CC BY
12
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 78 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1955 г.
НЕКОТОРЫЕ ИТОГИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЭЛЕКТРОПНЕВМАТИЧЕСКИХ МАШИН УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ
П. М. АЛАБУЖЕВ
Потребность в создании новых конструкций машин ударного действия поставила перед Томским электромеханическим заводом (ТЭМЗ) задачу исследования рабочего процесса электропневматических молотков и перфораторов, изготовляемых заводом. Для этой цели, согласно договору с ТПИ, в порядке творческого содружества, был спроектирован и выполнен стенд, общий вид которого показан на прилагаемой фотографии, рис. 1; на стенде* имеется возможность исследовать различные конструкции электропневматических узлов машин ударного действия при переменных параметрах, определяющих рабочий процесс, без какой-либо существенной переделки, не создавая машину заново.
Рис. 1 Рис. 2
Схема стенда представлена па рис. 2а. На стальной плите 14, закрепленной на колонках, расположены 4 основных узла: 1) электродвигатель— 1; 2) крнвошипно-шатунная передача (2—3—4), 3) ударный узел, состоящий
121
из цилиндра молотка 7, соединительной трубки 8 (для схемы молотка двойного действия), поршня 5, бойка 6 и инструмента 9; 4) механизм про-ворота бура (10—11 — 12—13), причем вращательное движение бура могло быть осуществимо и от отдельного электродвигателя постоянного тока.
На рис. 26 изображена схема молотка типа ЗЭРТ с двойным цилиндром; на рис. 2в показана схема молотка с одним цилиндром, но с двухсторонней воздушной сеязью, о внутренней компенсацией воздуха; на рис. 2г дана схема молотка с наружной компенсацией воздуха; рис. 2д представляет схему молотка типа ОМГ; на рис. 2е показана схема молотка типа КНШ. Диаметр цилиндров и бойков D = 6S мм. Вес стенда (без электродвигателя) равен 170 кг. Подача ручная, а также при помощи грузов, закрепленных на гибком тросе и перекинутом через блок.
Оптимальная сила подачи Р, обеспечивающая продвижение молотка к забою порядка ^75—90 кг. На стенде возможна работа в любом положении (по условиям договора испытания проводились при горизонтальном положении молотка). Экспериментальная установка позволяет проводить лабораторные исследования в условиях, близких к производственным
OSs>ac.mb Cnmumonb^bix гку>оп>1 етро&
r*c*mu<secAis х г*го пот А о £
cxe*r¿>' ЗЭРТ
ITs
Ss Sn
С* , СП
т* qcr/сеЛ
trlr-
/0 . li JH í
&
S . «
с. i
СО г. сек
гл
2,0
¡.Ь
4--J— — НФ
1 !
Mr
Р хг • см*
I.о
te i,
а
0,8 0.2 0.6 б В 1,0 1.2 /4 Л
Ус по S> ü oíojr/ave^up:
А г
о -1ЧОЛ4&
' г0 кг
Рис. 4
(работа по породе, возможность проходки; использование буров и коронок заводского типа). На этом стенде были изучены схемы молотков типа ЗЭРТ, двойного действия и другие схемы. Кроме того, стенд можно использовать при доводке конструкций и исследования ряда частных вопросов, касающихся прочности отдельных деталей, износа, к.п.д. удара и т. д. В настоящей статье мы дадим некоторые итоги испытаний молотков схемы ЗЭРТ. Теоретическое и экспериментальное исследования отдельных вопросов, касающихся работы молотков этой схемы, частично освещены в работах [1; 2; 3].
На рис. 3 показано изменение ряда величин, характеризующих рабочий процесс молотка в установившемся режиме. Здесь обозначено: эп и Эб — пути поршня и бойка, записанные нами оптическим способом [4]; I—длина воздушной подушки; со—угловая скорость вала кривошипа, полученная при помощи таходинамо постоянного тока; р—давление воздуха * между
бойком и поршнем, регистрируемое датчиком емкостного типа и наблюдаемое на экране осциллографа [7]. В этом режиме (№ 8 по журналу) вес бойка на единицу площади сечения цилиндра # — 0,066 кг/см2.
В результате проведенных испытаний выявлены реальные возможности машин этого типа.
На основании отобранных лучших режимов (см. табл. 1) имеется возможность с применением теории подобия [3| без особого труда выбрать параметры машины с энергией удара А = 1 15 кгм и числом ударов г = 500— 1500 в минуту.
Установлена зависимость между параметрами электропневматического молотка в лучших режимах при ударе по металлу:
П
т р0 g тг О 2
4 <21,
11 з (с вероятной погрешностью результата — 6%).
Здесь обозначено:
/я — показатель политропы (среднее значение тср~ 1,25 + 0,07); ^ рь—\ кг ¡см2;
^ =9,8 м\сек2 — ускорение свободного падения; Ъ — диаметр цилиндра молотка (в нашем случае О — 68 мм); С2 — вес бойка;
/0 — начальная длина воздушной подушки; ъп
-среднее значение угловой скорости вала кривошипа.
О)
30
Существование критерия подобия П показано нами в работе [3]. Численное значение критерия П —0,33 дает возможность конструктору варьировать выбор параметров машины, подобной в динамическом отношении данной машине.
Нрррнтеристини зпектрошевмдтичесним молотков 8 БЕЗРЯЗ^ЕРмык НООРДИНЯТДЯ : ¿гтг^
лих
сллмЛе.)
I 1 I I 11 1 { { 1 1 I
2а Чо во 80 100 1*10 /Во ¡8С 2со Р2о В4с Р60 28О Зоо
ЯРИР^ЕР' ТЬич ~ ллос^ос^ы^ 2 = Ъ ¥-23Уо.
—.260 при:
аео-ол/ ( а--2 е0 -бел.), г - лоос , л- 425*. с. Рис. 5
Результаты испытаний, приведенные в табл. 1, для наглядности можно представить в виде зависимостей между безразмерными величинами (рис. 4, 5). Как видно из рис. 4 и 5 имеются области значения оптимальных параметров, и каждая точка этой области увязывает между собою значения параметров машины в оптимальном режиме. Из рис. 4 видно; что наиболее вероятное значение отношения радиуса кривошипа г в на-
сальной длине воздушной подушки, в оптимальном режиме, равно-7 -=0,6 (независимо от значения единичного веса бойка). При этом отношение
скорости бойка к- окружной скорости пальца кривошипа —— — 1,6.
Гш
Следовательно, при данном радиусе кривошипа г, числе оборотов вала кривошипа п и весе бойка не трудно подсчитать значение энергии удара
на бойке—А = —^—(1,6егш)2. Максимальное значение отношения———в на-2 g
ших исследованиях равно 2,1.
Таблица 1
Некоторые лучшие режимы ударного узла молотка схемы ЗЭРТ на стенде в ТПИ,
при сочетании параметров г, /0, С?, г
№ п. п. Параметры молотка Потребляемая 1 мощность из эл. сети кет К.н.д. молотка %
мм /о | мм 0 к г ! * ; уд\М11Н А кгм
I 1 ! 46 1 60 1,65 \ 1100 5,5 4,50 20,0
о : 46 73 1,65 1100 9,3 4,25 37,5
3 ' ! 44 71 1,65 1400 10,5 6,00 40,0
4 ! 44 66 1,65 1400 7,5 4,Ю 42,0
5 32 45 2,40 900 2,9 2,65 18,0
6 1 32 55 1,65 1450 5,0 4,50 26,5
7 1 32 45 0,87 1450 1,75 2,25 18,0
8 ! 20 50 1,65 1475 2,2 2,48 20,5
9 39 58 1,65 1400 7,0 4,95 33,0
10 | «7,5 52 1,65 1450 5,1 5,25 23,6
I! ] 47,5 70 2,40 1400 . 10,0 8,40 25,0
12 | 40 65 1,65 .1190 4,5 4,90 21,0
1!3 1 40 70 1,65 1480 5.0 4,80 25,6
14 ! 50 60 2,00 1350 8,8 6,18 31,4
15 1 ) 47.5 60 2,40 1400 7,0 1 8,СО 20,0
Здесь обозначено: г — радиус кривошипа;
— начальная длина воздушной подушки; С? вес бойка; г—число ударов в минуту;
V — потребляемая мощность из электрической сети;
(2. У2б * . „
А = -----------работа при ударе на бойке.
2§
Восемь режимов работы молотка схемы ЗЭРТ нами были более тщательно изучены, записаны экспериментально графики рабочего процесса— р и статистическим методом получены следующие соотношения,
объединенные табл. 2.
На рис. 6 в безразмерных координатах — и показан так
г <*>ср ¿0
называемый предельный цикл в установившемся режиме работы машины. к — изображающая точка состояния системы на фазовой плоскости. Совокупность всех точек к дает нам „фазовый портрет" всех состояний системы в установившемся режиме. Заметим, что получение предельного
цикла теоретическим путем для данной нелинейной системы является весьма трудной задачей.
Таблиц а • 2
№ п. п. Наименование безразмерного выражения Обозначение Величина Вероятная погрешность результата 2 R=±i — I /---» з у я (я-1) где п — 8
1 Отношение радиуса кривошипа к начальной длине воздушной ПОДУШКИ........... г и 0,60 :£ 0,04
2 Отношение максимальной скорости бойка к окружной скорости пальца кривошипа .... и ve г-шср i 1,63 it 0,07
3 Отношение максимального хода бойка к начальной длине воздушной подушки....... s б max lo s -б max 1,40 i it 0,07 ;
4 Отношение максимального хода бойка к удвоенному радиусу кривошипа.......... 1,22 1 * zt- 0,05-л
5 Коэффициент восстановления при ударе по стали и отскоке бойка V 0,40 d=0,03
6 Отношение максимальной скорости бойка к частоте ударов и максимальному ходу бойка . . v6 0,85 -t 0,04,
с „ о max 30
Контролем метода статистической /0 г s6max _
обработки служит соотношение: —;------------ • —i— • — ---1
max lo 1
В нашем случае-0,71.0,60. 2,44= 1,03 (±: 0,16)
При испытаниях на стенде выяснено, что общий к.п.д. машины в среднем порядка 23°/0 (в лучших режимах к.п.д. rt = 35-— 42°/0). На рис.. 7 приведен баланс энергии электропневматического молотка в одном из лучших режимов; потери в воздушной подушке в зависимости от зазоров могут изменяться в пределах от 14—26% за цикл работы молотка.
В процессе выполнения работы создавалась методика экспериментальных исследований и обработки материалов [4; 5; 7] с выяснением погрешности результатов опытов; повышалась квалификация лаборантов и исполнителей работы (к числу которых привлекались и студенты ТГШ), накапливался опыт, отсутствие которого особенно сказывалось в начале выполнения работы. Создавалось оборудование и оригинальная безинерциоишая аппаратура для исследования быстро протекающих во времени процессов (электронный коммутатор; двухлучевой катодный осциллограф с коммутаторами на усилителях постоянного тока, на экране которого можно одно-временно наблюдать за изменением четырех процессов; датчики давления
емкостного типа; аппаратура для записи хода бойка, поршня и др.). Сделанная нами аппаратура может быть применена в смежных областях техники (ДВС, пневматические молотки, кузнечные молоты, воздуходувки и т. д.) к исследованию рабочего процесса других , машин как в установившемся, так и переходном режимах работы.
Преде льнмй цикл
(в лс
бйЛЯМС ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТР0ПНЕ8МЯТНЧЕСК0Г0 МОЛОТКЯ
ПСД8ЕДЕНМЙЯ ЭНЕРГИЯ К ЗЛЕИТРОПеИГДТБПЮ ОТ СЕТИ
ПОШНЯЯ Р^БОТЙ ня
ИНСТРУМЕНТЕ
ПОТЕРН ЗМЕРГИИ
ПОТЕРИ мом .80И>ИП. ПСЫ.
ПОТЕРИ в
Р1СМГОРС
потери в иояаушной
ын» /
Е©3Э5>йт Яиь^гми вСЗа*ы ПОДОКОН ПРИ ОТСКОКЕ воыня
ПОТЕРИ ПРИ УОЯРЕ О ИНСТРУМЕНТ
Рис. 6 • Рис. 7
Результаты экспериментов подтвердили теоретические представления и соображения, высказанные нами ранее [1; 3], а также уточнили значения ряда коэффициентов и показателей (?], 11, тср), необходимых для расчета. Более ясно представляется сущность механизма процессов, происходящих в машине ударного действия и отдельных ее элементах, например, роль скорости деформации воздушной связи, роль компенсации воздуха и зазоров на работу молотка. Оказалось, что рабочий процесс электропневматической машины ударного действия существенно зависит от величины и местоположения компенсационных отверстий в цилиндре молотка (см. рис. 8). Это обстоятельство в свою очередь открывает возможности для повышения к.п.д. машины и регулировки энергии удара, что особенно бажно при забуривании.
В процессе экспериментирования выявлена взаимосвязь рабочего процесса ударной машины с внешними факторами (разрушаемой породой и силой подачи). Выяснено, что к числу исходных параметров бурильного молотка относятся энергия удара необходимая для разрушения данной (6) породы, угол поворота бура между двумя ударами и усилие подачи
На основании имеющегося материала выбор остальных параметров машины ударного действия (г, /0, Д (3, г) для определенных конкретных условий не представляет значительных трудностей. Имеются возможности для теоретического построения индикаторной диаграммы давления в воздушной подушке через среднее давление за цикл:
рср= ^2 ^ ! — (здесь е—коэффициент восстановления при ударе),
15 g О2
а также данные для силового расчета машины ударного действия (криво-шипно-шатунная группа, механизм проворота бура и т. д.) и определения к.п.д. отдельных элементов машины.
Проведенные экспериментальные исследования не являются законченными. В дальнейших работах предполагается:
а) использовать для регистрации процессов в машинах ударного действия шлейфовый осциллограф, для чего уже сконструирован преобразующий прибор (на шесть кривых), выполняющий роль усилителя тока между датчиками и шлейфом.
(й = 5 мм) от кромки бойка по длине воздушной подушки
Фиг. 8
6) закончить конструктивное оформление и наладку датчиков емкостного типа для исследования и регистрации явления удара, а также крутящего момента на буре;
и в) произвести измерения температуры в воздушной подушке (за один цикл работы) и отдельных частях машины;
Г** г) закончить приставку к катодному осциллографу с возможностью двухкратного электрического дифференцирования и интегрирования кривых, характеризующих то или иное явле ие рабочего процесса машины ударного действия, с возможностью использования магнитной записи;
д) изучить поведение и работу электродвигателя в режиме ударной нагрузки;
е) поставить работу над изучением различного рода податчиков; амортизаторов удара; поглотителей'колебаний, уменьшающих вибрации корпуса молотка; исследовать колебание груза на пружине при наличии ударов по различным материалам в зависимости от соотношения частот возмущающей силы и собственных колебаний;
ж) совместно с ТЭМЗ поставить работу по изучению прочности и долговечности отдельных элементов и деталей при переменных и ударных нагрузках;
з) провести исследование по вопросу о к.п.д. удара.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алабужев П. М. Исследование рабочего процесса электроотбойного молотка с упругой (воздушной) связью. Изв. ТПИ, т. "1, в. 1, 1947.
2. Алабужев П. М и Юдин И. В. Экспериментальное исследование электропневматического молотка. Труды ЗСФАН, вып. 8, 1 н50.
3. Алабужев П. М. Применение теории подобий и размерностей к исследованию (моделированию) машин ударного действия. Изв. ТОЙ, т. 73, 1952.
4. А л а б у ж е в П. М. и Алимов О. .Д. Определение энергии бойка в -машинах ударного действия. Изв. ТПИ, т. 76, 1954.
5. Алабужев П. М., М е д л й й & Е. К., Невструев Е. Н. К методике исследования электропневматических мо&отков, Изв. ТПИ, т. 76, 1954.
6. А л а б у ж е в П. М и Алимов О. Д. Влияние усилия подачи и угла поворота бура между ударами на скорость ударно-вращательного бурения шпуров. Изв. ТПИ, т. 75, 1954.
7. А л а б у ж е в П. М. Применение электрических методов к исследованию машин ударного действия. Изв. ТПИ, т. 78, 1954.
