автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Теория и методы проектирования пневмотрамбователей для уплотнения грунтов и смесей

РГб од

На правах рукописи

Суворов Дмитрий Григорьевич

Теория и методы проектирования пневмотрамбователей для уплотнения грунтов и смесей

Специальность 05.05.04. "Дорожные и строительные машины"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск 1998

Работа выполнена в Новосибирском государственном архитеюгурно-строительном университете и Институте горного дела СО РАН.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РСФСР В.Ф. Горбунов;

доктор технических наук, профессор В.Н.Тарасов;

доктор технических наук, ведущий сотрудник Института горного дела

СО РАН, Заслуженный изобретатель РФ X. Б. Ткач.

Ведущее предприятие - АО, научно-исследовательский институт строительного и монтажного инструмента ВНИИСМИ (г. Химки, Московской обл.)

Защита состоится «. Зъ 2СЮ Л & 1998 г. в ¿а асов на заседании диссертационного Совета Д 003.17.01 при Институте горного дела СО РАН (630091, Новосибирск, Красный проспект, 54).

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

Автореферат разослан еЗс-у 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета, Заслуженный изобретатель РФ, доктор технических наук, А..И. Федулов

профессор

Актуальность темы Отечественный и зарубежный опыт по механизации уплотнения грунтов )братной засыпки в строительстве показывает, что проведение этих работ »ызывает значительные трудности, так как они не могут быть выполнены •рунтоуплотнительными машинами общего назначения. Это связано с осо-5енностью технологических процессов, которые сводятся к следующему:

- при выполнении обратных засыпок необходимо обеспечить сохран-юсть возводимых и смонтированных элементов инженерных сооружений, гго ограничивает силовые параметры процесса уплотнения;

- работа ведется в стесненных и особо стесненных условиях строитель-юй площадки с рассредоточенными объемами в ограниченных по размерам I сложных по конфигурации рабочих зонах;

-нормы плотности, уложенного при засыпки грунта должны быть доста-•очно высоки и составлять 0,95...0,99 от максимальной стандартной плотно-;ти.

Подобные условия резко снижают производительность известных грунто-ттотнительных машин или делают их применение экономически нецелесо->бразным. Недоуплотнение засыпного грунта из-за его просадки приводит к шрушению элементов зданий и сооружений и затрудняет их дальнейшую жсплуатацию. На ремонтно-восстановительные работы затрачиваются зна-штельные денежные средства, дефицитные материалы и трудовые ресурсы. 1о данным бывшего Минстроя СССР стоимость только ремонтных материа-юв составляла свыше 1-го млрд.руб. в год. Годовой объем грунта приоб->атных засыпках по странам СНГ превышал 1 млрд.м 3 (данные ЦНИИ-)МТП). Анализ средств механизации, применяемых при уплотнении грунтов обратной засыпки показал, что они мало эффективны при уплотнении тяже-[ых глинистых грунтов и механизируют не более четверти всего объема ра-¡от в строительстве.

Перспективным направлением разработки оборудования для механиза-[ии уплотнения грунтов обратных засыпок является создание машин с не-юсредственным и комбинированным воздействием активного ударного орана на грунт, к которым относятся пневматические бесшаботные трамбов-и. Они просты по конструкции, долговечны и эффективны при уплотне-1ии различных по свойствам грунтов. Применение их в строительстве держивается отсутствием производства машин с необходимыми технико-кономическими характеристиками, что в свою очередь не обеспечено тео-етически обоснованными методами проектирования. Как показали сследования, бесшаботные пневматические трамбователи с усовершенст-ованными системами управления воздухораспределением реализуют энер-осберегающие циклы и имеют широкий диапазон изменения генерируемого

ударного импульса в пределах 8... 10; способны выполнять работы во всех зо пах уплотнения обратных засыпок, предусматриваемых СНиП.

Вышеизложенное подтверждает актуальность исследований поразработ* юории методов расчета и основ конструирования, а также создания новых видов оборудования для уплотнения грунтов обратной засыпки. В комплекс« исследования направлены на решение важной научно-технической проблемы нопышению эффективности и устранению непроизводительных материалы^ и трудовых затрат в гражданском и промышленном строительстве при выполнении этого специального вида работ.

Исследования выполнены в соответствии с планами НИР Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (до 1993 г., НИС1 им. В. В. Куйбышева), совместными планами НГАС и ВНИИСМИ (г. Химки, Московской обл., 1980 г.), координационным планом Госкомитета по науке и технике СССР. (Проблема N 0.21.01.11. Постановление Госкомитета Совета Министров СССР по науке и технике N 390 от 05.11.76 г.), планам НИР, финансируемых из республиканского бюджета по единому заказ-наряд; "Грантам" комитета по высшей школе Миннауки России 1993...1997 г.г.

Цель работы. Разработка и совершенствование теории, методов р чета и конструкций пневмоударных машин для уплотнения грунтов обрати засыпки.

Идеи работы состоите использовании для уплотнения фунтов обратной засыпки в строительстве пневматических бесшаботных трамбователей с не посредственным, комбинированным воздействием ударного рабочего орган: на обрабатываемую среду; в применении в их конструкции специальных возд! хораспределительных устройств с блоками логического управления значитеш но улучшающими энергетические и основные технико-экономические показа гели пневматических ударных уплотнителей.

Для достижения поставленной цели и реализации идеи работы были оп] делены следующие задачи исследования :

1. Провести анализ известных средств механизации для уплотнения грз юн обратных засыпок, этапы их совершенствования и разработки конструкт определить наиболее перспективные из них и на примере пневматическ ударных уплотнителей выработать и обосновать общий подход к пробле создания высокоэффективных грунтоуплотнительных машин для гражд; с кого и промышленного строительства.

2. Получить математические модели пневматических ударных машин с трамбующим рабочим органом и на их основе исследовать динамику

и особенности рабочего процесса, режимы уплотнения грунтов и область их

штопальных технологических параметров, разработать рекомендации для окершенствования существующих и разработки новых более эффективных шиши с улучшенными энергетическими и технологическими характеристика-п.

Разработать методы проектирования ударно-пневматических механизмов автоматическими системами управления подачей сжатого воздуха в рабочие амсры с применением элементной базы промышленной пневмоавтоматики, редложить их структурную классификацию, основы анализа и синтеза, магматические модели рабочих циклов, объектов управления, управляющих стройств, а также алгоритм построения их функциональных схем.

•I. Разработать и обосновать методику аналитического проектирования дмрных пневматических уплотнителей - трамбователей для производства обитых засыпок и на основе исследований предложить размерно-арамстрический ряд машин.

Методы исследования.

В диссертационной работе использованы аналитические и экспериментальные методы исследования. Аналитические исследования проведены на основе обобщенных уравнений Лагранжа второго рода для систем с реакциями неголономных связей, законов термодинамики для тепломеханических систем, как совокупности твердых и термодинамических тел переменной массы, основ теории механики грунтов и теории автоматических систем управления процессами. Экспериментальные исследования выполнены в лабораторных и производственных условиях с использованием современной измерительной аппаратуры. ......

Научные положения, защищаемые автором

I. Передача энергии грунту в процессе уплотнения пневмотрамбователем осу-1ествляется комбинированным силовым воздействием ударных и ударно-гатических импульсов таким образом, что среднее интегральное значение силы мпульсов, действующий на поршень-шток машины, равно алгебраической умме сил тяжести корпуса машины и составляющей усилия нажатия, прило-:енной к корпусу.

2. В структуре рабочего цикла пневмотрамбователя для фаз разгона и выбега п|: холостом и рабочем ходе поршня, кроме импульсов, обеспечивающих необходимое ускорение или замедление движения поршня-штока входят импульсы, про1Шюдействующие разгону или выбегу, частичное или полное устранение ко юрых обеспечивает повышение энергии удара машины в 1,3...1,5 раза.

3. Снижение вибрационных параметров пневмотрамбователя и; в частности на 20.. 30% наибольшего смещения корпуса, совершающего колебательное движение в «плавающем» режиме, достигается за счет уменьшения величин разнонаправленных и равновеликих импульсных пар суммарной диаграммы сил от ежа тою воздуха, тяжести и усилия нажатия, действующих на корпус за время равное одному циклу. Для сохранения при этом энергии удара машины положительная импульсная пара, действующая при рабочем ходе поршня, должна быть уменьшена за счет преобразования формы импульсов (сокращения плеча пары) а не их абсолютных значений.

4.11а участке впуска сжатого воздуха в камеры при холостом и рабочем ходах производная переменного давления по времени является величиной постоянной среднее значение которой при сетевом давлении 0,5 М Па составляет 4,5.10е... 4.8.10(' Па с для рабочей и 2,7.106 Па с для камеры холостого хода, при этом зависимости расхода и ударного импульса от давления описываются линейными уравнениями с опытными коэффициентами.

5. Представление пневмоударных механизмов в виде графических модулей, отражающих структурные особенности воздухораспределительных систем, как систем с элементами силовых, управляющих и информационных устройств и раскрывающих многофункциональность их звеньев дает возможность применит при их проектировании методы теории машин-автоматов и промышленной пневмоавтоматики, разрабатывать системы воздухораспредс-лепия с логическими блоками управления.

Достоверность научных положений и рекомендаций диссертационной работы базируется на накопленном отечественном и зарубежном опыте аналитических и экспериментальных исследований, проектирования пневматических ударных машин и доказывается сходимостью и сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований; использованием общепринятых апробированных допущений при аналитическом исследовании пневмоударных систем; производственными испытаниями пневмоударных устройств, разработанных на основании проведенных исследований.

лумнаи новизна исследований:

- получены экспериментально-аналитические зависимости между параметрами рабочего цикла бесшаботного пневмотрамбователя, его силой тяжести, усилием нажатия и механическими свойствами грунтов, вскрывающие особенности процесса уплотнения и определяющие рациональные ударные и ударно-статические режимы работы машины, включая с прониканием трамбующей плиты в грунт и образованием грунтового ядра;

- обоснованы методы и предложены технические решения повышения энергетических характеристик и улучшения вибробезопасности пневмот-рамбователей путем изменения формы и величины импульсов сил, действующих на поршень-шток и корпус трамбователя за время фаз их движения при выполнении рабочего цикла;

- получена аналитическая зависимость для определения расхода воздуха, потребляемого пневмотрамбователем по геометрическим и кинематиче-:ким параметрам его пневмоударного механизма, а так же производной переменного давления по времени, которая на участках впуска сжатого зоздуха в камеры рабочего и холостого ходов является величиной посто-*нной;

■ разработана структурная классификация пневмоударных механизмов гл основе предложенных графических модулей, способствующая проектированию эффективных пневмоударных машин и их воздухораспреде-тительных систем как объектов с автоматизированными системами воз-1ухораспределения, для которых обоснованы графы выполнения рабочих шклов, модели объектов управления, алгоритм проектирования управ-1ЯЮЩИХ устройств (автоматов);

обоснован размерно-параметрический ряд характеристик пневмотрам-5ователей, включающий в качестве основных параметров энергию удара 1 массу ударной части, принятых из ряда предпочтительных чисел 115, >ациональные начальные скорости соударения плиты с грунтом и часто-7 ударов. Ряд позволяет упорядочить проектирование, изготовление и фименение строительных пневмотрамбователей. разработаны новые конструктивные схемы пневмоуплотнителей, за-цищенные авторскими свидетельствами СССР и патентами России, 'лучшенные характеристики которых обеспечиваются рациональными гараметрами рабочих органов с комбинированным воздействием на рунт, энергосберегающими энергетическими циклами, выполняемыми втоматизированными системами управления воздухораспределением.

Лмчнып вклад автора заключается в формулировке идеи и цели работы, выполнении теоретических и экспериментальных исследований, обобщении р зультатов, разработке методик расчета и выбора параметров бесшаботных пневматических ударных уплотнителей с традиционными и автоматизирован ными, включающие логические блоки управления, воздухораспределительны ми устройствами, разработке принципиальных схем и конструкций ручных трамбовок ТПВ-7, ИП-4502, внедренных в производство.

Практическое значение работы

Разработаны и апробированы методы расчета параметров пневматичесю трамбовок и обеспечения их вибробезопасности. В основе методики леж уравнения, связывающие ударный импульс генерируемый машиной и удельный ударный импульс с параметрами энергетического рабочего цикла свойствами фунта.

Приведены рекомендации по улучшению энергетических параметров рабо1 го цикла и снижению амплитуды колебания корпуса машины за счет преобра: вания формы импульсов результирующей силы от сжатого воздуха, воздеж вующей на поршень-цилиндр за время цикла в отдельные фазы движения.

Разработаны методы проектирования пневматических ударных уплотнит лей с автоматизированными системами управления подачей энергоносителя управляемые полости машины, включающие структурную классификацию, < вокупность графовых моделей рабочих процессов, объектов управлеш функциональных схем, содержащих блоки логических элементов и позволя щих разрабатывать энергосберегающие воздухораспределительные устройств!

Предложены и разработаны перспективные пневмоударные механизмы, : щищенные более двадцатью авторскими свидетельствами СССР и патента России, применение которых обеспечит создание высокоэффективных сред< механизации для уплотнения грунтов обратной засыпки.

Для бесшаботных грунтоуплотняющих машин с активным рабочем органом предложен способ построения их рабочих характеристик, по которым определяются рациональные режимы уплотнения грунта и технологическ процессы, обеспечивающие гарантированное качество уплотнение. Показа! что в качестве логических устройств в системе управления воздухораспреде. нием могут быть использованы стандартные блоки выполненные на струйных или мембранных элементах пневмоавтоматике, что снизит стоимость изготовления и обеспечит надежность работы пневм рам боват слей, снабженных АСУ.

еа.ппация результатов работы.

Результаты работы реализованы в вибробезопасных пневматических трам-эвках ТПВ-7, ИП-4502 серийно внедренных на предприятии ЯЧ-91/3, Удмуртской АССР. Рекомендации и результаты исследования по структурной мсснфикации анализу и синтезу пневмоударных механизмов, позволяющие )вершеиствовать существующие и разрабатывать принципиально новые удар-ае устройства с пониженным расходом воздуха, переданы для применения во НИИСМИ г.Химки, Московской области.

Основные положения и рекомендации диссертационной работы были ис-сшьзованы при проектировании пневматической бесшаботной ударной маши-ы по договору, выполненному по единому заказ-наряду (ЕЗН) Министер-гва общего и профессионального образования РФ и исследованиях, проводных по конкурсу "Грантов" этого же Министерства.

Апробация работы Основные результаты, представленные в диссертации докладывались и бы-и одобрены на научно-технических конференциях НГАС 1967,1968,1972,1990...96 г.г.); Новосибирской областной НТК НТО НГАС 1982,1983 г.г.); на семинарах "Уплотнение грунтов в стесненных условиях гроительства" Новосибирского ЦНТИ (1976,1984 г.г.); на Всесоюзных на-чно-технических совещаниях "Основные направления технического уровня и ачества ручных машин" (г.Даугавпилс, 1987,1989 г.г.); на технических сове-шниях по внедрению грунтоуплотняющей машины ТМ-2 СКБ "Строймехани-дции" г.Владимир, объединения "Стройтехника" Минстроя СССР ".Москва, 1976,1978 г.г.); на заочной всероссийской конференции по ручному еханизированному инструменту (г.Новосибирск, 1993 г.); на международной онференции Московского строительного университета, май 1996 г.

Образцы новых пневмоударных машин демонстрировались на ВДНХ и дис-ертант в числе др. соавторов разработок, был награжден двумя бронзовыми [едалями ВДНХ (1968,1984 г г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 55 работ, в том числе 36 в цен-ральных журналах и тематических сборниках НГАСУ (до 1993 г. НИСИ им. ¡.В. Куйбышева) и ИГД СО РАН, подготовлено 15 научно-технических отче-ов, связанных с выполнением планов НИР НГАСУ, совместных планов НГА-:У и ВНИИСМИ (г.Москва, 1980 г.); НГАСУ и ИГД СО РАН (Новосибирск, 974,19 7 7); координационного плана Госкомитета по науке и технике СССР Проблема 0.21.01.11. Постановление Госкомитета Совета Министров СССР по туке и технике N 390 от 5.11.76 г.); планов НИР, финансируемых из респуб

ликанского бюджета и выполняемых по единому заказ-наряду и "Грантам" к< мигета по высшей школе Миннауки России 1993...1995 г.г.

Получено 50 авторских свидетельств СССР и патентов Российской Феде ции на изобретения.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения", списка лите туры из 303 наименований и приложения.

Общий объем работы 350 страниц, в том числе 278 страниц основного текс 60 рисунков и 15 таблиц на 72 страницах.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, указаны цель боты и основные задачи исследования, сформулированы научные результат!: итоги практического внедрения.

2 Первая глава посвящена изучению состояния проблемы и задач исследс вания. Проведен аналитический обзор и анализ исследований в области упло нения грунтов и разработки теории и создания пневматических ударных машин, также средств механизации по производству обратных засыпок грунтов гражданском и промышленном строительстве. Создание машин высокой лрои водительности для уплотнения насыпей определило задачу изучения взаимс действия их рабочих органов с грунтом. Эта задача в анализируемых исследов киях решалась на основе достижений в механике фунтов, теорий оснований и земляных сооружений. В частности, активно использовались работы В.В.Охотнна, Н.А.Цитовича, Б.В.Дерягина, Д.Д.Баркова, К.Тейлора, В.А.Флорина, Х.А.Рахматулина и др. Закономерности уплотнения грунтов, по лученные Н.Я.Хархутой, Ю.Б.Дейнегой, М.Я.Телегиным, Н.П.Вощининым, Д.М.Кервалишвили, Н.И.Наумец, Л.М.Бобылевым, Ю.М.Васильевым, В.М.Иевлевым М.И.Капустиным, М.П.Костельовым, Л.Р.Ставницером и др. легли в основу проектирования грунтоуплотняющих машин. Особенно резуль тамюно развивалась теория уплотнения грунтов трамбующими плитами. Этом способствовало высокая эффективность трамбования, как процесса уплотнени грунтов с разнообразными строительными свойствами, так и большим объемом возводимых насыпных сооружений. Ударное уплотнение грунтов шабот-ным пневматическим уплотнителем-молотом, снабженным плитой-штампом, исследовано д.т.н. А.И.Федуловым и др.

В известных работах не рассмотрен процесс уплотнения грунтов пневмат ческими бесшаботными трамбовками с непосредственным воздействием раС чего органа на грунт, не определены и не изучены их рабочие режимы, в чз( мости, режим с "прониканием" рабочего органа в грунт ("штыкование", в трамбо-

вания) при удельном импульсе, превышающим предельный удельный им-1ьс фунта, отсутствуют зависимости, связывающие параметры энергети-жого цикла бесшаботных машин с технологическими параметрами процесса ютнения.

В настоящее время около 65% машин, применяемых для уплотнения грун-! обратной засыпки, составляют электротрамбовки (ИЭ-4505, ИЭ-4502 угавпилского завода, ЕС-10...ЕС-100 фирмы Ваккер и др.); 30% - виброплиты ¡личных фирм. Применение ручных электротрамбовок и виброплит с глуби-ю уплотнения 0,1...0,3 м приводит к большим затратам ручного труда, в том еле и на послойное разравнивание фунта. Сложность эксплуатации, не-II ьшой ресурс работы, наличие вибрации и невысокая производительность не гепечивают эффективной работы этих машин при уплотнении фунтов в :сненных условиях.

Образцы навесных фунтоуттлотняющих машин для обратной засыпки на ба-пневмомолота (ИГД СО РАН), виброударного уплотнителя ПВТ-3, раскаты-ощих устройств (Саратовский политехнический и Брестовский инженерно-юительный институт) и др. не получили массового использования в строи-11,стае по ряду причин, в частности, из-за отсутствия манипуляторных навек, реализующие технологические возможности уплотнителей. Как показали исследования пневматические трамбовки (бесшаботные пнев->трамбователи) обладают хорошими эксплуатационными и технологическими чествами.

При разработке и изучении этой фуппы машин соискателем учтены ре-льтаты исследований М.А.Барила, В.А.Кельдюшева, А.П.Германа, И.Киселева, Р.Кэйе, Б.В.Суднишникова, А.И.Федулова, А.Д.Костьшева, К.Тупицына, Н.А.Клушина, В.Ф.Горбунова, Б.Н.Смоляницкого, М.Петреева, Г.И.Суксова, Х.Б.Ткача, Э.А. Абраменкова и др., а также рабо-I научных коллективов ИГД СО РАН, ИГД им.Скочинского .В.Александров, В.Б.Соколинский и др.), ВНИИСМИ (Б.Г.Гольштейн и др.), 1И, Томского электро-механического, Даугавпилского заводов и многих дру-IX, предложивших разноообразные методы решения проблемных задач в облас-1 ручных пневматических машин. Анализ расчетных моделей, результатов ¡следований, составляющих основу теории пневмоударных машин, позволил 1елать следующие выводы: в известных работах недостаточно полно изучались >просы динамики, рабочего процесса поршневых ударных машин с непо-юдственным воздействием поршня-ударника на обрабатываемую среду, в том юле, бесшаботных пневмоуплотнителей; классификация и структурное роение ударно-пневматических машин излагались без учета их специфики ж объектов с автоматической системой управления распределением

энергоносителя; в части работ отмечаются недостатки клапанных, золотников и др. воздухораспределений, излагаются отдельные методы их расчета, но от сутствует единый подход к проектированию воздухораспределительных cv.cn с автоматизированными элементами, не используются для их разработ ки достижения промышленной пневмоавтоматики.

Во второй главе рассматриваются вопросы структурного анализа и син-за пневматических машин. Создание структурной классификации ударных пневматических машин (УПМ), а также методов их структурного анализа и а теза важно для начального этапа проектирования, а также для совершенст! вания конструкции пневматических механизмов. К настоящему времени суще ствует ряд классификаций этих машин, в основу которых положены технолог ческие и конструктивные признаки (Л.В.Арнольд, Г.И.Кусницын, В.М.Васильев, Э.А.Абраменков и др.). Однако разработка основ теории прое тирования воздухораспределения, как автоматизированных систем с логическими элементами управления привела к необходимости создания структурнс классификации и регулярных методов структурного анализа и синтеза УПМ

В основу структурных исследований положены графические модели УПМ структурно-пневматические схемы и структурные модули, при этом под струк труным модулем понимается графическая схема пневмоударного механизма минимальным числом звеньев и воздухораспределительных устройств, обесги чивающих его работоспособность.

Применение графических моделей в структурном анализе и синтезе вызва несколькими факторами: многофункциональностью звеньев УПМ, наличи системы воздухораспределения с взаимосвязанными подвижными и неподви ными деталями, изменяющими направление движения сжатого воздуха в ощ деленной последовательности и сетью силовых и управляющих каналов, нес ходимостью получения информации о программе работы УПМ.

Классификация выполнена на базе структурных модулей по характерным признакам пневматических механизмов. По конструктивному признаку - числ; управляемых камер (рабочих полостей) и числу ударников (поршней) модули делятся на семейства: нулевое - с одной управляемой камерой и одним удар-киком; первое - с двумя управляемыми камерами и одним ударником; третье -тремя управляемыми камерами и двумя ударниками; п-ое семейство имеет п управляемых камер и п ударников. В случае, если в механизме содержатся н< сколько модулей разного семейства, семейство всего механизма определяется высшем по номеру семейством входящего модуля. По роли ударника (поршня] в механизме определяются три класса структурных модулей. К первому классу относятся модули, у которых ударник или поршень не выполняет фут ций элемента силового воздухораспределения. В таком механизме ударник мо жет быть распределителем в системе питания сервопривода золотника, клапан; или выполнять роль программоносителя. Примером применения модуля перво го

класса в УПМ является механизм по а.с. N 855204, СССР. В системе энергообеспечения машины используются отдельные силовые воздухораспределители. К'о второму классу относятся модули ударных механизмов, в которых функции силового распределительного органа выполняет ударник (поршень) в паре с цилиндром. Это беззолотниковые или бесклапанные пневмоударные механизмы.

Третий класс составляют модули, механизмы которых имеют ударники, выполняющие функции элементов силовой воздухораспределительной системы дополнительно к клапанным или золотниковым устройствам. Чаще всего ударник осуществляет "выхлоп" отработавшего воздуха в атмосферу.

Следующим наиболее существенным признаком пневмоударных механизмов является линейность силового распределителя. Линейность определяет число распределителей, обслуживающих управляемые полости, схему питающих и огподяших каналов воздухопроводов. Для реализации рабочего процесса в одной полости необходимо иметь два двухлинейных распределителя - один на "впуске", другой на линии "выхлопа" или один четырехлинейный. Распределители с нечетным числом линий (в этом случае один и тот же канал или пневмопровод выполняет две функции, например, впуск и выпуск) всегда можно представить в схеме модуля распределителем с четным числом линий. В зависимости от конструкции распределителей классы структурных модулей подразделяются на группы. К первой группе относятся структурные модули, имеющие только двухлинейные силовые распределители (один управляемый параметр - один узел управления автоматической системы); ко второй - модули с четырехлинейными силовыми распределителями (два управляемых параметра - два узла); к третьей - модули с шести линейными распределителями (три управляемых параметра - три узла) и т.д. п-ая группа модулей включает 2п-лииейных силовых распределителей. При наличии в пневмоударном механизме нескольких распределителей с разной линейностью группа его модуля определяется наивысшей по номеру группой, входящего в механизм распределителя. Таким образом, классификация построена на основе трех существенных признаков пневмоударных механизмов и включает семейства, классы и группы, В разделе приведены примеры структурного анализа и синтеза ударных механизмов и применение структурных пневматических схем к исследованию рабочего процесса УПМ.

Предлагаемые методы структурного исследования позволяют определить силовую и управляющие части воздухораспределительной системы, установить алгоритм выполнения операций рабочего цикла машины, выделить "активные" участки в структурно- пневматической схеме для данной операции алгоритма и дает возможность составить общую модель расчета воздухорас —

пределительной сети по отдельным ее подструктурам и в дальнейшем провес синтез системы автоматического управления подачей энергоносителя в рабе чие полости механизма.

В третьей главе излагаются результаты исследования динамики пневмо рамбователей и вопросы совершенствования их рабочего процесса. Обладая небольшим числом звеньев, пневмоударные механизмы сложны для динамичс ского анализа. Присутствие неголономных связей, как и внешних по отношению к механизму кратковременно действующих импульсных ударных сил, I позволяет выполнить аналитическое решение уравнений динамики и затрудь ет их изучение. Известно, что при наличии в механизмах неголономных свя зей для составления уравнений движения; используют несколько приемов, обобщающих метод Лагранжа. Один из них - метод освобождаемости от связе применен Д.Н. Левитским для составления уравнений движения гидравлических механизмов и может быть распространен на исследование УПМ. Обобщенное уравнение Лагранжа второго рода с реакциями неголономных с зей имеет вид

¿/(Л (с1т/а4) - ат/Аь = кч, + ц, + ге, (1)

где С[, -обобщенная координата; Т - кинетическая энергия системы; Кх^ - об< щенная внешняя сила; 0о - обобщенная сила реакции неголономной связи; I обобщенная сила трения в кинематических парах; 1 е П| = {],2...П|}, щ - чис обобщенных координат, равное числу степеней свободы; и е п2 = {1,2...^}, г число обобщенных сил реакций неголономных связей; еещ= {1,2...Пз}, г число обобщенных сил трения в кинематических парах.

Уравнения связи в общем виде без учета утечек сжатого воздуха через за: ры кинематических пар запишутся

з-г

ЦЧ] (5р Их +р с!^ /(к) - хе, = 0;

3=1 3=1

У:/А3 = ^ ,Ч2) ,

> (2)

\

где Vj - переменный объем камеры рабочего или холостого ходов

(для механизмов первого семейства); р- плотность сжатого воздуха;

6-, - секундный массовый расход воздуха; А) - площадь поршня-ударника со

стороны камеры холостого или рабочего ходов.

Реакцию отброшенной неголономной связи представим в виде силы от дав: ния сжатого воздуха на торцевые поверхности поршня: Б 1 =Р1(0А, прииску

02 = Р2(0А2 при <1 <а4, (3)

: A|, Л2 - площади поршня со стороны камер холостого и 5очего ходов; Р| (t), Pj (t) - переменные давления соответственно в камерах хо-стого и рабочего ходов; t|, (2 t4 - моменты времени начала и конца дейст-я переменного давления в управляемых камерах. При остальных значениях t за емя цикла Dj= О, D2= 0.

Па рис. 1, а, б, в, г, д представлены расчетные схемы основных механизмов тмбователей. На схемах показаны оси обобщенных координат X,(l), S ,(t) и ложнтельные направления их приращений 5Х|, 5S,. Механизмы считаем оскими, исключив вращение звеньев относительно вертикальной оси. Для учая наклонного расположения машины в уравнения необходимо ввести со-зетствующие тригонометрические функции. Из внешних сил на систему дей-!уют силы тяжести звеньев G ¡= mjg и усилие нажатия ±Fh , приклады вае-е к корпусу машины. Из сил трения в кинематических парах будем учиты-гь силы, возникающие в сальниковом уплотнении и в паре поршень-линдр, принимая Ft 0= F12 sign S 12, где F|2 - сила трения, приложенная к ршшо-штоку; S)2 - относительная скорость.

Исключая ударное взаимодействие и выполнив необходимые действия, име-следующие уравнения, полученные из (1) для механизмов, представленных рис. 1.

m„ d2t /dt2 + m,d2S/dt2 = - Gm -Fh [ (4)

m,(d2 X/dt2 + d2S/dt2) = D)2 (t) ± F« sign S« - G, J

mMd2X/dtJ + m,d2S|/dt2 + m3d2S2/dtJ = -GM - Fh ]

m,d2X/dtz + m,d2S,/dt2 = -G, + D,2(t) }-(5)

m., d2X/dt2 + nil d2S /dt2 = - G3 + DM(t) J

mM d2X/dt2 + m,d2 Si /dt2 + ш 3 d2 S2 /dt2 = - Gm - Fh ]

in, d2X/dt2 = -G, + Cn AS 1 - Px (t)A, } (6)

m,(d2X/dt2 + d2S/dt2) = -G + D,2(t) J

1

mM d2X/dt2 + m ,d2X/dt2 = - Gm - Fh }■ (7)

m, (d2X/dt2 + d2S/dt2) = - G,+ D,23(t) J

m,d2X,/dt2 = -G, + D12 1

( ль + m., >d2X2/dt2 +m.,d2S/dt2 = -(G2 + G3) - Fh + D,2 }(8)

mj (d2X 2/dt2 + d2S/dt2) = - Fh - G3 + G A S ' J

В уравнениях (4)...(8) Оц , О34, Эш - алгебраические суммы общенных сил реакции неголономных связей типа (3) с индексами, азывагощими управляемые полости, с давлением Р|(0, обозначенным

а.=.326278 СССР

а.с. 855204 СССР .а,с.247991 СССР

а.с.486104 СССР

а.с.629276 СССР

а - бесшаботный, 1 - поршень-шток; 2 - корпус-цилиндр; 3 - трамбующая плита; 4 - воздухораспределение; б • шаботный, 1 - ударник; 2 - корпус-цилиндр; 3 - хвостовик; 4 - трамбующая плита; 5 - золотник;

в - с подпружиненным шаботом, 1 - ударник; 2 - цилиндр; 3 - шток; 4 - верхняя пружина; _ 5 - нижняя пружина;

6 - трамбующая плита; г - с инерционной массой, 1 - штоковой поршень; 2 - корпус; 3-лт1Дотняющая_плита:

Д - с двумя трамбующими массами. 1 - ПОГШТень-ттттп*" ? . тпт-л- 1 . -то.гЯ, пгмттост г»тгго» 4 • П\Л*ЛОТУ!3

на соответствующей схеме рис.1; Сп, ДБ) -соответственно приведенная жесткость пакетов пружин и перемещение шаботного штока для механизма рис. 1, в; шм , т,, йм , в! - соответственно массы машины, 1-ого звена и их силы тяжести.

Уравнения движения (4)...(8), полученные для пяти ударных механизмов, применяемых в трамбователях, не включают силовые импульсные воздействия, возникающие при соударении рабочего звена - плиты машины с грунтом, но позволяют определить генерируемый ею ударный импульс. Уравнения не линейны из-за нелинейности реакций неголономных связей вида (3). Для определения функций {= Р^), а также секундного массового расхода воздуха, входящего в (2) используются калорическое уравнение, закон сохранения энергии и закон сохранения массы в форме, принятой тепломеханикой тела переменной массы, разработанной М.А. Мамонтовым. В частности, из уравнения теплового

баланса для ¡-ой рабочей полости УПМ определяется производная давления по

0

времени в виде функции с1Р/ск = Г (9 К, Тс, к,Х\), где 8 VI- значение расхода воздуха, поступающего а полость; К - газовая постоянная; Тс - абсолютная температура воздуха в воздухоподводящей сети; к - показатель процесса; XI, Х|" - соответственно переменные координата и скорость поршня-ударника, для определения движения которого применяется это уравнение.

Для бесшаботного трамбователя (рис. 1,а) выражение ударного генерируемого импульса получим из уравнения (4), проинтегрировав его и представив в импульсной форме

Тц Тц Тц .

тКах/Л+ёБ/Л) = | Б^ОсК - / в,Л ±1 Р^спБ^Л . (9)

О 0 0

Для момента начала соударения плиты с грунтом имеем сЬс/Л+ёЗ/сЙ = Уу -абсолютная скорость поршня в начале удара. Генерируемый трамбователем импульс 5Г'= Ш|У| . Первый интеграл правой части уравнения (9) представим

Тц Тц Тц

I БифсИ = Ах] Р|([)с!1 -А2 \ ?г (1)Л.

Введем обозначения

Тц Тц

10|сИ = С|ТЦ = /Риавпвц-вЧ;

о

имеем

Тц Тц

Б^А,/Р,(0с1{-А2/Р2(0<11± 8'т-8'е,+ 8'о. • (Ю)

ЗдесьТ„ - время рабочего цикла; Б'т, Э'сг соответственно импульсы сил трети и силы тяжести ударной части за время цикла, Э'о-импульс отскока.

Таким же приемом определяем выражения для генерируемого ударного импульса трамбователей рис. 1,6, в, г, д.

Решая совместно уравнения (4) и принимая во внимание (10), после несло; ною преобразования имеем

Б', — Б'см ± „ ± Б'т-пЫкЛИ, (11]

г де Би, - импульс усилия нажатия. Импульс ш2 <1х/У1 = т2Уг равен нулю п[ неподвижном корпусе и во время его нахождения в нижней и верхней точке к лебательного движения, где =0. Для этих моментов времени, пренебрег! силами трения и считая усилие нажатия постоянным, система уравнений прио ретает вид:

01 )

V (12)

Б'г =(СМ±Р„)Т11. }

Соблюдение (12) при проектировании трамбователя обеспечивает его раб-тоспособность как двухмассовой ударной системы. Из (12) видно, что экспер! ментальным исследованием зависимостей функций ^ = Р) (I) и Г 2 = Р2 (0 можь упростить процедуру вычисления Б1,-, не прибегая к интегрированию нелинейны уравнений. Эксперименты проводились с пневматическими трамбовками Тр-1 клапанным воздухораспределением и Тр-6 с золотниковым, а также с опытным образцами ТГ1В-7, применяемые в строительстве и в литейном производстве. Машины имеют соответственно массу 11,5; 10,8; 7,0 кг; частоту ударов 10,3; 12,0,15,5 Гц; энергию удара 27,7; 18,6; 53 Дж и относятся к ручным машинам средней мощности. Целью экспериментальных исследований было получение расчет зависимостей, связывающих рабочие параметры машины с технологическими; оценка совершенства их рабочего процесса и поиск путей его улучшения, изучение особенностей термодинамических процессов в рабочих полостях машины и ударного взаимодействия рабочего органа с грунтом.

На рис. 2, а выполнена принципиальная схема бесшаботного трамбовател с клапанным распределением. Поршень 1, на штоке которого крепится сменна трамбующая плита 5, разделяет пространство цилиндра 2 на полость холостог V) и полость рабочего хода У2. В цилиндре на двух уровнях выполнены вь пускные отверстия В|, В2. Каналы А и Б соединяют полости У2 и с клала» ным воздухораспределением 3. На рис. 2, б ,в представлены диаграммы измен« ния давления сжатого воздуха соответственно в камерах холостого и рабочег ходов за время цикла Т,(, полученные осциллографированием.

рафик результирующей силы Rj (t), действующей на поршень 1 от сжатого здуха в рабочих полостях за время цикла Тц и силы тяжести поршня построен соотношению

R,(t)-A,P,(t)-AaPa(t)-G,. (13)

1 а грамм а рис. 2, г результирующей силы в определенном масштабе, учиты-ющим постоянную массу поршня является его кинематической диаграммой = f (t), где 3) - ускорение поршня. Кинематические диаграммы скорости t), рис. 2,д и перемещения S(t) поршня, рис. 2,е, получены интегрированием методу конечных разностей. Результирующая сила от давления сжатого воз-ха на корпус-цилиндр трамбователя, его веса и усилия нажатия подсчитывает-по соотношению

R2(0 = А2 Р2 (0 - А]Р| (0 - G 2 - FH. (14)

>иняв а2 = R2(t) ш2, и последовательно интегрируя график ускорения . a2(t) = ), имеем кинематические диаграммы скорости и перемещения корпуса трамбо-теля. Осциллограммы изменения давления сжатого воздуха позволяют по-роить кинематические диаграммы движения поршня и корпуса трамбовате-и по ним определить силовые и кинематические параметры рабочего цикла, сспериментальные данные табл. 1 и экспериментальные характеристики рис. 'К дают возможность по формулам теории подобия и размерностей провести 1едварительный проектный расчет бесшаботных пневмотрамбователей. 5и наличие индикаторных диаграмм несложно определить расход воздуха >еднее значение расхода воздуха, потребляемое пневмотрамбователем опреде-ется

Т кр ^ хр

0VCP = 1/Тц (i0Vp(t)dt + iQvx(t) dt), (15)

е 0vP, 0Vx - соответственно переменные значения объемного расхода воз-ха при заполнении полостей рабочего и холостого ходов поршня, м3 /с; кр , Ткр, Тнх, Ткх - пределы интефирования, соответствующие началу и кон-г поступления сжатого воздуха в управляемые полости; Тц - время циклов, с. |Сходы бур , 0Vx выражаются через приращение массового количества воз-ха за некоторое перемещение поршня S]2 относительно цилиндраи через коли-ство воздуха, подаваемое в полости цилиндра.

dGmi = 8midt - CIi + Si2) Aidpj + AiPjdSig. (16)

6vi = Qsni/Po. (17)

8vi = V2gAZK (Pc"Pi)/(4b Pep) = 4.43Ak/4b ^'(Pc-Pi)/pcp, (18) ,e dGrai - приращение массового количества воздуха в полости i (рабочего или шостого ходов); Gmi- переменное значение массового расхода воздуха при за

-2.1-

полнении полостей; 1; - длина воздушных камер в полостях холостого и рабочего ходов поршня; dt, dp, dSu, - соответственно дифференциалы времени, плотности сжатого воздуха и перемещения; р, - среднее текущее значение члотности сжатого воздуха в полостях на рассматриваемом перемещении юршня; ро -плотность воздуха при нормальных условиях; g - ускорение свободного падения; Рс - сетевое давление; рф - средняя плотность сжатого возду-са; Ак - площадь сечения впускных каналов; Сп - безразмерный коэф-

фициент для

(энного сопротивления воздухоподводящей сети. Для определения расход юздуха подсчитывался по диаграммам рис. 2, б, и зависимости dPi /dt = f(t) рис. 2,з).

1ля пневматического поршневого трамбователя, движение корпуса которого не граничивается буртиком рабочего инструмента, как это имеет место для пнев-[атических молотков, важное значение приобретает снижение амплитуды коле-ания корпуса, особенно для ручных машин. Исследования по снижению виб-ационных характеристик корпуса пневматических молотков за счет изменения юрмы импульсов сил, действующих на него были проведены .В.Суднишниковым и др. Им же совместно с Тупицыным К.К. для анализа ко-сбательных движений был предложен метод импульсных пар. На рис. 3, а, б редставлены диаграммы изменения давления и результирующей силы Rift), гйствующей на корпус от сжатого воздуха в управляемых полостях, силы тя-ести Gk и усилия нажатия Fh . Силы трения при вертикальном расположении ашины не учтены. Колебательное движение корпуса совершается под действи-импульсов Si'. Для наибольшего смещения Sa корпуса трамбователя метод ипульсных пар дает следующее выражение;

Sa =l/mK(S'|t| -S'3 Ь) и Sa = l/mt (S'4t4 -S'2t2), (19)

in Sa=S'|T|/mK и Sa = S2T2/mK. Обозначив моменты импульсных пар , и Mj, окончательно запишем

Sa =JMj |/mK = ¡Mj'| / mK (20)

висимость (20) имеет место при установившемся движении корпуса, когда = const. Из (19) видно, что Sa зависит не только от величины действующих корпус трамбователя импульсов, но их формы. В отличие от полученной экс-риментально кривой 1 предлагается кривая 2 результирующей силы R2 (t), по-эляющая снизить наибольшее смещение корпуса Sa до Sa (рис. 3,в). Умень-:ние Sa в улучшенном цикле достигнуто за счет уменьшения плеча положи-

1ьной пары X'i по сравнению с первоначальным значением Х\. При этом важ-для сохранения энергии удара обеспечить равенство импульсов за время ра -

бочего хода (р , ограниченных кривыми 1-11-Ш-1 и 1-П-Ш-1. Уменьшив величину положительной импульсной пары, необходимо снизить также и величину отрицательной, чтобы равенство ¡Б'и |Т) = ¡Б'г^Т г не нарушалось. Это достиг; ется, как за счет изменения формы импульсов - и Б'г ,так и за счет снижет их величин, последнее возможно при обеспечении необходимых параметров движения ударника на холостом ходу. Усовершенствованный рабочий цикл с улучшенными вибрационными характеристиками реализован в техническом решении по а.с.№ 326278 СССР

Таблица 1

Сетевое давление, МПа 0,6 0,5 0,4 0,3

Параметры

! Среднее давление при 0,58 0,41 0,30 0,25

холостом ходе Р], МПа 0,42 0,37 0,28 0,24

2 Среднее давление при 0,49 0,36 0,35 0,22

рабочем ходе Р2, МПа 0,47 0,42 0,33 0,22

3 Среднее давление в полости хо- 0,46 0,26 0,28 0,08

лостого хода за время (р> Р]\ МПа 0,27 0,15 0,12 0,20

4 Среднее давление в полости ра- 0,44 0,16 0,19 0,18

бочего хода за время {х,Р;г\ МПа 0,27 0,27 0,21 0,21

5.Время цикла Тц, с 0,114 0,124 0,118 0,135

0,100 0,117 0,142 0,267

6. Хр = 1р/Тц 0,47 0,43 0,49 0,40

0,38 0,42 0,40 0,42

7 Тх = к/ Тц 0,53 0,57 0,51 0,60

0,62 0,58 0,60 0,58

8 Трх = /Тц 0,24 0,27 0,28 0,16

0,25 0,22 0,22 0,25

9 ТХр = ^р / Тц 0,20 0,19 0,15 0,40

0,15 0,15 0,22 0,30

Примечание. В числителе - для трамбовки Тр-1, в знаменателе-для Тр-6.

югими исследователями отмечались недостатки известных клапанных и ютниковых воздухораспределительных устройств. Полученный эксперимен-1ьный материал позволил оценить степень совершенства этих систем, примеры* в пневмотрамбователях. На рис. 3, г представлены диаграммы сил, дей-¡уюших на поршень трамбовки со стороны полости холостого хода 1, полости Зочего хода 2 и результирующей силы 3. Построенные интегрированием ¡мешенные графики импульсов Б) = А^) рис. 3, д и перемещения поршня I) рис. 3, в за время рабочего цикла Т„, позволили разбить шения поршня за время цикла на отдельные фазы (разгон поршня, - выбег его за время холостого хода К , Д ,„ - разгон и торможение линя за время рабочего хода 1р). Уравнение (10) для этого случая запишем в (с системы:

1| 1, 12 12

А|1 Р,(0А - А2 /Р20)Л + АР,(0сН - А2| Р2(1)с11+5о -ОДх= 0.

'» 'г

(21)

Ь ь и

АР, (0^ - А21Р2 (0с11+А|/Р|(0^(+5'г-О| 1Р=0 13

{) «2

уравнения (21) видно, что импульсы А2|Р2(1)сИ, А||Р|(0<1*, имеющие место

«и I,

(з 14

ше разгона и выбега ударника при холостом ходе и А|1 Р|(0сЙ, А|| Р|(0с1(,

пикающие от давления сжатого воздуха в фазе разгона и торможения при ра-|ем ходе являются нежелательными и должны быть сведены к нулю. В этом 'чае система (21) имеет вид:

А| |Р|(0сК - А2 / Р2(()Л+Б'

о -ОЛх —0

1.) 1)

(22)

Ь

-А2 | Р2(0СИ + Б; - в^о »2

а-графкк изменения давления в камере и в полости Р.Х.Р2(0 трамбовки Тр-1.

б-график результирующей силы 1^2(0, воздействующей на корпус пневмсттрамбовки Тр-1(кривая 1). То же для цикла с пониженной вибрацией(кривая 2). В-графики перемещения корпуса трамбовки: 1-для Тр-1; 2-для цикла с пониженной вибрацией.

г

т* 1

. *АГ . ."il .-t» .

i V y r

V4 j i

а Щ' ч \\ л

е. ' |(0 Г 4 èSJ. Xv. J H;

4.

----- ■t

•*'»• i

r »4 "

Г-графики изменения давления а полости Х.Х.(кривая 1),

Р.Х.(кривая 4),результирующей силы R(t) Тр-1(кривая 3) предлагаемый график изменения результирующей силы для энергосберегающего цикла (кривая 2). Д-графихи скоростей поршней: 1-для Тр-1 ; ï-то же для энергосберегающего цикла, е-графики перемещения поршней; 1-для Тр-1,2- для энергосберегающего цикла.

ушикновение импульсов противодавления вызвано несовершенством возду-|распределительной системы известных конструкций. На рис.3, г предложена ловая диаграмма (кривая 4 сплошная линия), форма которой близка к ра-юнапьной и может быть описана системой уравнений (22). Такая форма силой диаграммы для поршня может быть получена с помощью нетрадиционных здухораспределительных систем, например, с логическими блоками управле-|я. Для предлагаемого улучшенного цикла введем следующие оценочные ельные показатели:

Ку = Б'н/Б'г, Кс= Е у 1/Е у, Кг = е Б', 1, Е у), ^ - соответственно генерируемый импульс, энергия удара и частота я улучшенного цикла; Б', , Еу, Г - то же для известного. Числовые значения ельных показателей приведены в табл. 2.

Таблица 2

Тип машины Удельные показатели

Ку ке Кг

¡евмотрамбовка с клапанным воздухораспре- 1.76 3,10 1,02

1ением

¡евмотрамбовка с золотниковым воздухорас- 1,75 3,06 1,16

гделением

евмолом с клапанным воздухораспределением 1,21 1,46 1,00

ализ показывает, что устранение импульсов противодавления в фазах разгона ыбега холостого хода поршня и исключение импульса торможения в конце 5очего, позволяют увеличить ударный импульс бесшаботного пневмотрамбо-еля в 1,7, а шаботного в 1,2 раза, практически сохранив частоту удара К,-= ...1,16 . Результаты исследования внутреннего рабочего процесса пневмот-

о ват ел ей позволили сделать вывод о возможности дальнейшего повышения энергетических параметров и улучшения вибробезопасности за счет совер-нствования воздухораспределительных устройств и динамических свойств фных систем и предложить для этих целей комплекс мер, реализованных в гвматических трамбовках ТПВ-7 и ИП-4502.

Четвертая глава посвящена изучению процесса уплотнения грунта пневма-шскими трамбователями, исследованию режимов работы и обоснованию тональных параметров ударного взаимодействия их рабочего органа с уп-няемой средой. Из системы (12) видно, что генерируемый машиной ипульс

зависит как от параметров энергетического цикла, так и внешних сил тяжести Ом и усилия нажатия.

Рабочая характеристика пневмотрамбователя с энергией удара Е=28 Дж, ча тота 10,3 Гц при сетевом давлении Рс = 0,5 МПа, массой 11,5 кг представлена I рис. 4, а. Характеристика имеет две зоны - ударных и ударно-статических р жимов. Для удобства принято направление усилия нажатия в сторону грун-положительным. Зона ударных режимов подразделяется на два участка с п ложительным усилием нажатия (Рн >0) и отрицательным (Рн <0), которые имек место при окончательной отделки уплотняемой поверхности или подъеме трамбователя во время перестановки. Из ударных режимов при Рн 0>0 выдели следующие характерные: рациональные (Хархута Н.Я.), отвечающие условию 1 < ¡р и И £ (1...1,2)ат„ где ¡р - удельный ударный импульс трамбователя, ¡р - предельный удельный импульс грунта; II - толщина уплотняемого слоя; ат- меньший из размеров контактной поверхности трамбующей плиты.

Режимы с! >1 р, со значительным прониканием рабочего органа в грунт (режимы "штыкования", "вытрамбовывания"). Четкой границы между этими режимами не существует и "штыкование" в конце уплотнения по мере возрастай! 1 р может перейти в режим с I < 1 р. Применение режимов с прониканием рабоче го органа в грунт для уплотнения обратных засыпок позволяет увеличить глубину проработки и снизить энергоемкость процесса. Схема сил, действующих н рабочий орган трамбователя при условии 1 > 1 р и соответствующая этому режиму осциллограмма, показаны на рис. 4, б, в. Ударный импульс, воспринимаемый грунтом из условия предельного равновесия по площадке скольжения, яв ляющейся элементом поверхности скольжения, определится :

Б!г > тсК^Е <Ря (Со + <т„ tg фв) Твн, (23)

где Со - удельная сила сцепления грунта; <р„ - угол внутреннего трения; с„_ нормальное напряжение на поверхности скольжения

грунтового ядра; фя - угол образующей конуса ядра; твн - продолжительное

внедрения (проникания рабочего органа в грунт за цикл

работы машины). Для насыпного грунта можно принять фя= 0,7 фо,

где фо- угол естественного откоса фунта в покое ((р0= 45°). Для

плотного грунта ф, определим из условия 2ц = тс/2 - ф„, фя = фв/2,

где ф„ - угол внутреннего трения .

Ударно-статические режимы с "выстоем" трамбующей плиты на грунте возникает при условии Рн > Рш и Рн + бг < Р шах ,гдеРнь граничное значение усилия нажатия, при котором нарушается ударный режим трамбователя при ¡-ом сетевом давлении; Н шах - усилие, при котором трамбователь выводится из рабочего режима и "глохнет". Значения сил Рш и Р1 шах различны для конкретной конструкции пневмотрамбователей, зависят от сетевого давления и определяют резерв усилия нажатия и граничные значения генерируемого

шпульса S'v. Для ударно-статического режима уплотнения запишем:

;'„= S', + S'c = (Gm + Fh ) (Тц + т„) = (Gm + Fh )Tn , . (24)

де S'„ - полный импульс воздействия рабочего органа на грунт; »'с - статический импульс; т„- время статического воздействия рабочего органа грунтом (время "выстоя"); Тп - время полного периода работы машины за [икл. Максимальное значение силы нажатия F' max определится

F' max = G2 + kA2 Рс , (25)

ле к - экспериментальный коэффициент (0,7...0,8); А2- площадь юршня со стороны камеры рабочего хода; Рс - сетевое давление. В зоне удар-ю-статических режимов (рис.4, г) с увеличением нажатия до 2/3 F'max ударная оставляющая импульса взаимодействия трамбователя с грунтом почти не мелется, тогда как статическая возрастает. При F1 max ударно-статические режи-1ы переходят в режимы "вдавливания". Таким образом, рабочая характеристи-а машины позволяет назначить необходимый рациональный режим работы рлмбователя, определить необходимое усилие нажатия на корпус или величину ригруза; обобщенно характеризует ее технологические качества, эффективность воздействия трамбователя зависит от способа передачи генери-уемого импульса грунту. Генерируемый импульс пневмотрамбователя пере-ается грунту или непосредственно - в этом случае трамбующая плита закреп-яется на штоке поршневого цилиндра (бесшаботный трамбователь) или с по-ощыо плиты-шабота, по хвостовику которой наносятся удары ударником-оршнем (шаботный трамбователь). Простое сравнение импульсиых диаграмм средами генерируемого импульса грунту, проведенное в работе, показывает ренмущество бесшаботной конструкции трамбователя перед шаботнои. Прове-енные сравнительные испытания трамбователей, выполненных по шаботной и есшаботной схемам, подтвердили преимущество бесшаботного трамбователя. |ц имеет большую производительность (на 15...20%), чем шаботные машины, в ва раза меньшую энергоемкость процесса уплотнения и отвечают основным эебованиям по уплотнению грунтов обратной засыпки. На основании ис-(едований предложены новые ударные механизмы, защищенные с.№ 247991, № 326278, № 486104 СССР. В результате экспериментального ^следования процесса ударного взаимодействия бесшаботного рабочего органа грунтом, получены его основные параметры (таблица 3) необходимые для эоектировання машин.

se -

Таблица 3

\! Давление Время Время Время Время 2-ой ту /Тц в сети, цикла рабочего удара фазы удара МПа Тц, с хода, с ту,С Тг, с

0,50 0,40 0,30

0,110 0,051 0,014 0,006 ' 0,127 0,119 0,049 0,025 0,013 0,210

0,222 0,092 0,032 0,133 0,144

В пятой главве изложены теоретические основы проектирования и расчета оздухораспределительных устройств пневматических машин ударного дейст-ия. Выше,во втором разделе, отмечалось многообразие систем обеспечения иергоносителем рабочих камер пневмоударных механизмов и рассматривались х свойства как объектов с элементами автоматики. Разработка регулярных ме-одов расчета систем воздухоподачи УПМ усложняется многофункционально-тыо их отдельных звеньев. В зависимости от структурного класса механизма х проектирование имеет следующие особенности: первый класс механизмов с сзависимой от движения поршня-ударника работой силовой сети воздухорас-ределения имеет все признаки системы с дискретным автоматическим управ-¡.чшем и может проектироваться на основе теории АСУ машин-автоматов Л.А.Гаврилов, В.М.Глушков, Е.В.Герц,

.В.Крейнин, 1 0 С.А.Юдицкий, Т.К.Ефремов, А.А.Таль и др.); второй ■тсс пневмоударных механизмов, для которых в качестве распределительных ■ементов используются ударник или поршень штокового цилиндра в паре с ишндром при проектировании имеет аналогию с разработкой ктем автоматики для станков с кулачковыми перепрограммируемыми тройствами с жесткой дисциплиной выполнения операций технологического юцесса. Третий класс машин обладает той особенностью, что элементы трного механизма частично выполняют роль силового распределительного тройства и, следовательно, поршень-ударник с цилиндром при разработке стемы АУ должен войти в объект управления в качестве одного из его узлов, [повременно являясь рабочим технологическим органом, для управления ко-рым проектируется система. В обшем случае пневматическая ударная ма -ша с обслуживающей ее автоматизированной системой подачи эне -оносителя представляется следующей обобщенной схемой (рис. 5, а). Пнев-»ударный механизм ПУМ подключается к источнику энергии ИЭ - компрес-рному пневмопроводу сжатого воздуха через пусковое устройство (ПУ) и спределительные органы Еро , управляемые сервоприводами 1СП. Раслреде-тельные органы и их сервоприводы составляют объект управления ОУ, при

каждый пневмораспределитель является отдельным узлом объекта управления. Управляющий автомат (устройство) УА задает программу работы ОУ с помо-шмо набора сигналов Ъ1 и формирует программу на основе набора входных сигналов Х1 от системы датчиков ЕД и регулирующего устройства Р, подключенного к средствам вычислительной техники СВТ, при их наличии . Если условия реализации вход-выходного набора УА требуют установки блока памяти П, то он предусматривается в системе управления УА может иметь индивидуальный источник питания ИП или систе му подготовки сжатого воздуха при питании от сети ИЭ.

Разработка теории проектирование УПМ с АСУ воздухораспреде-лением потребовала решения ряда задач, ранее не встречавшихся в области исследования пневмоавтоматики и ударных механизмов. На стадии алгоритмиче ского проектирования ставится задача математического оформления всех дейст вий узлов управления и управляющего устройства. УПМ имеют достаточно большое количество разнообразных рабочих циклов. Для их математического представления используются графовые модели в форме ориентированного конечного графа. На рис.5, б, в, представлены графы операцией рабочего цикла для нулевого и первого семейств пневмоударных механизмов. Вершинг ра-фов Б) соответствуют той или иной операции рабочего цикла. Набор булевых переменных Яь-Я п, где п - число воздухоподводящих и отвс дящих каналов определяет внутреннее состояние УПМ на момент выполнени той или иной операции (процесса) рабочего цикла в вершине 8. Физически он соответствуют наличию потока сжатого воздуха я ; =1 или его отсутствие qJ=< Д)ги (направленные ребра) помечаются условиями 1л , на основе которых пр( исходит переход из одной вершины графа в другую. Содержание условий зави сит от свойств узлов объекта управления и до их выбора функция У имеет символический смысл. Представленные графы имеют траектории (пути), замкнутые в цикл, которые могут быть реализованы в машине при выполнении условий перехода У . Вершина Бо соответствует нерабочему состоянию машины с любым возможным набором переменных qj.Il условию Ьо механизм принимает внутреннее состояние Б]. Для построения управляющего устройства необходимо знать не только программу его работы, например, в форме графа операций рабочего цикла, но и свойства узлов (испол нительных механизмов), входящих в объект управления. Под узлом объекта управления понимается часть его, соответствующую одному управляемому параметру. Для пневмоударных механизмов с модулями первой группы узел физически будет соответствовать двухлинейному, двух- или трехпозиционному распределителю. В качестве управляемого параметра выбраны перемещение золотника или клапана, а для машин третьего класса и поршня-ударника, однозначно определяющие рабочие позиции , а для перво

I руипы механизмов потоки qj.

Для последующих групп механизмов однозначное соответствие рабочих по -зиний распределителей (их внутренних состояний) потокам я, обеспечивается дополнительными средствами (применением в качестве сервопривода позиционеров, подключением взаимно альтернативных потоков к пр.). Область изменения параметра (перемещение, определяемое крайними положениями) с помощью сигналов XI датчиков разбивается на отдельные участки. В работе рассмотрены узлы объектов управления и их графовые модели воздухораспределительных систем пневмоударных механизмов первого и третьего классов и проверена их систематизация по признакам, предложенным С.А.Юдицким и пр. На рис. 5,г для модуля первого семейства представлен исходный материал !шя разработки функциональной схемы УА, содержащей узел управления 5,д, рпф его работы 5, е и граф объекта управления в форме одной из траекторий графа операций рабочего цикла 5, ж. УПМ с автоматической системой воздухо-тспределения можно свести к дискретным устройствам с двухпозиционными функциональными элементами типа "включен", "отключен". Управляющие .стройства таких систем принято моделировать конечными автоматами. Модель «оиечного автомата была предложена С.К.Клини и позволяет формализовать ра-Зогу УА системы воздухораспределения при его проектировании. Условия рабо-ы УА записываются в виде таблицы состояний моделирующего автомата, в ко-орон каждому из структурных входных состояний сопоставляется структурное исходное состояние, определяемое графом поведения ОУ (рис. 5, з). Условия »аботы УА не должны иметь противоречий при их реализации комбинацион-1ым автоматом. В большинстве же случаев такие противоречия в условиях яботы УА воздухораспределения УПМ имеются, в частности, одному и тому се входному набору соответствуют два различных выходных состояний. При мличии противоречий в условиях работы УА они могут быть реализованы толь-о в автомате с памятью (последователыюстном автомате).

Так при проектировании УА УПМ с модулем рис. 5, д было введено два нутренних состояния В, и В2 с переменными у, и у2) разбившими входные пе-еменные на два множества. При сравнительно небольшом числе вход-ыходных переменных для получения алгоритма >ункционирования системы управления воздухораспределением можно спользовать общие методы, принятые при проектировании машин-автоматов.

Описание алгоритма выполняется с помощью графа операций, ¡ершины графа соответствуют элементарным операциям и отмечаются оныонкциями входных сигналов объекта Тл , ребра графа отмечаются словиями перехода от операции к операции - дилогическими формулами в ал-щвите входных переменных УА и их отрицаний. В состав графа включаются аборы от внутренних переменных у: и к вершинам

добавляются в качестве операций включение и отключение памяти В;. Условия перехода упрощаются исключением переменных, которые не являются необходимыми и записываются в виде упрощенных формул включения. Граф оптимизируется по булевым функциям включения и позволяет провести техническое проектирование пневмоударного механизма с наименьшим количеством логических элементов. Для механизма рис. 5, г такой алгоритм в форме графа представлен на рис.6, а. Структурно-функциональная схема этого же механизма, реализующая алгоритм, выполнена на рис. 6, б. Граф рис. 6, а определяет лруктуру УА и включает шесть элементов логического умножения "И" и эле-чент памяти с линиями для сигналов входа В|, В2 и выхода у|, у2. Для по-ггроения линий связи принято состояние

шепмоударного механизма и узлов управления (распределителей), федписываемое вершиной первого логического такта. На стадии технического фоектирования автоматизированных систем питания УП М решается задача о ттериализации структурно-функциональной схемы техническими средства-1и. Безусловным достоинством при этом будут обладать стандартные системы лементов, применяемые в промышленной пневмоавтоматике в случае их тех-мческой совместимости с УПМ. Основными критериями выбора элементов \СУ (струйных, мембранных, поршневых и пр.) будут являться обеспечение еобходимого быстродействия, надежности, экономичности, в частности, по расходу воздуха и совместимости по параметрам с силовой системой питания и пневмоударным механизмом. На рис. 6, в,г представлена тахограмма рабоче-I) процесса пневмотрамбователя с клапанной и золотниковой системами возду-ораспределения при уплотнении грунта. На рис.6,г,д -расчетные тахограммы ля УПМ с системой воздухораспределения, выполненной по структурно-ункциональной схеме на элементах УСЭППА и струйных элементах, ахограммы построены методом Д.М.Зайгермахера с помощью определения ремени передачи сигнала по цепи пневматических дискретных элементов с 1етом времени их срабатывания. Расчетные тахограммы показывают, что \СУ воздухораспределением при реализации их на стандартных элементах моп быть применены для разработки машин средней и большой мощности. Покоенные тахограммы дают предварительную оценку быстродействию разра-гганной системе АУ, позволяют уточнить ее технические возможности , вне-и необходимые коррективы при выполнении технического проектирования, разделе даны примеры механизмов, различной конструкции к назначения, |роектированные по предлагаемой методике .

В шестой главе рассмотрены методические вопросы конструирования уптоуплотняющего оборудования на базе пневматических трамбователей 1я ведения работ в стесненных и труднодоступных местах, определенных 1иП 3.02.01-87. Проанализированы известные навески-манипуляторы и

пособность их обеспечить работу трамбователей в зоне уплотнения с наи-юльшим коэффициентом реализации производительности ударного устройст-¡а и оптимальности процесса уплотнения, зависящего от усилия нажатия, прикладываемого к корпусу машины. Установлено, что навески на тракторах, 1рименяемые для работы с трамбователями, а также экскаваторное оборудова-[ие,используемое для этих целей, снижают теоретическую производительность плотнителей в среднем на 30...50% из-за несоответствия их кинематических и еометрических параметров характеристикам ударных узлов и условиям выпол-ения технологических процессов. Для пневмотрамбователей, требующих при аботе частой перестановки в различные точки обрабатываемой среды, задача овышения их эффективности без применения средств автоматизации становит-я проблематичной. В работе предложен вариант применения локальных редств автоматизации отдельных систем и механизмов трамбующей машины.

Анализ энергетических и технологических параметров средств механизации, рименяемых в настоящее время для уплотнения грунтов обратной засыпки, по-азал, что диапазон мощностей в зависимости от зоны уплотнения, определяет-ч интервалом от 50 Дж до 1700 Дж, частот - от 4...13 Гц и масс - от 10 до 500 кг. сходя из этого, с целью проектирования и в дальнейшем производства бес-аботных пневмотрамбователей, разработан размерно-параметрический ряд ашин. Для типовых рядов пневматических машин ударного действия в зчестве главного параметра принимается работа единичного удара (ГОСТ )211 -76). Для трамбующих машин в качестве главного параметра необходимо >1Ло бы выбрать ударный импульс генерируемый машиной, определяющий ос-эвные ее технологические параметры, но это представляло бы определенные >удности для специалистов, оценивающих машины при сложившейся практике юектирования по энергии и частоте ударов. Поэтому размерно-фаметрический ряд пневмотрамбователей предлагается нормировать по двум фаметрам - энергии удара Е и массе ударной части ш, назначив значения их личин из ряда Я5. Так как генерируемый импульс Б'г связан с Е и ш зависи-зстью Б'г = ^2те, то его значения с небольшим допущением составят ■полный ряд И40. Параметры ряда представлены в табл.4 и на диаграмме 1С.7, где по оси абсцисс отложены значения массы ударной части ш , а по и ординат - энергия удара. Предварительно назначив предударную скорость ряда Уу = 7,0; 5,6; 4,5 м/с, которая является оптимальной при работе трам-ющих машин (Хархута Н.Я. и др.), определим необходимые Е и ш, отвечаю-ие ряду Я5. Десять типоразмеров машин ряда с условным обозначением ПТ-...ПТ-4000 имеют теоретическую производительность от5 до 900 м 53 0/час и еспечивают уплотнения фунта обратных засыпок в самых различных техно-гических зонах. По результатам, проведенных теоретических исследований сшаботных пневматических трамбователей и опыта разработки грунтоуплот-ющих машин, предложена обобщенная методика их аналитического проекта -

Таблица 4

1 и п. ы.

Параметры пт-вз ПТ-100 гтг-160 ПТ-250 ПТ-400 ПТ-630 ПТ-1000 ПТ-160С ПТ-2500 ПТ-400

Частота ударов, 1/с 10 9 8 7 6.3 5 4.5 4 3 2.5

Диаметр плиты, 1/1000. М* 60 во 100 120/140 « 150/170 200/250 250/280 300/400 300/500 500/60С

Расход воздуха, 10/1 ООО »Ас 14 20 29 40 57 71 102 144 181 221

Масса машины.

«г. 22 Зв 48 70/95 100/140 140/200 200/290 430/800 1200 160С

Производ-сть.шч S 8 18 30 40/60 80/100 140/180 250/400 270/650 55огаос

4000 2500 1600 1000 630 400 250 160 100 63

1 Л

2,5 4 6,3 10 16 25 40 63 100 160 250 400 масс ударной части,кг. 17 28 45 71 110 180 280 450 780 1120 SJ при скорости 7м/с 6 Не. 90 140 220 480 560 850 140 S¿ при спорости 5,6м/с (ме. 720 112 170 S¿ при скорости 4,5м/с/ не

РИС. 7

ювпния. Методика включает несколько основных этапов, которые связаны с >асчетом технологических характеристик, энергетических параметров рабочего 1икла и системы воздухораспределения пневмотрамбователей. За исходные шнные приняты требуемая производительность машины П; вид и состояние ма-ериала обратной засыпки, определяемые содержанием глинистых частиц Д%, важностью W% и

шотностыо р„ , которая должна быть достигнута в процессе уплотнения. Вве-[ением коэффициентов формы трамбующей плиты Кф, перекрытия проходов

Гх совершенства конструкции подвески-манипулятора Кэ , и отношении Kz =li/a fn = f/n п, где h - толщина уплотняемого слоя грунта, а - размер меньшей сто-оны трамбующей плиты, f - частота ударов трамбователя, n<j - число ударов, ¿обходимое для получения требуемой плотности рн по всему слою уплотнения, редварительно устанавливается размер а трамбующей плиты.

а = 0,065 [П т / (Ке f0)]17 3 , (26)

ае Кг= КфКч К, К/.. Значение коэффициентов, входящих в Кг, обосно-зны экспериментально и на основе опыта проектирования трамбующего борудования. Размеры трмабующей плиты (штампа) и ее площадь А т озволяют определить необходимую величину генерируемого ударного «пульса. Имеем два соотношения, позволяющих это выполнить SWaJcrAT/f, (27) S'r = 1рАт, (28)

Зависимость (27) определяется статическими характеристиками ашины и 0ст = (G м ± IFH)/ А т, (29), так как S гс устанавливается по 2). Значения [ а]а по аналогии с виброударными плитами назначаются в за-1Симости от свойств фунта и необходимой нормативной плотности в пределах )...25 КПа для hs (1,0...1,2) а и р =0,98dmax и 8...11 МПа для hs ,0...1,2)а ир = 0,95рЛтах(Н.Я.Хархутаидр.)

При уплотнении фунтов обратной засыпки экспериментально определено [а ] 20...25 КПа при h = (2,0...2,5)а и р= 0,98pdmax .Зависимость (28) отражает мимический характер процесса трамбования. Выбрав значения [ о]ст и ip по комендациям раздела 4, устанавливаем массу машины при нулевом усилии жатая ( SFh = 0) и массу ударной части трамбователя, предварительно задава-ь предударной скоростью по соотношению шм = Src' f/g (29), m i = SVVy, (30) Соотношения (26)...(30) позволяют определить необходимые размеры амбующей плиты, массу машины и ударной ее части, рациональную глубину лотнения, требуемую величину ударного импульса и назначить частоту удав при заданных производительности и свойствах уплотняемого фунта. По установленной величине необходимого ударного импульса S1 ¡астате ударов ведется проектирование пневмоударного механизма сшаботного трамбователя. Определяются геометрические параметры

машнны: объем рабочих камер, уточняются кинематические и энергетические характеристики.

При расчете используются следующие экспериментально полученные зависимости:

А2 = Ъ^Щ Х211 - уРс -О,0 . (31)

V, = 0,45Р2А2/(т,0- (32), 8 = ш,Угу/(2Р2А2). (33)

Ь = 1, +8+1„ +12. (34), 1, = 12 = (0,15...0,2)5. (35)

!„ =(1... 1,5)0. (36)

В соотношениях (31)...(36) А2 - площадь сечения поршня; Р^ =(4,5...4,8).106Па/с - размерный коэффициент; Рс-сетевое давление; Ш], в] - соответственно масса и сила тяжести поршня-штока; Р2 - среднее давление сжатого воздуха в рабочей полости цилиндра (по табл.2); Б - рабочий ход поршня; 1п - длина поршня; Э -диаметр поршня; Ь , 12 - соответственно длины аккумулирующих ка-мер.Отношение Ш1ш, где с!ш - диаметр штока поршня назначается конструктивно с учетом обеспечения необходимых параметров холостого хода поршня; 6- расход воздуха подсчитывается по рекомендациям раздела 3; проектирование воздухораспределительной системы УПМ рассмотрено в разделе 5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация является законченной научно-исследовательской работой, содержащей научное обоснование, теоретические основы разработки и внедрения пневмотрамбователей- эффективных средств механизации, обеспечивающих решение проблемы по уплотнению грунтов обратных засыпок в строительстве. Выполнен комплекс аналитических и экспериментальных исследований динамики, рабочих процессов, систем подачи и распределения энергоносителя, технологических особенностей бесшаботных пневматических трам-бователей; получены результаты, позволяющие проектировать машины с рациональными параметрами и оптимальными режимами уплотнения.. Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем. I. На основе анализа состояния проблемы показано, что оборудования, приме няемое для уплотнения обратных засыпок, малоэффективно при уплотненш глинистым грунтом не обладает необходимыми технологическими параметрами для качественного уплотнения. Экспериментально установлено, чтс бесшаботные трамбователи с ударным и ударно-статическим воздействием н; грунт имеют в среднем 2 раза меньшую энергоемкость уплотнения, чем ша ботные, широкий диапазон изменения ударного импульса (5...10), что позво ляет

плотнять грунты обратных засыпок с различным содержанием глинистых час-иц до необходимой нормативной плотности.

. Получена зависимость генерируемого ударного импульса пневмотрамбователя как- от параметров рабочего никла, так и усилия нажатия на корпус, изменением которого достигается необходимый ударный, ударно-статический режим работы и обеспечиваются рациональные параметры процесса уплотнения. . Выявлено, что на участках пуска сжатого воздуха в камерах при холостом и абочих ходах, производная переменного давления по времени является величи-ой постоянной. Это позволяет упростить систему уравнений динамики движе-ия звеньев трамбователя и получить зависимости расхода и ударного импульса т давления в форме линейных уравнений с опытными коэффициентами . Доказано, что в структуре рабочего цикла пневмотрамбователя для фаз разгона и выбега при холостом и рабочем ходе поршня, кроме импульсов, обеспечивающих необходимое ускорение или замедления движения поршня-штока входя импульсы противодействующие разгону или выбегу, частичное или полное устранение которых обеспечивает повышение энергии удара машины в 1.3...1.5 раза.

. Показано, что повышение вибробезопасности ручных пневматических трамбовок и снижение виброактивности корпуса навесных трамбователей достигается за счет уменьшения величин разно направленных и равновеликих импульсных пар суммарной диаграммы сил от сжатого воздуха, тяжести и усилия нажатия, действующих на корпус за время равное одному циклу. Для сохранения при этом энергии удара машины, положительная импульсная пара, действующая при рабочем ходе поршня, должна быть уменьшена за счет преобразования формы импульсов (сокращения плеча пары), а не их абсолютных значений.

Разработаны методологические основы аналитического проектирования пнев-мотромбователей, включающие структурную классификацию на основе графических модулей, алгоритм проектирования воздухораспределительных стройств как объектов с автоматической системой управления подачей сжатого зздуха, для чего разработаны графы- модели рабочих процессов, модели объектов управления и управляющих устройств (автоматов), методы технического роектирования - реализации структурно-функциональных схем пневмоударных

механизмов на основе элементной базы пневмоавтоматики . На основе выполненных исследований по динамики и кинематики рабочего процесса машин разработаны и внедрены в производство конструкции вибробезопасных пневмотрамбовок типа ТПВ -7, ИП-4502. .выпускаемых серийно.

этическим продолжением настоящей работы являются исследова-1Я по динамике навесок-манипуляторов, работающих с навесными

трамбователями, разработка автоматизированных систем управления грунтоуп лотняющих установок, применяемых в стесненных условия» строительно! плошадки на уплотнении грунтов обратных засыпок.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

I .Клушин H.A., Суворов Д.Г., Абраменков Э.А. К исследованию процесса работы ручной пневматической трамбовки // Изв. вузов. Строительство и архитектура.-1966.-№9.-С. 112-116.

2. A.C. № 326278 СССР. Пневматическая трамбовка // Д.Г.Суворов, Ю.В. Погарский. Э.А. Абраменков.(СССР № 1435462/ 29-14; Заявл. 29.04.70. Опубл. 19.01.72.Бюл.№4.

3. Суворов Д.Г. Режимы работы ручных трамбующих машин // Изв. вузов Строительство и архитектура. -1972.-№8.-с. 103-106.

4. Суворов Д.Г. Улучшенный цикл пневматических поршневых машин // Изв. вузов Строительство и архитектура.-1973 .-№ 7. -С. 172-175.

5. A.c. № 26278 СССР, МК и EOlc 19/32. Пневматическая трамбовка / Д.Г.Суворов, Ю.В.Погарский, Э.А.Абраменков (СССР). -№ 1435462; Заявл. 29.04.70; Опубл. 1972, Бюл. №4

6. Д.Г.Суворов., Клушин H.A. Анализ рабочих параметров пневмотрамбовок с применением теории подобия и размерностей // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1967. -№12 - С. 140146.

7. А. С. № 277819 СССР EOlc 19/32. Устройства для уплотнения фунта / Д.Г. Суворов, Ю.В.Погарский Г.Ф. Тимофеев,

Э.А. Абраменков (СССР). - №1323695 / 29-14; Завял. 10.04.69.

8. Клушин H.A., Суворов Д.Г., Маслаков П.А. Особенности пневматических трамбовок и свойства их импульсивных диаграмм

//Ручные пневматические машины ударного действия с пониженной вибрацией: Сб.науч.тр. ИГД СО АН СССР.-Новосибирск, 1974.-С. 63-68.

9. Клушин H.A., Суворов Д.Г., Маслаков П.А. Влияние веса корпуса и усилия нажатия на рабочий процесс пневмотрамбовок // Ручные пневматические машины ударного действия с пониженной вибрацией : Сб.науч.тр. ИГД СО АН СССР. - Новосибирск, 1974. -С. 82.

10. Клушин H.A., Суворов Д.Г., Маслаков П.А., Кожов В.П. Режимы работы пневмотрамбовок // Ручные пневматические машины ударного действия с пониженной вибрацией: Сб.науч.тр. ИГД СО АН СССР. - Новосибирск, 1974. С. 76 - 80.

11. Суворов Д.Г. Классификация ручных пневматических машин ударного действия и их структурно-пневматические схемы // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1983 №10 С. 130 - 135.

12. Суворов Д.Г. К вопросу проектирования автоматизированных воздухораспределительных строительных пневмоударных машин.// Изв.вузов. Строительство и архитектура. 1988 №3 С. 98 -101.

13. Суворов Д.Г. Резервы улучшения энергетических параметров строительных пневматических машин ударного действия //Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1981 №6 С. 103 - 106.

14. A.C. №507696 СССР, МКИ Е02с 19/00.Устройство для уплотнения грунта / Н.П. Ряшенцев, Д.Г.Суворов, Ю.В. Погарскин (СССР).-№ 1903491; Заявл. 06.04.73; Опубл. 1976, Бюл. №11.

15. Суворов Д.Г. Применение автоматических систем управления в пневматических ручных машинах ударного действия//Строительные и дорожные машины.-1991.-№3.-С. 17-20.

16. Суворов Д.Г. Исследование пневматических машин ударного действия методом кинематических диаграмм //Изв. вузов. Строительство и архитектура.-1975.-№6.-С.113-118.

17. Суворов Д. Г. Вопросы анализа и синтеза пневмоударных механизмов ручных строительных машин //Изв. вузов. Строительство и архитектура.-1986.-№.П.-С.106-109

18. Суворов Д.Г. Структурные особенности пневматических машин ударного действия как автоматизированных систем // Изв. вузов. Строительство и архитектура.-1989.-№. 12.-С.90-94

19. Суворов Д.Г. К разработке математических моделей ударных пневматических машин // Изв. вузов. Строительство.-1992.-№4.С.92-97

20. Суворов Д.Г. ,Абраменков Э.А. Перспективы применения пневмоавтоматики для автоматизации и роботизации строительных машин //Изв. вузов. Строительство.-1994.-№11. С.Л&-ИЧ

21. Суворов Д.Г. К разработке комплекса машин и оборудования для уплотнения грунтов обратной засыпки//Изв. вузов.

Стро ител ьство. -1995. -№ 12. -С. 107-110

22.№1523658 СССР МКИ Е02 5/30 Е01с 19/00. Ударный

механизм/Д.Г.Суворов (СССР).-№4317910; Заявл. 20.10.87; Опубл.

1989, Бюл. JJsbi, 13S*.

23. Суворов Д.Г. Технологические качества бесшаботных

пневматических трамбователей//Изв.вузов.Строительство.-1997,-

№4.-С. 136-141.

Jp^-J—

НГАСУ.Т.100.3.* 43,1998. ^

/1 /У у / ' / > / ;

Министерство общего и профессионального образования

Российской Ф

Новосибирский государственный архитектурно-строжелънкк университет

На правах рукописи

СУВОРОВ ДЩТРШ ГРИГОРЬЕВ^

Теория и методы проектирования; пневмотрамбователей для уплотнения

грунтов и смесей З.с^.3 4,

7 1 I " л 1 ^

//...... Ы-^ль^Л

" -, - Г 4

л

Специальность 05,05,04 - Дотэожные ж

......... V: - 4

ч

строительные :машины

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Новосибирск 1998

ее*

СОДЕРЖАНИЕ

Введение................ .

1. Состояние вопроса и задачи исследования ...... 21

1.1. Особенности уплотнения грунтов в промышленном и 21 гражданском строительстве ....... ..... 21

1.2. Грунтоуплотняющее оборудование для работы в стесненных условиях строительного производства... . . 25

1.2.1. Ручные машины для уплотнения грунтов первой зоны обратной засыпки .............. 27

1.2.2. Средства механизации для уплотнения грунтов

второй зоны засыпки .............. 39

1.2.3. Уплотнение обратных засыпок глубоких пазух-щелей (зона 3) и пазух под трубопроводами (зона 4) 45

1.2.4. Общие требования к грунтоуплотняющим машинам для выполнения обратных засыпок в стесненных

у оло в ичнх в«**«есо»«аоо»»е»»е** 4:5

1.3. Основные направления научных исследований по уплотнению грунтов. ................ 4-9

1.4. Анализ исследований в области разработки теории

и создания пневматических ударных машин ..... 62

1.5. Задачи исследования ..... .......... 87

2. Разработка структурной классификации, вопросы стру- 89 ктурного анализа и синтеза УЖ и пневмотрамбовате-

лей ............ ....... ..... 89

2.1. Проектирование структурных схем: пневматических ударных механизмов (ПУМ), символика и изображе-

2.2. Анализ структурной схемы УПМ по операциям' внутре-

ннего рабочего процесса машиш .......... ^

2.3. Предложения по структурной классификации УШ\/Г. . .' ЮЗ

2.4. Применение структурной классификации к анализу

УИ/1 . . . . ................... 109

2.5. Применение структурной классификации к синтезу

3. Вопросы динамики и совершенствования рабочего процесса пневмотрамбователей............. 115

3.1. Разработка и описание базовых математических моделей пневматических трамбователей...........115

3.2. Экспериментальное исследование рабочего процесса пневматических трамбовок. ...... ...... 129

3.2.1. Рабочий процесс и технические характеристики поршневых УЕМ ................. 130

3.2.2. Применение метода силовых, кинематических диаграмм при экспериментальном: исследовании УЕМ. . 138

3.3. Совершенствование пневмотрамбователей н.а основе анализа осциллограмм рабочего процесса. ..... 147

3.3.1. Улучшение энергетических показателей рабочего

цикла машин .................. 147

3.3.2. Рабочие циклы пневмотрамбователей с улучшенными вибрационными характеристиками ....... 154

3.4. К определению расхода сжатого воздуха УЕМ .... 161

3.5. Некоторые зависимости, вытекающие из диаграмм

рабочего процесса пневмотрамбователя. ...... 167

3.5.1. Генерируемый импульс. ..... ..... ... хб7

3.5.2. Уравнения термодинамики да отдельных процессов

«^д .¿«гл- X •*«.- «ввевеооаоввеовавоа»«

3.5.3. К расчету пневмоударного механизма по средним интегральным значениям давления сжатого воздуха в управляемых полостях. . . . ........ 171

4. Особенности технологического процесса уплотнения

грунта пневматическими трамбователями. ........ 175

4.1. Импульсные диаграммы грунтоуплотняющих машин со свободно падающей трамбующей плитой....... . 175

4.2. Ударное взаимодействие пневмотрамбователей с грунтомev*«eoee«o*ee*«eeeaeoo

4.2.1. Основные зависимости характеристик ударного взаимодействия с параметрами внутреннего рабочего цикла пневмотрамбователей . ........ 182

4.2.2. Некоторые результаты экспериментального исследования ударного взаимодействия пневмотрамбо-

вателя с грунтом ................ 189

4.2.3. Сравнительная оценка эффективности уплотнения

грунта шаботным и бесшаботным трамбователями . . 200

4.3. Рабочие характеристики и режимы уплотнения грунта бесшаботных пневмотрамбователей ........ 203

5. Разработка принципиальных схем пневматических трам-бователей с управляющими устройствами (автоматами)

в системе воздухораспределения. .......... 214

5.1. Краткая история создания теоретических основ дискретных систем автоматики. ....... ..... 214

5.2. Основные понятия и предпосылки проектирования УПМ

с управляющими устройствами-автоматами ..... . 217

5.3. Операции рабочего цикла УШ и графы последовательности их выполнения. ............. 223

5.4. Узлы объектов управления УПМ .......... . 229

5.5. Объекты управления УБРЛ и их типовые математические модели. ..........................234

5.6. Проектирование управляющего устройства - управляющего автомата и алгоритма функционирования системы управления воздухораспределением ........ 236

5.6.1. Математическое представление управляющего устройства ..................... 236

5.6.2. Графы состояний УУ системы В.Р.У1Ж. ....... 241

5.6.3. Установление внутренних состояний многотактных 247 автоматов ........... ......... 247

5.6.4. Разработка алгоритма функционирования системы управления воздухораопределением УЕМ. ...... 248

5.7. Построение структурно-функциональной схемы АСУ воздухораспределением УПМ............. 252

5.8. Алгоритм разработки структурно-функциональной

схемы УПМ с АСУ воздухораспределением: ....... 255

5.9. Техническое проектирование системы управления воздухораспределением' УПМ............. 258

6. Вопросы конструирования грунто-уплотняющего оборудования для обратной засыпки на основе пневматических трамбователей. ................ 281

6.1. Технологические предпосылки и обоснование пара-

9 ОТ

метрического ряда пневмотрамбователей ....... CU1

6.2. Построение параметрического ряда пневмотрамбователей .........................285

6.3. Особенности конструкций подвески и манипуляторов, применяемых для трамбователей ........... 293

6.4. Основные- этапы общей методики проектирования уплотняющего оборудования на базе пневмотрамбователей .... ......... .......... 304

Заключение ...................... 315

Литература ....... ............... 318

Приложения ............... ..... . » 350

Актуальность темы

Отечественный п зарубеювын опит по i/.ехашшацни уплотнения грунтов обратной засыпки в строительстве показывает, что проведение этих работ вызывает значителыше трудности, так как они не могут быть выполнены грунтсуллотнптсльпю; •: i laniBHaj и общего назначения. , то связано с особенностью технологических процессов, которые сводятся к следующему:

- при выполнении обратных засыпок необходимо обеспечить сохранность возводимых и смонтированный елеыентов инженерных сооруыени' , что ограничивает силовые параметр;.! процесса ¿плот-нения ;

- работа ведется в стесненны;; и особостесненных условиях строительно-" пйэтцедка с рассредоточенными объез их п в ограниченных по размерам ш сложных по конфигурации рабочих зонах;

- норм:: плотное??., улонеиного прЖ засыпке грунта, дол ню быть достаточно высоки и составлять от макс иг:аль-но' стандартно;' плотности.

Подобные условия резко с ни. .ант проиаводательдать известных грунтрунлотентельнь::. юашин или делают их применение экономически нецелесообразным. Кеде уплотнение засыпного грунта из-за его просадки приводит к разрушению элементов зданию и соо-руменп'- и затрудняет их дальне пцп эксплуатации. Па ре: онтно-Еосстановителыше работы затрачиваются значительные деке: -и¡е средства, дефицитные материал:: и трудовые ресурсы» "о данный бывшего Юннстроя ОС"? стою.ости Только ремонтных материалов составляла свыше 1-го ылрд.руб в год. Годово- объе:. грунта

при обратных засыпках по страна!.. СНГ превышал I млрд.м3 Сданные |,:]7ГТ0:.тТГг). Анализ средств механизации t нрггленяемпх при уплотнении грунтов обратной засыпки показал, что они мало э./,ек-тивнн при работе с тяжелыми глинистыми грунтами и механизируют не более четверти всего объема работ в строительстве.

Перспективным направлением разработки оборудования для механизации уплотнения грунтов обратных засыпок является создание машин с непосредственны», и комбинированны-, воздействием активного ударного органа на грунт, к которым относятся пневматические бвещзботные трамбовки. Они прости по конструкции, долговечны и э^дективы при уплотнении различных по лФиконпеханическж; свойствам грунтов. применение их в строительстве сдерживается отсутствие! ) производства машин с необходшаши техноко-эконог и-ческими характеристиками, что, в свою очередь, не обеспечено теоретически обоснованными методами проектирования.

Как показали исследования, бес-шаботные пневматические тра-мбозателн с усовершенствованна:ми системами управления ьоздухора спре деле ниш реализм)т энергосберегающие циклы и и: еют широки." диапазон изменения генерируемого ударного импульса в предела:-: G,.¿10; сгсссбнк выполнять работу во всех зонах уплотнения обратных засыпок, предусматриваемых СЕнПами.

Зше изложенное подтверждает актуальность исследований по разработке теории методов расчета и основ конструирования, а так; ,е создания новых видов оборудования ,:щя уплотнения грунтов обратно: засыпки. ~ комплексе исследования направлены на репе-пне а,.лю- научно-техкиче см-" проблемы го повышению з:7",ективно-сти п устранении непроизводительных материальных и трудовых затрат е гра: далеком и промышленном строительстве при выполнении

¡этого специального вида работ.

Исследования выполнены в соответствия с плакали НИР Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (до 1993 г. ШТС1Т им. 3.3.Куйбышева), совместными планами НИСГТ и битной: (г.? пмки, Носкобскож обл., 19сС г.), координационным планом Госкомитета по науке и тежике СССР* (Проблема С. 1.01.11. Постановление Госкомитета Совета 'инистров СССР по науке и технике И 39С от 05.II.76 г.), планами .ТИР, уИгтансир'УемЕпс из республиканского бюджета по едино:::/ заказ-наряду и "Грантам" комитета по высшей школе "ивн^тси России 1993 ...1957 г.г.

Гель работы. Разработка .:: совершенствование теории, методов расчете и конструтсци' пневмоударных машин для уплотнения грунтов обратно": засыпки.

Идея работы состоит в использовании для уплотнения грунтов и обратно" засыпки н строительстве пневматических бе ста бот нш: тра: бователей с непосредственна! , комбинированны!: воздействие! ударного рабочего органа на обрабатываемую среду; г применении в Ш конструкцЕИ специальных воздухораспределитель::!:;, устройств с блока! и логического управления значптелън рхуч^Щащитпнет-гетическке и основные темшко-зкотго? ичестше показатели пневматически: ударных 3нлотг: теле -.

;ля достиме: пя поста .лек. о.' цели реализации идеи работы были определен:: следующие задгчи ьсследования:

I. Провести, анализ известных средств механизации для упло-тне: ш грунтов обратнш: засыпок, эта:" их совершенствования :. разработки коистр! сци , определить наиболее перспективные из

них ж на примере пневматических ударных уплотнителе-":' выработать и обосновать общ- подход к проблеме создания высокой", ,ективкых грунто;.илотш:тельвнх машин для гражданского п прошшгенного строительства.

0. Получить математические модели пневматических ударных машин с трамбовщик рабочим органом и на их основе исследовать динамику л особенности рабочего 1~.:оцесс?, рекимы уплотнение грунт о: ■ е область :гх рг -::о: альт:х т ехнологичееких rape.. етров, разработать рекомендации для совершенствований существующих и разработки новых более s Лективннх машин с улучшенными знет -гетическп: и технологически и: характеристиками.

3. Разработать методы проектирования ударно-пневматических механизмов с авто: атическл.к система;-." управления подачей ска-того воздуха в рабочие камеры с применением элементной базы промышгеннон пневмоавтоматики, предло. нть их cthv и^рну., клас-си ,ккацих, основ: анализа и синтеза, матей,аткчесыне : одели рабочих циклов> объектов управления, управляющих устройств, а так. .е алгорпт! построения их дункциоыальшх схе: .

4* Разработать и обосновать методику англитг." есксго проектирования ударных пневматических уплотнит елей -трамй оват,ел ef' для производства обратный заситск и на основе исследований иредлс-:штъ раз*;ерно-параметричесш^ ряд машин.

Методы г. с следования

3 диссертационной работе использован:., аналитические и эксперимент Ельни"е г етодк исследования. .Аналитические исследования проведены на основе обобщенных уравнен::" Лагранка второго ряда для систем с реакциями i еголо :•: связс", законов терм о дина-

пике для тепломеханических систем, как совокупности твердых и термодинамических тел переменной пассы, основ теории механики грунтов и теории автоматических систем управления процессами, с ксперим ентальше исследования выполнены в лабораторных и производственных условиях с использованием современной измерительной аппаратам.

Научные результаты, защищаемые автором

Передача энергии грунту в процессеуплотнения пкевмотра-мбователем осуществляется комбинировании: силовым воздействие*, ударных и ударно-статических импульсов таким образом, что среднее интегральное значение силы импульсов, действующи'" па поршень-шток машины, равно алгебраическо:" суше сил тяжести корпуса машины и составляющей усилия нажатая, 7гр:.;:о*'*еьшо' к корпус:;.

2. 3 структуре рабочего цикла пневмотрамбователя для >-з разгона и выбега :.; : холостом и рабочем ходе поршня, кроме импульсов, обеспечивающих необходимое ускорение или замедление дай- вния поршня-штока входят и: пульсы, про т нво д е" с те ующи е разгону или выбегу, частичное или полное устранение которых обеспечивает повышение -энергии удара, машины в 1,3...1,5 раза.

'йнмоние вибрационных параметров гневмотрамбонателя в частности, на ОС.,.00''" наибольшего смещения корпуса, совершающего колебательное дарение в "плавающем" ре: пне, достигается за счет уменьшения величин разнонаправленных и равновелнеих импульсных пар суммарной диаграмма сил от с: :атого воздуха, тя: стп и усилия наматия, действующих на корпус за время, равное одному цикл;.. гдя сохранения при ото:., энергии удара машины поло. птелънап щ.пульсная пара, действующая при рабсче: годе порш-

ня, долг-ша быть уменьшена за счет преобразования |орш шпуль-сов (сокращения плеча пары), а не и:: абсолюты::' значений,

4. участке .пну ска сяатого воздуха ь т при холосто: - рабочем ходах прогзьодкгя переменного давления по времена является величпко-"" постоянно^, среднее значение которой при сетевою давлении 0,5 Mía составляет 4,5.1СС ... -,8.ICC Па.с да

с

пабоче и 2,7.1С' Па. с для г. a?,iepií ::олостого хода, лри ято: ■ зав:— симош-п расхода г : дгрт.ого нгл пульса от давления опноыьа ;тся линейными уровне ля::: с опытными коэб'.дциентамы.

Представление пнегмоударпых механизмов в виде графических модзж*, отражающих структурные особенности воздухораспределительных систем, как систш с элементами силовых, управляющих к инЪрмг: .псиных устройств и раскрывающих г 'ноroíтзнцыо • тальиасть пх звеньев дает возможность применить при их проеткировакии ые-тоды теории мамин-автоматов и про: ьачленно- пневмоавтоматики, разрабатывать системы воздухораспределения с логическими блоками управления.

Достоверность научных положены, и рекомендаций диссертационной работы базируется на накопленном отечественном и зарубежном опыте аналитических и экспериментальных исследований, проектирования пневматических ударных машин и доказывается сходимостью и сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований; использованием общепринятых апробированных допущении при аналитическом исследовании пневмоударных систем; производственными испытаниями устройств, разработанных на основании проведенных исследовании.

Научная новизна исследований:

- получены экспериментальво-аналнтические зависимости между параметрами рабочего цикла бесшаботного пневмотрамбователя, его силон тяжести, усилием нажатия и механическими свойствами грунтов, вскрывающие особенности процесса уплотнения и определяющие рациональные ударные и ударно-статические режимы работы машины, включая с прониканием трамбующей плиты в грунт к образованием грунтового ядра;

- обоснованы методы и предложены технические решения повышения энергетических характеристик и улучшения вибробезопасности яяевмотрамбоват ел ей путем из; е нения рормы и величины импульсов сия, действующих на поршеньниток п корпус трймбователя за вр е:.я '-аз их движения при выполнении рабочего цикла;

- получена аналитическая зависимость для определения расхода воздуха, потребляемого пневмотрамбователем по; геометрическим и кинематическим параметра: его пневмоударного механизма, а так ме производной переменного давления г:о времени, которая на участках впуска сжатого воздуха в катерм рабочего и холостого ходов является величине- постоянна.;

- разработана структурная классификация пиевмоударных механизмов на основе предложенных графических подуле- , способствующая проектированию со егтипню: пневмо: дарн:..х машин и их воздухораспределительных сист и/ как объектов с автоматизировании:;! системами воздзм-юраспределения, для которых обоснован? грасры выполнения рабочих циклов, модели объектов управления,, ангорит; л:о-ектирован�