Определение коэффициентов восстановления скоростей при ударе бойка по инструменту в узлах строительных и горных машин Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

РАЗДЕЛ I. ТРАНСПОРТНОЕ, ГОРНОЕ И СТРОИТЕЛЬНОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 531 - 539

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СКОРОСТЕЙ ПРИ УДАРЕ БОЙКА ПО ИНСТРУМЕНТУ В УЗЛАХ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ГОРНЫХ МАШИН

Б.Н.Стихановский1, Л.М. Стихановская2

'ФГБОУ ВО «ОмГУПС», г. Омск, Россия; 2ФБГОУ ВО «СибАДИ», г. Омск, Россия

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены процессы изменения величины коэффициента восстановления при прямом центральном ударе твердых деформируемых тел, т.к. значения коэффициента восстановления необходимы для расчета динамики бойка и инструмента в механизмах строительных и горных машин. Потери кинетической энергии соударяющихся тел после каждого удара взаимосвязаны с модулем коэффициента восстановления, который может изменяться для одного и того же материала от 0 до 1 при различной геометрии взаимодействующих тел. Проведен анализ изменения величины коэффициента восстановления от геометрии соударяющихся тел. При малых скоростях удара, если тела имеют одинаковую форму и массу или когда ударяет стержень или шар о массивную и жесткую преграду, коэффициент восстановления примерно равен 1. При ударе короткого стержня по длинному и при одинаковых диаметрах и материалах тел коэффициент восстановления равен отношению длин стержней и практически равен нулю при ударе стержня по тонкой пластине. Для тел сложной формы рациональнее определять коэффициент восстановления опытным путем. Приведены экспериментальные установки для определения величин коэффициентов восстановления, когда теоретически их сложно рассчитать, при малых скоростях удара - на горизонтальном и вертикальном стендах, при средних и высоких скоростях - на копре, работающем по принципу накопления энергии для удара. При этом можно варьировать не только различные геометрии и материалы соударяющихся тел, но и скорости их сближения непосредственно перед соприкосновением.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Коэффициент восстановления, скорость, удар, кинетическая энергия, инструмент, строительные и горные машины, боек.

ВВЕДЕНИЕ

При ударе происходит мгновенное превращение одного вида энергии в другой, чаще всего накопленная кинетическая энергия тел скачкообразно переходит в энергию деформаций, разрушения, тепла и др., а у элементарных частиц - в различные электромагнитные излучения, разрушения молекул, атомов и их ядер. Удар является мощным импульсным воздействием, поэтому в технике он находит широкое применение в молотах и механизированном инструменте при ковке и штамповке, разрушении горных пород, негабаритов, раз-

работке мерзлых грунтов, забивке свай, в строительных и монтажных работах, для дыропробивных и т.п. операций.

Основой для создания современных высокопроизводительных машин ударного действия, используемых в машиностроении, строительном и горном деле, является решение вопросов теории передачи энергии ударом, определение коэффициентов восстановления, импульсов сил, ускорений, напряжений, поэтому этим задачам в различных областях науки и техники посвящено значительное количество публикаций,[1 - 21].

Определение параметров удара, в частно-

сти коэффициента воситаноелиния, а значит, скоростей взаимодейстнчощЕхгел до и еоеле удара, позволяет точнее расиигеллн дитгни-ку цикла работы ударных маддли, и.о. едждыИ последующий цикл завггит от сгоростеИ и кинетических энергий, оставааигге от дзз нечНо шествующего периода. 1Нил€г|р>хыт1 ыгочел иддг ростей центров масс тно илдлл слдР3 мгжед привести к поломке деталей и механизма в целом.

Точное определение коэффициента восстановления особенно важно при повышении скорости удара и создании мденыг машид ударного действия. При итлм увелзитааюи-ся амплитуда ударного импулысд и дделгнаи энергия на единицу весаы а еилнцно лтддчо при одной и той же энеыгии увира ^меньыгыиыи ся. Ошибки в выборе виглнинымидфсГециен-та восстановления приводям к деыыравгыиндыыу определению к.п.д. передлит энслнии уогн-им и кинетической энергии соуэиЕяюедиуыг mípcc;.

Далее приводятся аныдиз измeчрззд дооры фициента восстановлениг ни ыыо1ииг"|отг тыыиа и несложные способы определения величины этого коэффициента экспериментально.

наих дыДюыгорнЫ, дхили л дл. х.г.Ти + Тс, Ы Т1

НУу где

m-vU1 mu-2

гт1 __/ / /ТУ __ii -1 А

1 0г =- и 1 ■ =-, г = 1 или 2.

г

НИ. Вьютин гллыию>н-1ыы ив^сгтд ооэЫриициент висдтгннвлдодя:

K =

U2 Uv- V2

(2)

При этом он считал, что величина К одинакова для каждого материала соударяющихся тел и равна правильной дроби, например, для стали К = Л/9. Однако опыт и энергетический анализ показывают, что величина коэффициента эоэнтановления завикит в основном эт потерь мкнеэвческой ннергии центрое пасс тел при эрэмйотне1х и ййгиККн1р|)ч дефэрмацнях в таща вкеьо э Релее мнпсиээом тннпп из мриггрс ^н.аимовээнТствуюш^их. Нэ провеьво имвем

0<K<1

(3)

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

□[эоммнмюэчя фyпдрммйиольныа еаконы физики: кэ^он изменетея {^оэрэм^тва движения от импульсов ударных сил, зэкий сохранения и превращения одного втщй ьнер^ии в юаегию пвдов

Исаельврм эчкое воррМйения lOЛlйчцвивн движетек оваинмы до в эчсле [^прильного удара, имеем

m-v- + m2v2 = т-и. + m2u2,

где т1 и т2, v1 и v2, и1 и и2- соответственно массы соударяющихся тел (т1 и т0), скорости до (V1 и V0) и после (и1 и и0) взаимодействия тел, принято V1 > V0 и положительное направление совпадаетс V1 ,т.е^1 > 0.

Решаяуравнения (1)и (2), получим т+

u - = v- и (1 + НО) -

т- +т2

т

-(v- -vi);

(4)

UU2 =д v^ -ЫЫ--ЕК-)-^-(v--v-).

m- +m2

Величина коэффициента восстановления не зависит от выбора системы отсчета, поэтому при экспериментальном определении величины К можно выбрать координаты, расположенные в центре масс, например, т0, т.е. V0 = 0, тогда

m- - Km2

U-=-v-;

m - + m2

(5)

В уравнении (1) неизвестны скорости и1 и и0. Задача неопределенная, если не ввести какое-то дополнительное соотношение, характеризующее удар. При этом будет ошибочно, если использоватьуравненое балвнса кинетических энергий, т.к. а ревлено1х случаях кинетическая энергия тел понле кнатл почти всегда меньше, чем до удар а, т.к. ее аастьорл-вращается в энергию уп^гах неан, плткттче-

г= (1 + K)-

mivi m¡ + m2

В настоящее время величину коэффициента восстановления при прямом центральном ударе можно вычислить теоретически для геометрически простых тел : стержень по стержню с плоскими и закругленными ударны-

ми торцами, шар по шару или стержню и т.п. тела, [22].

Экспериментальное определение К позволяет обобщать единичные опыты на ряд случаев с п одобными э нер гетическими показателями, т.к. валичина коэффициента восстановления отражает потери кинетической энереии цедтров масс иел в результате удара. Следовательно, для иавний геометрии, мате-ииави\л в меньшей степени скорости сближения тел о0 = ид - а2 опытные значения к мож-нора^спр>лстр£^н^ять на ряд подобных елучаев. 12о;чсЫфе1ви(5нтывосстановления НС имант шп1е р^анаЧ диапаооо величинг нлакьитески очна пн-личающеняя о-р выбоса осчяниолоо: металлы. члесемассик днфзчнро н рнрв , на ияна наЕ^иаини:^ от неометгрин язрнмедайcтврющтлчйл.

Сафчнй 2к Для рчеы21ь>1Н11 лдорюстн-1 одс^, кргьць доля ччняеиепаонл а:ь2эс|эн>ь:н/1ь^диРК чреон-яержилн манл 210 сеснисчию с 1Р1::н(Чп10Ч(зсни1\/1и тнрртвсми нал> имеьл Ко щ. Такой оос^сНсйэи-циент иеccтaнoнлятнс доятивьнеея, клгде ась удлорющикес осле иаанюн одиносонлю фоьвй о рааяо, ояс /си1 я не2, или ксгда уцннлнч прю^ спие по сОо|я1авс тллОс иятссиме|э стеяпиаоо иля ьи^рк, по ежесткнН яанфьмн, не.

т2 гл т г. П1»)) К" 1 ногаом н^бсйзитенсине нявенсячс книярнчоссих аиертий до с нясло пв-саагг, яа.

вд^нн-кпд

и,— + и^р

то

(елудап О. Киэффициенты восстановления нахедятся в интер в але 0 < К < 1. Величины коэффициентов восстановления находятся в счазанном ииторвале п|эи уааре коантночп стеежчп по наенномУ1 л ерсиже оlпн одиноковым

о1

снтюктркаяс н чсченчклахаал /^-р—что а0!- -

-1 / > / ^ н

длиныстержнейи нн - рг.

СлурайЗ. еоэффициент восстановления Л<л1, т.е. практччески .п^^сн е°лю .Этослнн чай, когде 12 нн-С или при ударе стержня (или шара ) по тонкой пластине толщиной 5 при d > 5, где d - диаметр поперечного сечения стержня или шара. Если поперечное сечение некру-

глое, то d = 2 ЧС п , где s - площадь поперечного сечения. В этом случае отскока практически нет, К а 0. Вся кинетическая энергия бойка с массой тг превращается в энергию изгибных волн колебаний пластины с массой тн, т.е. скоростьотскокабойкаравнанулю, иг а0.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Для тел сложной формы (ступенчатые стержни с закругленными и острыми концами в свободном состоянии и упертыми в разрушаемую среду и т.п.) рациональнее определять коэффициент восстановления опытным путем.

-н

При малых скоростях удара (10 - 1 м/с) удобно использовать горизонтальный стенд с использованием соударяющихся тел на под-вескахмаятникового типа, рисунок 1.

Замеряя углы отклонения тел, можем вычислить их скорости до и после удара. Подвесы, на которых крепятся испытуемые тела, должны быть значительно легче, чем сами тела, т.к. до удара они имеют собственное количество движения и после удара у них возникают поперечные колебания, что будет создавать погрешность определения углов отклонения и сказываться на результатах измерений. Рекомендуется применять в виде подвесов прочные и легкие синтетические нити или использовать подвесы со связями, свободно скользящими во время удара отно-сительновзаимодействующихтел.

Влияние массы подвесов на распределение скоростей телпосле удараможнопроверить с помощью закона сохранения количества движения: измерив скорости испытуемых тел до и после удара без учета массы подвесов, а затем решив равенствоигог + инон = игпг + инпн. Из-за неучета в этом соотношении количеств движения подвеса оно будет выполняться приближенно. Если это приближение удовлетворяет необходимой точности результата, то влиянием подвеса можно пренебречь. Нельзя при расчете учитывать моменты инерции подвесов, т.к. в этом случае коэффициенты восстановления будут относиться собственно не к взаимодействию тел, а к системе «испытуемые тела - подвесы», т.к. энергия колебаний подвесов вносит существенные коррективы в потерю относительной скорости, т.е. в величину К. Поэтому или подвесы должны мало влиять на сохранение количества движения испытуемых тел до и после удара, или нужно взять более легкие подвесы, или использовать другой типустановки.

Основное достоинство подвесок - это простота и относительно большая точность определения скоростей тел до и после удара по их отклонению. До удара одно из тел может быть неподвижно, лучше с массой ин > иг, а

второе с меньшей массой Щ отклоняется на

'¿ZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZa

Рисунок1-Удар маятниковоготипа £ - длинаподвески; ао - уголотклонениятеламассой mL доудара; СХ -уголотклонениятела m2 послеудара;Н- высота отклонениятела массой mL доудара;

h-высотаотклонениятеламассой m2 послеудара Illustration 1 - The pendulum blow

£ -theclip'slength; CX0 -thedeflectionanglewiththemass mL beforetheblow;

h-thedeflectionheight withthemass m2 afterthe blow

/ 0-К a

тЕГОЛ(Х0 И Е!Н1СеТИ Н = ('--16 —а —ДДЕ

a = £ sina0. После удара m 2 отклоняется на

угол ИТ и высоир Ра = Esip <Т

Е =/ Е -р/с?2 дКГ о--

Е Е- . ЩИ

. При этгл конффгцигнт отргори

кЕРО1 р-

Еп

¿г

(7)

Г

Если — < 0,П , ро погртшносеи рггрере-

ю

К

-- <0,35

погрешность

ления H^ 1%, при £

е% -и... П|эЕ е1Элые^ удгра

тЕКСеРГОнды яЕЛДТНЕГ о-0?-- иЗ ЛуЧших Экс-

пе|^1^г^<ор"Рс1трЕь^о: уетлепеок. °тэтимеи, г^|эо Р-= Е60 ср и Г =Дрм, что достаточно сочно и ле тко замермти, имеем всего Н = 0,05 см,н.е. сСкесусить т=н о и такии м а л ых-ь юот на 1вер-тикальном стенде весьма аеудобно.

a

п - « 1

Сра £

2оиучаеin скороста еттрт

K = Щ + U2

. Коэффициент вснснтьовленис

ил

= / + /2 =—КЧ + Т ) + еТ °о\ КНь ТЛ

Скорости m1 до и помле уд^|к^:

eJTH =2 h~g£~- sin фф;

he

^Д^/ЦР =\2 оОТУ10 ^^еЕф .

us =

а тп

гео П р- сонич нторонкнля 1 лдррл.

"—иди

и,

/ рО-Е

ф

sin -

2

ф0

sin

ф

0р/

Тлетырая =ыражения (8) и (10), получим гг.пя коэффо.лента веЕсеао^овлеь^и я соотвлэ-трвенне

оо= al 2 mL о

KOm=- = a82]L = T=L0y

m= a m2

(11)

me m2

CKL

sin -

2

Ч20

sin

2

m,

a m

где 1 - отклонение массы 1 после удара с

щ =

Вертикальныеустановки.

На рисунке 2 показан а схема простейшей вертикальной установки. Нна состоит из ис-пытуеиыхсоударяюицихия тел 1 и 2, имеющих

массыт1 и тн, где тн >тг направляющей ярябы 3, мягкой проеларуи 4, зохвата С, одерживающего с помощыы тткого штыру 6 верхнюю масрут1. Вспль тсуЯы епхстсе скеюз-пые птуряие, пеаволяющие аугиугапроваар высоты сбрасывания Н и подскока h.

Рисунок 2 - Вертикальная установка: 1 и 2 - соударяющиеся тела; 3 - направляющая труба;

4 - прокладка; 5 - захват; 6 - штырь Illustration 2 - The vertical installation: 1 and 2 - impact bodies; 3 - feed-tube; 4 - washer;

5 - seizure; 6 - dowel

В вертикальных установках скорости тел до и после удара можно определять по высотам h и Н только в том случае, если силы трения пренебрежимо малы и тогда величина отскока

/= *=л

первого тела равна 1 .

Прорези служат не только для наблюдения и измерения h и Н, но и для уменьшения аэродинамического сопротивления, которое могло бы повлиять на результат при движении тел по трубе без отверстий.

При строгой вертикальности трубы и падающего тела между ними практически нет трения, т.к. сила трения пропорциональна нормальной составляющей давления, которая

равна N = P ■ cosa = 0.

i2 >Ta При 2 2 ,

где

Т - время удара, a

скорость распространения волны деформации по стержню 2, прокладка не успевает влиять

на отскок массы Щ , т.к. волна деформации приходит от места контакта уже после отскока. Преимуществатакого простого способ.

Преимущества такого определения скоростей: не нужны специальные измерителюые приборы, имеющие собственные дополнительные погрешности. Прокладку 4 лючше применять в виде мягкого пластического демпфера. Упругие полжинящиа поьмладкн испоят зовать не реком ендуется, т.к. из-за колебаний массы еОа после удара можем получить вторичный отскок мтссы тг, который будет больше пырыегь.

Прн мапоП ыысоеа 0 можеппе зпметить перпыйотскок из-за его кратковременности и спутать еыосо вторым, котодый ужл оу,°ап не ооареыго, а ыпопЫаьпоамкга харамакоп. Так, при высоте h = 0,5 см время подскока равно

ея

г = т О— - ррбз

' & с, а последующий отскок

приуоругой прокладко можее быть осекмари-зыд сп/ 1г быаь Уельша Г?, ез-звчтгы езз можее спутать з пееиым отскокпоыПнм доспФирук>г щей зодсмавко 4 одкио ееаколныо

зсакпк, °а ое деожеп Пезо зеыаи^(^]ыьа^о мену-ше о^рмо^п^.

Иепк, в еыи.пгприведенной установке

имеем до удара

; = 0, после удара

скорости 1

с =-^|2gh

'1

и ско-

рость

m,

С2 =

т, - щщ

Ор

о

= (Oi + щ ) =

Ок

о

2 котоуую нэХОдим

из закона сохранения количества движения. Коэффсцненты оискока 1рсвосстаноолония К равны

Л-А/И ; /2 = -=m(i+/1)

О1 Щ2

к = /+ / +/,) н о 02)

m

Из уравнений (12) вид^ чкс про

т2 »» m

имеем К^ f1. С помощью вертикальной уста-

новки можоо достаточно точно и наткжно определять опытные ксэффициecчсl восстановления и отскока длзслучаев, оыгдо этНза^-отнрор c^TPTeKl^c, ое. ткооонслн ррс^тто^^эролоз^нз ат знакузэотости Vr Для эзрго балее рассив-оке телсставрдст внизу те. оОызаттлооэ т2 3 /ыр. Еили m1 = m2 или К<°ы, то смсре ооокок

СО = K-pols p

т + \ о тс. кОв толо воалг ^дара^ озижунсл в сдзо итыР оке сэовоты, о э tbk^ohoîO устатовое 3 оноз. В ев-ир соут-оо дло осн1Кд p 0 необидною из^г^с^ло-зовать ыстанстки дцугу-с т-ina, оагрио-р с — ooлтзявaчкеяктыл=су сжато- е^ржт-ы.

пружины отдоеэвт бо|^1ту, КНТОН0 пу^о отс^-твсх тел а т ксоссрй -и2 о^лро^ео на

выэзт у H .О кцсдцоыочсе ыкоррстс

( I^^T^го о(рл- моссоя

m,

т^д ды^яз^^иыр энер-

гии пружины ударяет по телу массой

. По

Стенды с лыыоющир сыо^^аэРTы^л обыяно ос^поютостся в -нре коо|ЭЯ а свор,^лссооыткмн струна).. згoкlыыу с- ввзО^у-о н р(д. ,3зз дтнои-hPK^PMKi ослыoауоC болееКЮ дог кооры ы ы^да-окцим гяандм еегыонслятд ныpaциоcсллтяI т".к. каюотт --Я ыке дсыжвв Оыоь эы^^см^цот -Тцлошд-СНГ > тц I—K. Тосpoоселоcpы отзддхэ пг-и ске|ЭО-лдох о 0 д -о вСо - ек1СОлы кавт- вситэ^(гтлт^^нно ог с до о0 ко) пзeтeЯцсдумо срло о сил ыожнт созектакел.

он = ^гк)°о2 = од^ты , од го Нд о ыцс^оыoнс-ление воздуха, кг о а - влещтув млое-ов ieT; Л - вотпвтеыо коэффоуисов, згсо^исякс-кй от феумы ткло о имеющий, напридер, дтр шыво

2 ^ -4

тнатанос 0,°ы4 клок 1 Ддс шаотк мзукн 3

P = — губ

1но чоснcытя 3 , гдб r э H - ради ус в вея шaоы)^ -плотность мке<^|^к^рлс. Роол

F- ОКко2

высоте взлета h массы 3н определяется р лгу

I—— а . Например, для стальных шаров

скоро пт ь ф3 = бзасое-о Я ияспюгс Т^ „н

скоронть

^одошкь ci находится

из закона с4гданения количества нв ижения:

т„

щ = о

Р . Ратвм кычес]Л!чютс;^ отытные значения коэффициеттов ытсккжы и кясова-

нов лрднс:

-о, оВ р е î-2 к Со

л'я в _

оыс

Эта вертикальная установка болееслож-ноя,вустрооаово онСаовожосв наоые але-менты, непосседосаенос на рас-

пределение акоростео и ннетний, вначител-но тсуанео дкбиться центтельносте соудаоаная, поэтому накопление погрешностей у нее больше и больше будет разброс результатов измерений h и Н.

Стенды с падающим ударником.

Скорости взаимодействия - от 1 до 20 м/с.

При таких скоростях удара работает большинство машин, стендов и установок с использованием энергии падающего груза, пневматики, гидравлики, электромагнитов, горючих смесей, деформации пружин, резиновых лент и т.п. Это копры, молотки, прессы, бурильные установки, механизированный ручной инструмент ударного действия и т.д.

п 6 л-

-^н.к-то-6 —

р г , где V измеряется в м/с,

Го в м. При радиусе шара г = 0,05 м иеся°естяс

шт.

1 м/с,10 м/с, 50 м/с, 100 м/с соотношение р соответственно равно: 4,6' 10-5; 4,5' 10-3; 0,115; 0,46, т.е. сопротивление воздуха заметно влияет при скоростях 40 - 50 м/с или высоте копра 80 - 125 м. Для стальных стержней при их продольном движении площадь миделя заметно меньше на единицу веса, т.е. сопротивление воздуха Рс по отношению квесу стержня меньше, чем у шара. Если копер строго выверяется по вертикали, то сопротивлением направляющих струн, уголков и труб (в трубах должны быть сквозные щели и отверстия достаточной величины) можно пренебречь. Действительно, в строго вертикальных стендах направление силы веса падающего тела параллельно направляющим поверхностям, т.е. нормальное давление и, следовательно, сила трения скольжения стремится к нулю.

ОБСУЖДЕНИЕ

У машин, стендов и установок ограничение скорости удара зависит от прочности соударяющихся деталей машины. В настоящее время нет материалов, которые бы пластически не деформировались при скоростях нормального сближения более 10 - 15 м/с. В машинах ударного действия бойки изготавливаются в виде стержня-поршня, стакана, ступенчатого

ударника и т.д., т.е. ударяет боек только одной своей торцевой поверхностью, поэтому скорости удара ограничены до 10 м/с, максимум до 15 м/с, иначе ударная часть расклепывается, и бойки могут заклиниться.

Копры по принципу накопления кинетической энергии.

Средние скорости взаимодействия - от 10 до 100 м/с.

Оснащение машинами, стендами и установками в этом диапазоне скоростей является недостаточным.

Существующие пневматические ружья позволяют разгонять бойки до скорости 100 м/с, однако диаметр разгоняемых шариков не превышает 0,5 ^ 1,5 см. Торец стержня, воспринимающего удар, помещается вблизи выхода трубы, чтобы обеспечить условия прямого центрального удара. Для испытаний шаров большего диаметра необходимоствол брать достаточно большим и обеспеоита сжатым воздухом внутреннюю полость трубы за время разгона шаров. Тахан необходимо в кона0 пути обезетелрно аеааеть датчньи саеростм, е.к. он уда°а д одару масртаднятодо еврондды давления и силв1 содеаоидления в кл^п^ь^ах и зоалоноах, т.е. мсегда ндрлнодаетса заветпый ргзирс° к оастабилнодоть а>а;5сь^отасов.

В псааедеее ерема рыби вдадложана1 уаеддй сьос с ардвенеенед тдодцапа гасопле-рин кирнсиоептой ааиргиа нд оольшoл пдбк иа в.аас розгона |оьоочего орогана, |22]. 1р|эа-мгняс маламощсою ь миангебарогные двнга-роаш для рнгпоо1 а сад очегн о|иго1иа пр крегзро й оомриоа|Тии, ^т<иганo ецс^с;п]1го1г гнреитeлпныlл <гно-gеоди° и го°е]г-ор, сссь ринтрояае иаыoльзoвaть текос дааройства - l^cэп-з<^l для ударные рспы-таний, [23], рисунок У.

Рисунок 3 - Копер для ударных испытаний 1 - корпус; 2 - ротор; 3 - кольцо; 4 - боек;

5-конусный ствол;

6-испытуемыйобъект;

7-тормозноеустройство;8- привод;

9- радиальныеканалы; 10-окна;

11- шток;12-палец 13 - фиксатор;

14 -гнездо Illustration 3 - The pile-driver 1-frame; 2 -rotor; 3- ring;4-head;

5 -conicstem;

6 - experimentalobject;7-brakingequipment;8- drive;

9-radialhole;10-port;11-rod;12- pin;

13-pawl; 14 - socket

В корпусе 1 на роторе 2 закреплены два шара - бойка 4. Бойки вставлены в держатели - кольца 3. По касательной к траектории движения бойков расположены конусные стволы 5, на концах которых устанавливаются испытуемые объекты 6. Тормозные устройства выполнены в виде желобов 7. Ротор приходит в движение с помощью электродвигателя. При разгоне бойков пальцы держателя 12 находятся в гнездах 14 фиксатора 13, штоки 11 прижаты к оси вращения и не задевают стенок желоба тормоза. При достижении необходимой скорости вращения оператор включает привод 8 - электромагнит, который через радиальные каналы 9 и окна 10 связан со штоками и кольцами. Под действием электромагнита фиксатор поднимается, пальцы высвобождаются из гнезд и штоки с кольцами и шарами-бойками под действием центробежных сил прижимаются к желобу тормозного устройства, а шары по инерции вылетают из тормозимых колец-держателей, попадают в конусные стволы и ударяют по испытуемому объекту. Отскок в конусе тормозных устройств значительно меньше, чем при ударе о гладкую поверхность, что приводит к большей стабильности выхода

бойков из колец и уменьшает разброс результатов испытаний . Скорость удара v= w Rc,

где w - угловая скорость, рад/с; c - радиус вращения бойка от оси вращения до центра тяжести бойка - шара. Такой стенд позволяет определять параметры удара: коэффициенты восстановления, ускорения, перегрузки и др. характеристики процессов взаимодействия в широком диапазоне скоростей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теоретическое или экспериментальное определение величин коэффициентов восстановления необходимо для расчета динамики бойков и инструментов в строительных и горных машинах ударного действия: механизированных молотах, молотках и перфораторах; вычисления кпд и энергии ударов; проектирования узлов этих механизмов. Выполнен анализ изменения величины коэффициента восстановления от геометрии соударяющихся тел простых форм и показаны современные методики расчета. Для сложных форм бойков и инструментов показаны способы опытного определения коэффициента восстановления.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Zhukov I.A. Rational designing two-stage anvil blocks of impact mechanisms / I.A. Zhukov, V.V. Molchanov // Advanced Materials Research.-2014.- Vol.1040.- P.699- 702.

2 .Zhukov I.A. Development of the anvil blocks forms of impact machines as composition of different materials / I.A. Zhukov ,E .V. Sarakhanova, Ya.A. Andreeva // AIP Conference Proceedings .-2014.-Vol.1623.- P. 663- 666.

3. Zhukov I.A. About creation of machines for destruction of rock with formation of apertures of various cross-section / I.A. Zhukov ,L.T. Dvornikov, S.M. Nikitenko // IOP Conference Series : Materials Science and Engineering.-2016.- Vol. 124.-№1.- P.012171.

4. Zhukov I.A., Dvornikov L.T. New constructive solutions of anvil-blocks of percussion mining machines.- North Charleston: CreateSpace.- 2015.- 130 p.

5. Daimaruya M. Impact end stress and elastic response of a finite length bar with a variable cross-section colliding with a rigid wall /M. Daimaruya, M. Nalton, S. Tanimura // Journal of Sound and Vibration.-1988.- Vol. 121.- №1.- P. 105- 115.

6. Wada H. Error in response calculations for extensional vibrations of bars / H. Wada // Earthquake Engineering and

Structural and Structural Dynamics.-1986.- Vol.-14.-№1.-P. 121- 132.

7. Wittrick W. Some observations on the dynamic equations of prismatic members in compression / W. Wittrick // International Journal of Mechanical Sciences.- 1985.- Vol.27/-№6.- P.375- 382.

8. Абрамов А.Д. Создание ручных форсированных электрических машин ударного действия для строительно-монтажных работ : автореф. дис. ... д-р техн. наук. Новосибирск, 2013. 33с.

9. Дворников Л.Т., Жуков И.А., Дворников Л.Т. Продольный удар полукатеноидальным бойком. Новокузнецк: СибГИУ, 2006. 80 с.

10. Галдин Н.С., Галдин В.Н., Егорова Н.Н. Оптимизационный синтез основных параметров гидравлических импульсных систем строительных машин // Вестник СибА-ДИ. 2013. №6 (34). С.73 - 77.

11. Щербаков В.С., Галдин В.Н. Основные показатели гидравлических импульсных систем строительных машин // Вестник СибАДИ. 2013. №1(29). С. 47- 51.

12. Тарасов В.Н., Бояркин Г.Н. Теория удара в теоретической механике и ее приложение в строительстве. Омск : Изд-во ОмГТУ, 1999. 120 с.

13. Алимов О.Д., Басов С.А. Гидравлические виброударные системы. М. : Наука, 1990. 352 с.

14.Репин А.А., Тимонин В.В., Алексеев С.Е. и др. Повышение мощности малогабаритных погружных пневмо-ударников // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2016. №6. С. 86 - 93.

15. Саруев Л.А., Кузнецов И.В., Васенин С.С. Исследование и оценка энергоэффективности современных машин ударного действия // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2013. №4 (1). С. 473 - 476.

16. Тамбовцев П.Н., Абраменков Э.А. Пневмомолот для вертикального погружения строительных элементов // Строительные и дорожные машины. 2014. №9. С. 20 - 24.

17. Тимонин В.В. Погружные пневмоударники для подземных условий отработки месторождений // Горное оборудование и электромеханика. 2015. С. 363 - 370.

18. Корытов М.С., Щербаков В.С., Шершнева Е.О. Обоснование значений коэффициентов регуляторов гашения колебаний груза мостового крана // Вестник СибА-ДИ. 2017. №1(53). С. 12 - 17.

19 Чернявский Д.И. Определение параметров удара при упругопластических деформациях в зоне контакта : монография. Омск : Изд-во ОмГТУ, 2000. 88 с.

20. Чернявский Д.И. Определение параметров удара в машинах ударного действия : монография. Омск : Изд-во ОмГТУ, 2009. 136 с.

21. Стихановский Б.Н. Процессы удара : монография. Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. 324 с.

22. Стихановский Б.Н., Стихановская Л.М. Строительные и дорожные машины с рекуператором кинетической энергии // Вестник СибАДИ. 2016. №1(47). С. 22 - 27.

23. Пат. 163315 Российская Федерация. G01 M 7/ 00 Копер для ударных испытаний / Б.Н. Стихановский, Е.С. Чернова. Опубл. 10.06.2016. Бюл.№16.

DEFINITION OF COFFICIENTS RECOVERY SPEEDS AT IMPACT OF THE STRIKER ON THE TOOL AT THE NODES OF CONSTRUCTION AND MINING MACHINES

B.N. Stikhanovskiy, L.M. Stikhanovskaya

ANNOTATION

The processes of value changing of the restitution coefficient in a direct central impact of deformable bodies are presented, because values of the restitution coefficient are necessary for calculation the

striker dynamics and the tool in the construction mechanisms and mining machines. The of kinetic energy loss of the colliding bodies after each impact is interrelated with the module of the restitution coefficient, which can vary for the same material from 0 to 1 at a different geometry of the interacting bodies .The analysis of the coefficient changes because of the recovery factor from the geometry of the colliding bodies is shown. At low impact velocities, when the bodies have the same shape and weight or when they hit the rob or the globe on a massive and hard obstacle, the recovery factor is approximately equal 1. When short rod hits to long and with the same diameters and the materials of the bodies, the restitution coefficient is equal the ratio of the lengths of the rods and it is also equal zero at impact of the rod on a thin plate. It is more rational to determine the restitution coefficient experimentally for bodies of complex shape. Experimental setup for determination of the recovery coefficient is observed, when it is theoretically difficult to calculate, especially at small impact velocities on horizontal and vertical stands or at medium and high speeds, or in Koper, operating on the principle of accumulation of energy for the shot. It is possible to vary not only the different geometry and materials of the colliding bodies, but also their convergence rate before contact.

KEYWORDS: restitution coefficient, velocity, impact, kinetic energy, tool, construction and mining machinery, striker.

REFERENCES

I. Zhukov I.A., Molchanov V.V. Rational designing two-stage anvil blocks of impact mechanisms. Advanced Materials Research, 2014, Vol.1040, pp.699 - 702.

2 .Zhukov I.A., Sarakhanova E.V., Andreeva Ya.A. Development of the anvil blocks forms of impact machines as composition of different materials. AIP Conference Proceedings, 2014, Vol.1623, pp. 663 - 666.

3. Zhukov I.A. , Dvornikov L.T., Nikitenko S.M. About creation of machines for destruction of rock with formation of apertures of various cross-section. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2016, Vol. 124, no.1,pp.012171.

4.Zhukov I.A., Dvornikov L.T. New constructive solutions of anvil-blocks of percussion mining machines. North Charleston: CreateSpace, 2015, 130 p.

5. Daimaruya M., Nalton M., Tanimura S. Impact end stress and elastic response of a finite length bar with a variable cross-section colliding with a rigid wall . Journal of Sound and Vibration,1988, Vol. 1, no 1, pp 105- 115.

6. Wada H. Error in response calculations for extensional vibrations of bars Earthquake. Engineering and Structural and Structural Dynamics,1986, Vol.14,no 1,pp.121 - 132.

7. Wittrick W. Some observations on the dynamic equations of prismatic members in compression. International Journal of Mechanical Sciences, 1985, Vol.27, no.6, pp375 - 382.

8. Abramov A.D. Sozdanie ruchnih forcirovannih elektricheskih mashin udarnogo deictviya dlya stroitelno-montashnih rabot [Creating manual uprated electric machines percussion for construction works]. author. dis. doctor. tech. Sciences. Novosibirsk, 2013. 33p.

9. Dvornikov L.T., Zhukov I.A. Prodolniyi udar polukatenoidalnim boikom [ Longitudinal impact polyaminoamide strike].Novokusnezk, 2006. 80 p.

10. Galdin N.S., Galdin V.N., Egorova N.N. Optimizatzionnyi sintez osnovnyh parametrov gidravlicheskih impulsnih system stroitelnih mashin [Optimization synthesis of the main parameters of hydraulic pulse systems of building machines]. Vestnik SibADI, 2013, no 6(34), pp. 73 - 77.

II. Shcherbakov V.S., Galdin V.N. Osnovnye pokasateli gidravlicheskih impulsnyh system stroitelnyh mashin [Basic indicators of hydraulic pulse systems of building machines]. Vestnik SibADI, 2013, no1 (29), pp. 47 - 51.

12. Tarasov V. N., Boyarkin G.N. Teoriya udara v teoreticheskoi mehanike i ee priloshenie v stroitelstve [The theory of impact in theoretical mechanics and its application in

construction]. Omsk: publishing house Omsk state technical University, 1999. 120 p.

13. Alimov O.D., Basov S.A. Gidravlicheskie vibroudarnie sistemi [Hydraulic vibro-impact systems]. Moskov, Nauka, 1990. 352 p.

14. Repin A.A., Timonin V.V, Alekseev S.E., Povishenie moshnosti malogabaritnih pogrushnih pnevmoudarnikov [Improving the cap acity of small-sized submersible air hammers]. Physical-technical problems of mining, 2016, no 6, pp. 86 - 93.

15. Saruev L.A.,Kuznetsov I.V.,Vasenin S.S. Issledovanie I otsenka energoeffektivnosti sovremennih mashin udarnogo deistviya [ Study and evaluation of the efficiency of modern machines percussion Mining]. Information-analytical Bulletin (scientific and technical journal ), 2013, no 4(1), pp. 473 - 476.

16. Tambovtsev P.N., Abramenkov E.A. Pnevnomolot dlya vertikalnogo pogrusheniya stroitelnih elementov [Air hammer for vertical immersion of building elements]. Construction and road machines, 2014, no 9 pp. 20 - 24.

17. Timonin V. Pogrushnie pnevmoudarniki dlya podzemnih usloviyi otrabotki mestoroshdeniy [Submersible air hammers for underground working conditions fields]. Mining machinery and electromechanics, 2015. pp. 363 - 370.

18. Korytov M.S., Shcherbakov V.S., Shershneva E.O. Obosnovanie znacheniyi koeffitsientov regulyatorov gasheniya kolebaniyi gruza mostovogo krana [the study of the values of the coefficients of the controllers the damping of the load bridge crane]. Vestnik SibADI, 2017, no 1 (53), pp. 12 - 17.

19 Chernyavskiy D I. Opredelenie parametrov udara pri uprugoplasticheskih deformatsiyah v zone kontakta [Determination of the parameters of impact in elastic-plastic deformations in the contact zone]. Omsk, Publishing house Omgtu, 2000. 88 p.

20. Chernyavskiy D.II.Opredelenie parametrov udara v mashinah udarnogo deistviya [Determination of parameters of impact in the machines percussion]. Omsk, Publishing house Omgtu, 2009. 136p.

21. Stikhanovskiy B. N. Protsessi udara [Shot process]. Omsk, Publishing house Omgtu, 2010. 324 p.

22. Stikhnovskiy B. N., Stikhanovskaya l.M. Stroitelnie I doroshnie mashini s rekuperatorom kineticheskoyi energii [Construction and road machines with heat recovery of the kinetic energy]. Vestnik SibADI, 2016, no 1(47), pp. 22 - 27.

23 Stikhanovskiy B.N., Chernova E.S. Koper dlya udarnih ispitaniyi [Hammer to impact test]. Patent RF, no 163315, 2016.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Стихановский Борис Николаевич - доктор технических наук, профессор Омского государственного университета путей сообщения (644046, г.Омск, пр. Маркса, 35, e-mail: bstish@ mail.ru).

Stikhanovskiy Boris Nikolaevich - d-r of technical Sciences, professor Omsk State Transport University (644046, Marksa,35 prospekt, Omsk, Russia, e-mail bstish@ mail.ru).

Стихановская Любовь Михайловна - кандидат технических наук, доцент Сибирского государственного автомобильно-дорожного университета (644080, г.Омск, пр. Мира, 5, e-mail: stikhanovskaya@gmail.com).

Stikhanovskaya Lubov Mihailovna - candidate of technical Sciences, associate Professor Sibirskaya State Automobile and Highway University (644080, Mira,5 prospect, Omsk, Russia, stikhanovskaya@gmail.com).

УДК 621.86/87

ВЛИЯНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ ГРУЗА НА СТРЕЛЕ КРАНА - ТРУБОУКЛАДЧИКА НА ИЗМЕНЕНИЕ ГРУЗОВОГО МОМЕНТА

Р.Ю. Сухарев, В.В. Танский

ФГБОУ ВО «СибАДИ», г. Омск, Россия

АННОТАЦИЯ

Введение. Основной особенностью эксплуатации кранов-трубоукладчиков является работа в сложных грунтовых условиях, что существенно влияет на режим работы машины. Данный фактор является одной из основных причин, приводящих к раскачиванию груза на стреле крана-трубоукладчика и, как следствие, аварийным и нештатным ситуациям. В работе рассмотрены вынужденные колебания груза на стреле крана-трубоукладчика, причины их возникновения и проблемы, к которым они приводят. Рассмотрены инженерные решения предшественников. Обоснован новый подход к решению данных проблем.

Материалы и методы: обоснована расчетная схема крана-трубоукладчика, приняты допущения, введены системы координат, составлена математическая модель крана-трубоукладчика.

Результаты: построены следующие временные зависимости: отклонение груза в поперечной плоскости крана-трубоукладчика (горизонтальные колебания), отклонение груза в продольной плоскости крана-трубоукладчика, крен базовой машины, изменение грузового момента. Определено влияние горизонтальных колебаний груза на изменение грузового момента и возникновение вертикальных колебаний.

Обсуждение и заключение: дана оценка влияния горизонтальных колебаний на изменение грузового момента и, как следствие, отрицательного влияния на устойчивость крана-трубоукладчика.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: кран-трубоукладчик, колебания, груз, грузовой момент, устойчивость, расчетная схема, однородные координаты, микрорельеф, отклонение груза.

ВВЕДЕНИЕ

Сложность прокладки трубопровода зачастую связана с удаленностью объектов строительства, с их расположением в болотистых районах со слабыми или вечномерзлыми грунтами [6,7,8]. В процессе укладки трубопровода в траншею нагрузка на крюке крана-трубоукладчика (КТ) изменяется в большом диапазоне [10] - от нулевой до максимальной. Причина такого колебания груза - это изменение высотного положения одного КТ относительного другого вследствие преодоления неровностей микрорельефа, а также колебания, возника-

ющие в системе [2,20]. Наличие неровностей микрорельефа при выполнении работ по обустройству газовых и нефтяных месторождений, прокладке трубопровода является одним из основных негативно влияющих факторов [8].

На сегодняшний день в работах предшественников рассматриваются вертикальные колебания трубопровода, приводящие к неравномерному распределению массы трубопровода и, как следствие, потере устойчивости КТ. Раскачивание трубопровода в горизонтальной плоскости в процессе укладки трубопровода может привести к удару трубы о стенку траншеи или стрелу КТ, что в свою очередь при-