Моделирование рабочего процесса отбойного пневмогидромолота с учетом демпфирующих устройств Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© В.А. Кравченко, Л.Е. Карасев, 2012

УДК 622.233, 621.255

В.А. Кравченко, А.Е. Карасев

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА ОТБОЙНОГО ПНЕВМОГИДРОМОЛОТА С УЧЕТОМ ДЕМПФИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Отбойный молот во время работы формирует дискретные нагрузки на технологическую машину, снижение которых достигается использованием демпфирующих устройств (амортизаторов). Разработанная математическая модель системы молот — амортизатор — базовая машина, описывает систему с различными типами амортизаторов и предназначена для выбора рациональных параметров. Ключевые слова: пневмогидравлический молот, амортизатор, магистраль, гидро-пневмоаккумулятор.

Отбойные гидравлические и пневмогидравлические молоты, установленные на стрелы базовых машин (проходческие комбайны, экскаваторы), широко применяются для разрушения крепких пород, скальных и мерзлых грунтов, строительных материалов.

Пневмогидравлический молот — устройство ударного действия, которое предназначено для формирования и передачи разрушаемому объекту механического импульса. Последний формируется во время удара бойка, совершающего возвратно — поступательное движение под действием сил давления сжатого газа и жидкости, по рабочему инструменту прижатому статической силой к объекту.

В процессе работы отбойный молот оказывает дискретное высокочастотное (до 10 Гц) воздействие на разрушаемый объект и на базовую машину. Для защиты базовой машины от динамических нагрузок между отбойным молотом и стрелой располагают демпфирующее устройство — амортизатор.

Однако в настоящее время не достаточно исследовано взаимодействие мо-

лота с разрушаемым объектом и базовой машиной в зависимости от типа и параметров амортизатора. Для развития исследований в этом направлении и выбора рациональных параметров системы: пневмогидравлический молот — амортизатор — базовая машина разработана математическая модель, учитывающая параметры элементов системы, а также силовой установки.

В процессе работы отбойного молота силы взаимодействия элементов системы изменяются в зависимости от положения бойка [1], поэтому для моделирования рабочий цикл разбит на четыре такта.

Такт 1. Рабочий инструмент прижат к разрушаемому массиву. Золотник находится в положении «обратных ход». Боек совершает обратных ход, сжимает газ в камере Пк рабочего хода (рисунок 1) и вытесняет жидкость из вспомогательной камеры Кв в сливную магистраль. При достижении бойком положения с координатой хб = 1кУ12 - ¡раз, расточка Ь посредством проточки (датчика положения) на бойке сообщается с расточкой с напорной магистрали.

Такт 2. Боек завершает обратных ход. Рабочая жидкость из напорной магистрали поступает в камеру управления КУ1 распределителя, происходит переключение золотника в положение «рабочих ход». Давление газа достигает максимального значения.

Такт 3. Золотник находится в положении «рабочих ход». Боек под действие расширяющегося газа совершает рабочий ход в направлении рабочего инструмента 1. Жидкость из камеры обратного хода вытесняется через золотник в сливную магистраль и вспомогательную камеру Кв. Жидкость из напорной магистрали поступает в гидропневмоаккумулятор Ак, происходит его зарядка (сжатие газа). При достижении бойком положения с координатой хб = Ьку1, открывается

расточка Ь датчика положения в корпусе молота. Камера управления КУ1 распределителя сообщается со сливной магистралью.

Такт 4. Боек наносит удар по инструменту. Во время соударения и последующего совместного движения боек передает накопленную энергию через инструмент разрушаемому объекту. Золотник под действием силы давления жидкости, поступающей в камеру КУ2 из напорной магистрали, возвращается в положение «обратный ход».

При разработке математической модели для системы без амортизатора и с тремя типами амортизаторов (рисунок 2) рассмотрена механическая система, состоящая из четырех тел, в которую входят: базовая машина (М); корпус (шк); боек (ше) и золотник (ш^) пневмогидромолота.

Для описания движения тел введены четыре координатные оси: х — вертикального перемещения базовой

машины; xK _ перемещения корпуса пневмогидромолота; х^ — перемещения бойка; хзол — перемещения золотника.

При составлении уравнений движения элементов системы сделаны допущения общепринятые при моделировании рабочего цикла пневмогидромолота [2]. Базовая машина, корпус, боек, золотник и связь между стрелой и базовой машиной считаются абсолютно жесткими, пружинный амортизатор — абсолютно упругим, процессы в пневматическом амортизаторе — адиабатическими, жидкость в гидравлическом амортизаторе несжимаемой.

Математическая модель системы:

• без амортизатора (рис. 1, а)

Mx'' = -Cx -Bx'- mKx1''+ F + F --Fo6- Fp (x6';x*')

mKxK'' = -Mx''- Cx - Bx'+ Fp - Fo6 +

+F - Fp (x6'; xK 1

m6x6 '' = Fp - Fo6 + F - Fp(x6 '; xK "I +

s

mson xson = msong - FP (xson 1 - FKy2 + FKy1

x'' = xK '' x' = xK '

• с пружинным амортизатором (рис. 1, 6)

Mx'' = -Cx - Bx'- С x + Сx1

ам ам i

mxi '' = Самx - Самxi + FP - Fo6 + F --Fp (x6';x*')

m6x6'' = FP- Fo6 + F - FP (x6';x* "I +

s

тзол xson = mson 3 - FP (xson 1 - FW2 + FKy1

• с пневматическим амортизатором (рис. 1, в)

Рис. 1. Расчетные схемы системы без амортизатора (а) и с амортизатором: б

пружинным, в — пневматическим, г — гидравлический

Рис. 2. Расчётная схема пневмогидромолота (повернута на 90°):

1 — инструмент; 2 — боек; 3 — корпус; 4 — распределитель; Ак — аккумулятор; 1раз —

длина пояска бойка; Пк — пневмокамера рабочего хода; Кох — камера обратного хода; Кв — камера вспомогателная ; КУ1, КУ2 — каналы управления; а, Ь, с, 6 — каналы подвода рабочей жидкости; Lкy1, Lкyl2 , Lкy2 — координаты расточек

Mx '' = -Cx -Bx '- p0S x

1 --

V" V0

(Vo - x)ST mêxê '' = -mêg -Po S x

V" Vo

(Vo - (xê - x)S)'

— F - F + F

Fp Fоб ^ FB

-Fd(x6 ': xê ')

m6x6 '' = Fp- Fo6 + FB- Fp( x6 '; xê ') + +тбg

тюл xçoë = тзолg - Fd ( x3on ) - FKy2 + FKy1

• с гидравлическим амортизатором (рис. 1, г)

МХ'' = -Сх - Вх'- С х + СаиХк +

ам ам к

+Вам Хк ВамХ'

ткХк '' = Рр - Роб + Рв - ^р (Хб '; Хк ') + +^амХ - СамХк - ВамХк '+ ВамХ'

'' = Р - Р* + F - Р (Х,';Х ') +

б б р об в тру б ' к '

+тб з

тзол Хзол = тзол3 - Ртр (Хзол ) - Рку2 + Рк,1

Силы, действующие в пневмоги-дромолоте (возбудитель колебаний):

• на боек со стороны камеры рабочего хода

F'о = Р,

Sp

0.0 ,

1 +

( хб + xê ) • Sp V0

V "p.0 y

• на боек со стороны камеры обратного хода

in Л2

Fo6 = ( Pàê -

Z

S,

2 g

для такта 1 и такта 2,

V S30ë

( хб'+ xJ

) • So,

F = ( -L

'06 ( ^

S,

2

06

V S30ë

(хб '+ xê )

2g

для такта 3 и такта 4;

) • S

об

• на боек со стороны вспомогательной камеры

FB = Рв SB ;

• на золотник со стороны камеры управления КУ1

Fêyi = Рак SKyi, для такта 1 и такта 2, FKy1 = pB SKy1, для такта 3 и такта 4;

• на золотник со стороны камеры управления

FKy2 = Рак SkV2 ■

В математической модели приняты следующие обозначения:

I н

x и x — скорость и ускорение центра масс базовой машины; xK' и хк''-скорость и ускорение центра масс корпуса пневмогидромолота; xi и Хб''- скорость и ускорение центра масс бойка пневмогидромолота; x^' и x30ë''- скорость и ускорение центра масс золотника пневмогидромолота; С и Сам — жесткость ходовой части (колес) базовой машины и амортизатора; B и Вам — коэффициент сопротивления движения колес базовой машины и амортизатора; po и Vo — давление и объем газа в пневматическом амортизаторе в начальный момент работы; S — площадь поршня амортизатора; Sp, So6 и Sâ —

площади бойка со стороны камеры рабочего хода, обратного хода, вспомогательной соответственно; SKy1 и SKy2 —

площади поперечного сечения плунжеров в камерах КУ1 и КУ2; Бзол — площадь проходного сечения золотника; Z — коэффициент сопротивления золот-

ника; pp 0 и V

р.0

давление и объем

газа в рабочей камере молота в начальный момент;; рак - давление на входе в золотник; рв - давление во вспомогательной камере; Fтp — сила трения; п — показатель политропы.

Таблица 1

Условия согласования тактов пневмогидромолота

Такт 1 Такт 2 Такт 3 Такт 4

хб' * 0 хб' = 0 хб' * 0 хб' = 0

' * 0 пРи ' * 0 пРи ' * 0 пРи ' * 0 пРи

х, + х < L ,, - 1 б к ку12 раз х, + х < ^ ,„ - 1 б к ку!2 раз х, + х > £ , б к ку 1 х, + х > £ , б к ку 1

Примечание: . 12 — координата расточки Ь (рис. 2); 1 — длина пояска бойка.

Рис. 3. Результаты численных экспериментов — графики зависимости скорости, перемещения и ускорения базовой машины (М) от времени: а — без использования амортизатора и б — с использование гидравлического амортизатора

Векторная сумма сил Fp, Fo6, FB, FTp,

определяет силу отдачи FoT, действующую на корпус пневмогидромоло-та и амортизатор [3].

К + Кб + FB + К =

Лля реализации математической модели разработана программа и записаны условия согласования тактов,

протекание которых перекрывается по времени (табл. 1).

Первые численные эксперименты подтвердили, что разработанная математическая модель позволяет анализировать влияние параметров системы на выходные характеристики молота, выбирать рациональные параметры амортизатора, обеспечивающие снижение динамического воздействия молота на стрелу базовой машины (рис. 3).

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гераськин C.B. Воздействие навесного экскаваторного ударного устройства на манипулятор // Механизация и электрификация сельского хозяйства — 2000. — №3 — С. 23—26.

2. Кравченко B.A. Математическая модель гидроударника с управляемой камерой рабочего хода / В. А. Кравченко, А. И. Пономарев // Механизмы и машины ударного действия, периодического и вибрационного

действия — Орел: ОрелГТУ — 2003. — С. 53—55.

3. Кравченко В. А. Моделирование демпфирующих устройств ударно-скалывающего исполнительного органа / В.А. Кравченко.

4. Карасев А.Е., Пономарев А.И., Абду-рашитов А.И. // Горное оборудование и электромеханика — 2009. — № 10. — С. 12—14. ЕЕЕ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Кравченко В.А., Карасев А.Е. —

ГОРНЯЦКОЕ АРГО

1

4

• КОРЖ — большой кусок породы, упавший с кровли, или л? % имеющий тенденцию к падению. Размеры коржа могут достигать метров, а вес несколько тонн.

• КОРМИЛЕЦ — очистной комбайн. Он же ТРАКТОР, ЖЕЛЕЗЯКА, БАЛАЛАЙКА.

• КОРОНКА — сменный наконечник на забурнике.

• КОРЧАГИН — кирка.

• КОСТЕР (КЛЕТЬ) — конструкция в виде сруба, выкладывается из деревянных стоек — предназначена для поддержания кровли.

• КОШКА — самодельный примитивный тормоз для удержания оборвавшегося вагона.

• КРОВЛЯ — расположенные выше пласта угля пласты породы, различные по мощности и по крепости; собственно, не жаргонизм, а официальный термин.

• КС — официально: участок «Конвейерная служба» (на некоторых шахтах УКТ), неофициально: королевская служба.

• КУСТ — вид обрезного крепления из 3-4 деревянных стоек; применялся в лавах с ручной навалкой, сейчас используется для усиления крепления сопряжения лав со штреками.