CC BY
93
УДК 69.002.5:622.23.05
ФОРМИРОВАНИЕ УДАРНОГО ИМПУЛЬСА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИСПОЛНЕНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ПОЛОСТИ ПНЕВМОГИДРАВЛИЧЕСКОГО УДАРНОГО УЗЛА
П.Я. Крауиньш, В.Н. Дерюшева
Томский политехнический университет E-mail: vderusheva@tpu.ru
С использованием математического моделирования изучено влияние параметров среды промежуточной полости формирователя пневмогидравлического ударного узла на форму и длительность ударного импульса. Показано как, изменяя параметры и конструктивное исполнение формирователя и промежуточной полости, можно увеличивать эффективность удара.
Ключевые слова:
Пневмогидравлический ударный узел, ударный импульс, форма ударного импульса, математическое моделирование, ударные механизмы, пневмогидравлические установки, удар.
Key words:
Pneumatic-hydraulic shock unit, shock pulse, shock pulse form, mathematical modeling, shock mechanism, pneumatic-hydraulic devices, shock.
Несмотря на большое количество работ [1-3] посвященных исследованию влияния конфигурации ударника на форму и длительность ударного импульса, а тем самым и на его эффективность, до сих пор не исследована возможность управления ударным импульсом, не изменяя конструкцию ударного узла. Нами предложена конструктивная схема пневмогидравли-ческого ударного узла с формирователем, полость которого заполнена упругой или вязкоупругой средой.
Целью данной работы является определение влияния параметров среды промежуточной полости формирователя на форму и длительность ударного импульса.
На рис. 1 представлена конструктивная схема пневмогидравлического ударного узла, подробно приведенная в [4-6]. В качестве аккумулятора потенциальной энергии используется газовая полость - 15, содержащая для разделения газовой и жидкостной среды мембрану - 13. В корпусе - 1 расположен ступенчатый поршень-боек - 2. Для формирования ударного импульса, предаваемого через промежуточный боек - 4 и наголовник - 10, применяется формирователь - 16 и промежуточная полость - 3, размещенные в цилиндрической расточке поршня-бойка - 2. Взвод поршня-бойка - 2 с промежуточным бойком - 4 осуществляется давлением жидкости ртия в гидравлической полости - 12, а разгон - давлением р0 в газовой полости - 15. Синхронное переключение напорной и сливной магистралей происходит с помощью распределителей - 6 и 7 соответственно.
Работу пневмогидравлического ударного узла можно разделить на циклы: разгон, удар, торможение и реверс. Сначала происходит разгон поршня-бойка, затем, пересекая координату х10 происходит удар промежуточного бойка об обрабатываемую среду через наголовник, и в промежуточной полости формируется сила ударного импульса. Когда поршень-боек пересекает координату х20, происходит синхронное переключение сливной магистрали на напорную, и поршень-боек под действием сил в гидравлической полости Рщц и силы в промежуточной
полости Римп тормозиться и приводиться в реверс. Двигаясь обратно (цикл реверса), поршень-боек снова пересекает координату х10, после которой промежуточный боек перестает контактировать с наголовником, и сила ударного импульса становиться равной нулю. Если обрабатываемая среда отсутствует или является слишком хрупкой, то промежуточный боек во время столкновения с наголовником не останавливается, а значит, в промежуточной полости не образуется сила ударного импульса Римп. В этом случае поршень-боек пересекает координату х00 и попадает в буферную полость, в которой резко возрастает давление рбуф, действуя на торец поршня-бойка, образует силу Рбуф и останавливая поршень-боек, а давление в напорной магистрали ргид возвращает его в начальное положение. При пересечении поршнем-бойком начальной точки происходит синхронное переключение напорной магистрали на сливную, и начинается цикл разгона.
Математическая модель содержит уравнения, описывающие динамику пневмогидравлического ударного узла в каждом цикле, и имеет вид:
d xi п п
MlHe + Pa+ Сг'Xl = P"
при Xi < (Xi0 + хнаг) и Vi > 0; d2 X
midf + Pa+ Сг ' Xi = P0 - P™'
пРи X2o > Xi > (xi0 + хнаг) И Vi > 0;
d2 xi
Разгон
Удар
i
i dt
Г + Pa+ Сг • Xi = Po - Ргид - PD
-20 и Vi > 0;
d2 xi
Торможение
+ Pa+ Сг • Xi = P0 — Pимп — -^буф '
Буферное торможение
i dt
при xi > x00 и V > 0;
mi iX + Pa + Сг • Xi = P0 - ^и
при x00 > xi и V < 0;
Реверс
Рис. 1. Принципиальная схема пневмогидравлического ударного узла: 1) корпус; 2) поршень-боек; 3) промежуточная полость; 4) промежуточный боек; 5) буферная полость; 6) распределитель напорной магистрали; 7) распределитель сливной магистрали; 8) напорный дозированный аккумулятор; 9) сливной аккумулятор; 10) наголовник; 11) обрабатываемая среда; 12) гидравлическая полость; 13) мембрана; 14) ограничитель; 15) газовая полость; 16) формирователь
где т1 - масса поршня-бойка; Ра - потери, возникающие при движении поршня-бойка, подробно рассмотрены в [5]; сг - коэффициент, определяющий упругое воздействие газа и мембраны в газовой полости на поршень-боек; х1 - координата перемещения поршня-бойка; V - скорость поршня-бойка; Р0 - сила, образованная давлением в газовой полости, действующим на торец поршня-бойка.
Исследования математической модели проводились при следующих ограничениях: 1) внедрение наголовника - 10 в обрабатываемую среду - 11 приняли равным нулю; 2) смещение корпуса - 1 из-за малого значения не учитывали.
Рассмотрим четыре исполнения промежуточной полости: первое - в промежуточной полости установлен упругий элемент (металлическая пружина, газовая камера, эластомерная пружина сжатия и т. д.), сжатие которого при формировании импульса является существенным; второе - в промежуточной полости установлен упругий элемент, сжатие которого при формировании ударного импульса является не существенным, то есть предварительное сжатие его намного больше сжатия при формировании ударного импульса; третье - в формирователе встроены регулируемый и обратный клапаны, соединяющие промежуточную полость с жидкостной частью газовой полости; и четвертое - в формирователе встроен регулируемый дроссель и обратный клапан, соединяющие промежуточную полость с жидкостной частью газовой полости.
Если в промежуточной полости установлен упругий элемент, сжатие которого при формировании импульса является существенным, то примем его жесткость спр постоянной не зависимо от величины деформации. Выражение силы ударного импульса Ри^, учитывая влияние перемещения наголовника хнаг [6] при деформации (разрушении) нагрузки, будет выглядеть так:
Ртш ~ Спр (Х1 — (Х10 + Хнаг )) + ^гтред '
где спр - жесткость упругого элемента; Рпред - сила предварительного сжатие упругого элемента.
Сила ударного импульса начинает формироваться при достижении поршнем-бойком координаты х10 (рис. 1), в которой возникает сила предварительного сжатия упругого элемента (рис. 2). Промежуточный боек останавливается, а поршень-боек, замедляясь, сжимает упругий элемент. Сила ударного импульса Римп увеличивается.
При пересечении поршнем-бойком координаты х20 происходит переключение распределителей - 6 и 7, и в гидравлическую полость - 12 подается жидкость, давление которой уравновешивает давление в газовой полости, за счет чего поршень-боек останавливается и реверсирует. При обратном движении поршня-бойка сила ударного импульса в промежуточной полости уменьшается, а при пересечении координаты х10 снижается до нуля. Промежуточный боек начинает двигаться совместно с поршнем-бойком.
Так как координата перемещения поршня-бойка х1 изменяется в зависимости от времени, то форму импульса можно представить в виде зависимости силы ударного импульса от времени (рис. 2).
кость через обратный клапан - 4 попадет обратно в промежуточную полость, при этом на промежуточный боек действует давление, равное давлению в газовой полости. Когда поршень-боек пересекает
координату х10, импульс снимается. Р
^ им
Рис. 2. График изменения силы ударного импульса по времени при использовании встроенного упругого элемента в промежуточной полости. Упругая среда
Если предварительное сжатие упругого элемента (металлической, газовой, эластомерной пружины и т. д.) намного превышает сжатие при формировании удара, то сила ударного импульса примет вид, представленный на рис. 3.
Рис. 3. График изменения силы ударного импульса по времени при использовании встроенного упругого элемента в промежуточной полости. Упругая среда
В этом случае приведенная жесткость упругого элемента не оказывает влияния на формирование ударного импульса, и форма импульса будет в виде одной ступени, амплитуда которой определяется предварительным сжатием пружины Рпред. В этом случае сила ударного импульса описывается выражением:
р пр = р = Ь р
имп пред й 0 >
где кЛ - коэффициент, учитывающий насколько сила предварительного сжатия упругого элемента больше силы в газовой полости.
Так же был рассмотрен вариант конструктивного исполнения, когда в поршень-боек встраивается регулируемый клапан - 3 (рис. 4), соединяющий промежуточную полость с жидкостной частью газовой полости, настроенный на необходимое давление.
После соударения с наголовником промежуточный боек останавливается, а поршень-боек продолжает двигаться, и через регулируемый клапан -3 жидкость из промежуточной полости формирователя попадает в газовую полость. При возвращении поршня-бойка в исходное положение жид-
Рис. 4. Принципиальная схема промежуточной полости с встроенным регулируемым клапаном: 1) поршень-боек; 2) гидравлическая полость; 3) регулируемый клапан; 4) обратный клапан; 5) промежуточный боек; 6) наголовник
Таким образом, при торможении поршня-бойка амплитуда ударного импульса будет зависеть от величины давления, на которое настроен регулируемый клапан. Умножив давление в полости формирователя на площадь торца промежуточного бойка в полости формирователя, получим силу, действующую в формирователе. Данную зависимость можно представить следующим образом:
Р^=кпР„ при ^>0, (1)
где кп - коэффициент, учитывающий насколько сила в промежуточной полости больше силы в газовой полости.
Р, кН 24
18 12
6
0
т_
0,15 0,3 0,45
0,6
I, с
Рис. 5. Гоафик изменения силы ударного импульса по времени при использовании встроенного упругого элемента в промежуточной полости. Упругая среда
При возвращении поршня-бойка в начальное положение давление в газовой полости и в промежуточной полости формирователя станет одинаковым. Так как площадь торца промежуточного бойка, расположенного в промежуточной полости, намного меньше площади торца поршня-бойка в газовой полости, то сила, образованная давлением в газовой полости, будет намного больше силы в промежуточной полости, тогда ур. (1) при ¥1<0 примет вид:
римп=р0
где Sб2 - площадь торца промежуточного бойка, расположенного в промежуточной полости; SПiбi -площадь торца поршня-бойка в газовой полости.
В этом случае импульс будет состоять из двух ступеней (рис. 5). При разгоне поршня-бойка амплитуда импульса будет соответствовать давлению настройки на регулируемом клапане, а при движении поршня-бойка в обратном направлении амплитуда импульса будет соответствовать давлению в газовой полости.
В последнем варианте конструктивного исполнения промежуточной полости предлагается установить в поршне-бойке дроссель с обратным клапаном (рис. 6).
В результате получаем, что при возрастании давления в промежуточной полости формирователя малая часть жидкости через дроссель - 3 (рис. 6) сбрасывается в газовый аккумулятор с определенной скоростью. При возвращении поршня-бойка в исходное положение жидкость через обратный клапан - 4 попадает обратно в промежуточную полость.
^имп 7б\.
Рис. 6. Принципиальная схема поршня-бойка с встроенным регулируемым дросселем: 1) поршень-боек; 2) гидравлическая полость; 3) регулируемый дроссель; 4) обратный клапан; 5) промежуточная полость; 6) наголовник
Определим силу ударного импульса через расход жидкости в полости для формирования ударного импульса по формуле [7]:
О-ПОё Л /Р \1 V РИМП - Рс
(2)
где бпол^А - расход жидкости в полости для формирования ударного импульса; V - скорость поршня-бойка; л - коэффициент расхода; g - ускорение силы тяжести; у - удельный вес; ^ - площадь проходного сечения дросселирующей щели; ^п -давление в промежуточной полости формирователя.
Из уравнения (2) выразим давление, которое образуется в полости для формирования ударного импульса:
рдр = ГИМП
V? Л
л/д
др у
28
Р с
Умножив обе части уравнения на площадь Sб2 торца промежуточного бойка, находящегося в по-
лости для формирования ударного импульса, получим силу ударного импульса:
(
Р1
V
¡Л
Г?б2 2 8
Р
(3)
где -Рпред=Р(А - сила, созданная в промежуточной полости формирователя ударного импульса предварительным давлением жидкости, и это давление равно давлению в газовой полости.
Рис. 7. График изменения силы/ ударного импульса по времени при использовании встроенного дросселя в промежуточной полости. Вязкоупругая среда
Отсюда следует, что сила ударного импульса зависит уже не от перемещения поршня-бойка, а от его скорости, площади проходного сечения дросселирующей щели и площади торца промежуточного бойка. Уравнение (3) можно представить в виде:
Р ДР =а V2 + Р ± ИМП 1 1 ± пред ?
где а
л Л
- коэффициент пропорцио-
нальности.
Таким образом, впервые предложено применить в пневмогидравлическом ударном узле формирователь импульса, который позволяет создать ударный импульс либо постоянной величины, либо зависящий от координаты перемещения поршня-бойка, либо его скорости.
Выводы
1. Разработана конструкция пневмогидравличе-ского ударного узла с формирователем ударного импульса.
2. Установлено, что конструктивное исполнение регулируемого формирователя пневмогидра-влического ударного узла и его промежуточной полости влияет на форму и длительность ударного импульса, а, значит, на его эффективность.
3. Представлены четыре варианта формы ударного импульса, полученные при различных упругих и вязкоупругих средах промежуточной полости.
Статья рекомендована к печати Оргкомитетом 1УМеж-дународной научно-технической конференции «Современные проблемы машиностроения» г. Томск 26-28.11.2008г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алимов О.Д., Манжосов В.К., Еремьянц В.Э. Метод расчета ударных систем с элементами различной конфигурации. -Фрунзе: Илим, 1981. - 70 с.
2. Жуков И.А. Формирование упругих волн в волноводах при ударе по ним полукатеноидальными бойками: Дис. ... канд. техн. наук. - Томск, 2005. - 132 с.
3. Янцен И.А. Изыскание и исследование систем с гидропнев-моударными устройствами применительно к созданию исполнительных органов машин активного действия: Дис. ... д-ра техн. наук. - Томск, 1972. - 268 с.
4. Дерюшева В.Н., Крауиньш П.Я. Модель первого каскада пнев-могидравлического ударного механизма // Современные техника и технологии: Труды XII Междунар. научно-практ конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск, 2006. - Т. 1. - С. 219-221.
5. Дерюшева В.Н., Крауиньш П.Я. Влияние потерь на формирование энергии удара // Современные проблемы машиностроения: Труды III Междунар. научно-технич. конф. - Томск, 2006. - С. 160-162.
6. Дерюшева В.Н., Крауиньш П.Я. Исследование влияния отклонения корпуса на цикл работы пневмогидравлического ударного механизма // Современные техника и технологии: Труды XIII Междунар. научно-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. - Томск, 2007. - Т. 1. - С. 240-242.
7. Свешников В.К. Станочные гидроприводы. - М.: Машиностроение, 1995. - 448 с.
Поступила 29.06.2009 г.
УДК 621.83
АНАЛИЗ КИНЕМАТИЧЕСКИХ СХЕМ РЕДУКТОРА ДЛЯ ПРИВОДА ПОДАЧ БУРОВОЙ КОРОНКИ ГОРНОШАХТНОГО КОМБАЙНА
Е.А. Ефременков
Томский политехнический университет E-mail: ephrea@mail.ru
Рассмотрены кинематические схемы передач с промежуточными телами качения, выполнен их структурный анализ, сравнительный анализ технических характеристик различных конструкций планетарного редуктора. Выбрана схема планетарного редуктора привода подач буровой коронки.
Ключевые слова:
Передачи с промежуточными телами качения, редуктор блока подач, кинематическая схема, структурный анализ, степень свободы. Key words:
Transmissions with intermediate solids of revolution, reducer of feeding unit, kinematic scheme, structural analysis, degree of freedom.
При проектировании буровых машин для горно-шахтных проходческих комбайнов возникла проблема уменьшения диаметральных габаритов редуктора для привода подач буровой коронки, металлоемкости, а также повышения надежности и ресурса. В настоящее время в этом механизме используется двухступенчатая эвольвентная планетарная передача, однако диаметральные габаритные размеры редуктора не устраивают потребителя, поскольку весь механизм не может разместиться в выработке. Эта проблема была обозначена одним из машиностроительных предприятий. Существующий планетарный редуктор имеет диаметральный габарит 640 мм, осевой - 830...900 мм, передаточное отношение и=60, выходной крутящий момент 20 кН.м, ресурс работы редуктора 12 тыс. ч. По заданию заказчика необходимо при том же передаточном отношении и крутящем моменте обеспечить диаметральный габаритный размер не более 400 мм, а ресурс работы 20 тыс. ч.
Использованием приводных механизмов на базе передач с промежуточными телами качения
(ПТК) можно достичь наименьших габаритных размеров механизма. Редукторы на базе передач с ПТК изготавливаются рядом фирм г. Томска. Однако редукторы, выпускаемые предприятиями в настоящее время, не могут обеспечить весь комплекс требуемых технических характеристик. В российской литературе кинематические схемы передач с ПТК практически не рассмотрены [1]. Недавно была выполнена работа [2], в которой подробно рассматривалась схема, на основе которой проектируются и изготавливаются редукторы томскими фирмами. Поэтому необходима разработка новых схем передач с ПТК, способных обеспечить комплекс необходимых технических характеристик. Ниже проведем анализ кинематических схем различных передач, позволяющих снизить диаметральные габаритные размеры механизма.
Уменьшить габаритные размеры с одновременным увеличением нагрузочной способности редуктора можно, используя планетарные передачи с внецентроидным зацеплением [1]. В указанной монографии описаны в основном цевочные передачи,
