими параметрами и геометрическими соотношениями

между объемами рабочих камер, площадями проходных сечений дросселей впуска, форсажа и выпуска воздуха из камер;

- в разработке аналитических и графических зависимостей для инженерного расчета основных геометрических параметров дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода и подвижной центральной трубкой воздухоподвода в диапазоне до трех порядков изменения энергии единичного удара, приемлемого для конкретных условий эксплуатации машин ударного действия.

Практическая значимость заключается в разработанной инженерной методике расчета дроссельного пневматического ударного механизма с заданной структурой ударной мощности с камерой форсажа холостого хода пневматической машины ударного действия для реконструкции систем водо-отведения бестраншейным методом для эксплуатации в городских условиях.

Личный вклад автора состоит в формулировании цели и общей идеи работы, выполнении теоретической части, моделировании на ЭВМ и участии в экспериментальной части исследований, анализе и обобщении результатов, разработке методики расчета дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода, которая позволяет определить геометрические параметры по заданным: энергии и частоте ударов.

Реализация работы:

1. Методики расчета дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода переданы предприятиям:

- Рубцовский филиал ОАО НПК "Уралвагонзавод".

2. Результаты работы внедрены в учебный процесс для студентов специальности 270113 "Механизация и автоматизация строительства".

Апробация работы. Результаты исследований обсуждались и были одобрены на международных и всероссийских НТК и научных семинарах в Самарском ГАСУ, Омской автодорожной академии (СибАДИ), Новосибирском ГАСУ, Рубцовском филиале АлтГТУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликована 21 научная работа, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 4 патента на изобретения РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, библиографического списка, приложений и включает 172 страницы машинописного текста, в том числе 99 рисунков, 11 таблиц, библиографический список из 105 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Приложения содержат 61 страницу, в том числе 39 рисунков и 34 таблицы.

1 Состояние средств механизации водоотведения, задачи исследования

1.1 Текущее состояние систем водоотведения в России

В настоящее время в городах России находится в эксплуатации свыше 300 тыс. км систем водоотведения, отслуживших нормативный срок, из которых свыше 100 тыс. км находятся в аварийном состоянии и требуют немедленной замены (таблица 1.1.). Эксплуатация изношенных трубопроводов ухудшает социальную и экологическую обстановку в городах Российской Федерации (ежегодно на каждые 100 км коммуникаций приходится 45 аварий). При этом доля утечек колеблется от 15 до 30 % от объема стоков [1]. На территории России значительно подтоплены 809 городов и 478 поселков городского типа, в чем не последнюю роль играют утечки из сетей водоотведения. Если не будут приняты срочные меры по планомерной реконструкции подземных коммуникаций, то в ближайшие годы социальная и экологическая обстановка в крупных городах России будет представлять серьезную опасность для населения. Для того, чтобы в течение 10 лет заменить аварийные сети, необходимо ежегодно реконструировать 19-21 тыс. км подземных коммуникаций.

Таблица 1.1

Состояние трубопроводов водоотведения в России

Параметр Сети водоотведения

Общая протяженность подземных сетей (без учета внутриквартальных), тыс. км 373,5

Из них отслужили нормативный срок и требуют замены, тыс. км 109,7

Ежегодное увеличение отслуживших нормативный срок, тыс. км 8,5

Требуемый объем ежегодной замены, ликвидации изношенных участков, тыс. км 19,5

Фактически перекладывается, тыс. км 2,2

Данные проблемы характерны и для Новосибирска, в частности, до очистных сооружений в 2008 году не доходило около 30 % канализационных стоков. При этом утечки из изношенных трубопроводов растут каждый год (рисунок 1.1). Очевидно, что тенденции изменений в большей или меньшей мере сохранятся, сохраняя при этом актуальность борьбы с утечками. Эту ситуацию можно отнести ко всем отечественным городам, и "миллионикам" в первую очередь. Для того чтобы решить эти проблемы, необходимо заменить изношенные трубопроводы. Рассмотрим возможность своевременной замены выходящих из строя трубопроводов водоотведения на примере Муниципального унитарного предприятия "Горводоканал" (г. Новосибирск).

Рисунок 1.1

Утечки сточных вод в сетях МУП "Горводоканал"

Протяженность сетей водоотведения в г. Новосибирске составляет более 1000 км, из них более половины эксплуатируются более 30 лет при нормативном сроке эксплуатации 20 лет для чугунных и 15 лет для стальных трубопроводов. Наиболее протяженные сети водоотведения - внутрикварталь-ные с диаметрами от 150 до 400 мм (690 км) на которые приходится наибольшее число аварийных ситуаций (до 70 %) [2].

Из всех коммуникаций, имеющихся в ведении МУП "Горводоканал", на

сегодняшний день требуют неотложной замены свыше 150 км канализационных сетей. Учитывая существующие темпы работ и применяющийся традиционный траншейный метод, на перекладку потребуется до 40 лет. Ежегодное старение канализационных сетей составляет 13,5 км в год и, следовательно, применение траншейного метода замены обречено