CC BY
15
УДК 621.23.05
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-6-21-28
ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ КОЛЬЦЕВОГО УПРУГОГО КЛАПАНА С КИНЕМАТИЧЕСКИМ ЗАМЫКАНИЕМ В ГИДРОУДАРНЫХ МЕХАНИЗМАХ ОБЪЕМНОГО ТИПА
Борис Борисович Данилов
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, доктор технических наук, главный научный сотрудник отдела горной и строительной геотехники, тел. (383)205-30-30, доп. 119, е-mail: bbdanilov@mail.ru
Борис Николаевич Смоляницкий
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, доктор технических наук, профессор, зав. отделом горной и строительной геотехники, тел. (383)205-30-30, доп. 115, e-mail: bsmol@misd.nsc.ru
Вадим Валерьевич Плохих
Сибирский государственный университет путей сообщения, 630049, Россия, г. Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191, аспирант-стажер кафедры «Подъемно-транспортные, путевые, строительные и дорожные машины»
Представлены подходы к обоснованию применения упругого кольцевого клапана в распределительной системе гидроударного механизма, которая предназначена для подачи команд на перемещение ударника. Анализ различных распределительных устройств показал, что применение в них эластичного клапана в виде мембранного запорно-регулирующего элемента является чрезвычайно эффективным. Этот клапан обеспечивает упрощение конструкции гидроударника, так как исключает применение золотника, и повышает технологичность изготовления. Но, несмотря на простоту конструкции по сравнению с известными, распределительное устройство на основе такого клапана не решает полностью проблему увеличения зазоров в трущихся парах гидроударных машин, что не позволяет снизить требования к точности их изготовления.
В настоящей статье применительно к созданию гидравлических устройств ударного действия объемного типа для проходки скважин в породных массивах обоснована принципиальная конструктивная схема с упругим кольцевым распределительным клапаном, деформируемым в радиальном направлении. Экспериментально определены условия срабатывания эластичного клапана, с учетом которых разработана конструкция, создан и экспериментально проверен действующий образец гидроударного устройства с таким клапаном. Подтверждена принципиальная возможность создания на основе этой схемы действующего экспериментального образца гидроударника.
Ключевые слова: скважина, породный массив, гидроударник, упругий клапан, условия срабатывания.
JUSTIFICATION OF EMPLOYMENT OF ELASTIC RING VALVE WITH KINEMATIC CLOSING IN HYDRAULIC IMPACT DEVICES
Boris B. Danilov
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, D. Sc., Chief Researcher, Mining and Construction GeoEquipment Department, phone: (383)205-30-30, extension 119, е-mail: bbdanilov@mail.ru
Boris N. Smolyanitsky
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, D. Sc., Professor, Head of Mining and Construction GeoEquipment Department, phone: (383)205-30-30, extension 115, e-mail: bsmol@misd.nsc.ru
Vadim V. Plokhikh
Siberian Transport University, 191, Dusi Kovalchuk St., Novosibirsk, 630049, Russia, Ph. D. Student, Intern, Lifting, Hoisting, Construction and Road-Building Machines Department
The paper presents several approaches to the use justification of an elastic annular valve in the distribution system of a hydraulic impact mechanism. The distribution system is intended to provide instructions for the movement of the hammer. The analysis of various switchgears has showed that the use of an elastic valve as a membrane shut-off and control element is highly effective. The valve simplifies the hydraulic hammer design, since it excludes the use of a slide valve, and improves the manufacturability. However, despite the simplicity of the design in comparison with the known ones, the switchgear based on this type of valve does not completely solve the problem of increasing clearances in friction of hydraulic impact machines. Therefore, it is impossible to reduce the requirements for the accuracy of their manufacture.
The authors of the article justify the use of a basic structural design with an elastic annular distributing valve which is radially deformable. The design is used in relation to the development of hydraulic impact tools of volumetric type used for drilling boreholes in rock mass, The operating conditions of the elastic valve have been experimentally determined and verified, inclusive of which a design has been developed, as well as an operating sample of a hydraulic impact tool with this type of valve. On the basis of this scheme the possibility of creating an operating experimental sample of a hydraulic hammer has been confirmed.
Key words: borehole, rock mass, hydraulic hammer, elastic valve, trigger conditions.
Введение
Гидравлические ударные машины находят все большее применение в горном деле для дробления негабаритов, в рабочих органах проходческих машин, в бурильных машинах погружного и выносного типа [1-3]. В строительстве они применяются для разрушения мерзлых грунтов и строительных конструкций, трамбования грунтов, забивки шпунта, свай, труб и выполнения других операций. Этому во многом способствовало повышение эксплуатационной надежности машин за счет упрощения их конструкции, внедрения новых технологий изготовления деталей.
Гидроударная машина - это устройство для преобразования кинетической или потенциальной энергии жидкости в энергию удара. Соответственно этому существуют гидроударные машины динамического и объемного типов. Гидрообъемные машины обладают более высокими энергетическими показателями и технологическими возможностями, но существенно сложнее по конструкции и в эксплуатации [4-6]. Устранение этих недостатков машин объемного типа позволит расширить область их применения. Главными задачами, требующими первоочередного решения при совершенствовании таких машин, являются увеличение допустимых зазоров в трущихся парах и создание простых гидрораспределительных устройств, свободных от большинства недостатков золотниковых распределителей.
Эксперименты
В этом направлении наиболее значимыми, на наш взгляд, являются работы сотрудников СибАДИ (г. Омск), направленные на разработку упругих запорно-регулирующих элементов [7-9] взамен золотников.
Схема, поясняющая принцип действия распределительного узла с упругим запорно-регулирующим элементом, приведена на рис. 1. В закрытом положении упругий элемент 4 (рис. 1, а) под действием давления жидкости в управляющей полости 2 перекрывает гидролинии 5 и 6. При этом происходит холостой ход (взвод) бойка гидравлического ударного устройства.
12 3 4
а) б)
Рис. 1. Распределительный узел с плоским упругим запорно-регулирующим элементом:
1 - корпус; 2 - управляющая полость; 3 - гидролиния управляющей полости;
4 - упругий запорно-регулирующий элемент; 5 - отводящая гидролиния; 6 - подводящая гидролиния
В открытом положении упругого элемента 4 (рис. 1, б) происходит соединение управляющей полости 2 через гидролинию 3 со сливом. При этом давление в управляющей полости 2 падает, упругий элемент 4 деформируется, а гидролинии 5 и 6 соединяются между собой. Этому состоянию упругого элемента 4 в распределительном узле гидроударника соответствует рабочий ход бойка.
Этот же принцип положен в основу распределительного узла с кольцевым упругим элементом (рис. 2), в котором при открытом кольцевом проходном сечении 13 происходит перетекание рабочей жидкости при разгоне бойка гидроударника [8].
Распределительные узлы беззолотниковых гидроударников обладают малой инерционностью, хорошо компонуются в конструкцию гидроударника. При этом появляется возможность использования блочно-модульного принципа проектирования гидроударников.
Рис. 2. Кольцевой распределительный узел беззолотникового гидроударника
(проходное сечение открыто):
1 - корпус; 2 - управляющая полость; 3 - упругий элемент (прямоугольного сечения); 4 - разделитель; 5 - сливная гидролиния; 6 - канал отвода жидкости; 7 - распределитель; 8 - гидролиния; 9 - канал подвода жидкости; 10 - напорная гидролиния; 11 - гидролиния; 12 - дроссель; 13 - кольцевое проходное сечение
Но наличие в конструкции гидроударника распределительного элемента такого типа не позволяет уменьшить зазоры между ударником и ответными деталями и снизить требования к точности изготовления этих деталей.
Эта проблема решена в пневмомолотах «Тайфун» (рис. 3) [10] за счет применения упругого клапана, выполненного в виде кольца, с механическим замыканием при движении ударника для подачи команды на изменение его направления.
13 14 9 2 3 1 6
Рис. 3. Конструкция пневмомолота «Тайфун»:
1 - корпус; 2 - ударник; 3 - камера прямого хода; 4 - камера обратного хода; 5 - упругое кольцо; 6 - впускной канал подвода сжатого воздуха; 7 - выпускной канал; 8 - передний кольцевой выступ; 9 - ограничитель обратного хода; 10 - цилиндрическая поверхность; 11 - пазы; 12 - продольные направляющие выступы; 13 - наковальня; 14 - дроссельный канал.
Успешная работа в пневмомолотах такого клапана свидетельствует о целесообразности анализа возможности его применения в гидроударных машинах. Она обусловлена необходимостью создания гидравлической ударной машины, отличающейся от известных простой конструкции, технологичностью изготовления и повышенной надежностью работы.
Для оценки такой возможности в ИГД СО РАН проведены экспериментальные исследования, цель которых состояла в определении начальных условий срабатывания упруго клапана кольцевого типа [11].
Для этого был создан стенд, схема которого представлена на рис. 4. Ударник 2 и наковальня 1, изготовленная из органического стекла, размещены между двумя упорами 5. С помощью регулировочного винта 6, установленного в левом упоре, осуществлялось перемещение наковальни относительно ударника для обеспечения контакта с ней клапана. Необходимое рабочее давление жидкости на клапан создавалось ручным насосом 3. Для сглаживания колебаний давления в системе применялся гидропневмоаккумулятор 4.
Рис. 4. Схема стенда:
1 - наковальня; 2 - ударник; 3 - насос высокого давления (домкрат); 4 - гидропневмоаккумулятор (25 МПа); 5 - упоры; 6 - регулировочный болт; 7 - швеллер; 8 - тройник; 9 - горловина; 10 - манометр (10 МПа); 11 - эластичный клапан
Задача экспериментального исследования на первом этапе заключалась в определении необходимой величины деформации упругого клапана, при которой обеспечивается герметизация камеры обратного хода. Упругий клапан диаметром 0,037 м, был установлен на ударнике с возможностью фиксируемого осевого перемещения для обеспечения механического контакта наружной поверхности клапана с наковальней при некотором зазоре А между ней и ударником (рис. 5). Это обеспечивало при касании торцов этих деталей деформацию клапана, необходимую для герметизации камеры обратного хода.
Надежность герметизации проверялась по давлению в камере в процессе движения ударника относительно наковальни при помощи регулировочного винта. При этом клапан под действием давления жидкости находился в растянутом состоянии. После перемещения на величину, соответствующую габаритному ходу
ударника в реальном ударном механизме, производилось плавное стравливание давления в камере обратного хода до наступления разгерметизации.
Рис. 5. Схемы работы эластичного клапана:
1 - упругий клапан в закрытом состоянии; А - величина перемещения клапана
при закрытии; р - давление закрытия эластичного клапана
Обсуждение
Таким образом, в ходе опытов с клапанами из резины и полиуретана производилось определение деформации А клапана при закрытии, проверка его герметичности в рабочем диапазоне перемещений при изменении давления от 2 до 5 МПа и определение давления открытия эластичного клапана.
В результате экспериментально установлено, что:
1. При рабочем давлении 2 МПа линейная деформация резинового клапана, необходимая для обеспечения герметизации камеры составила 0,85 мм. В процессе перемещении клапана с поддержанием давления 2 МПа он обеспечивал герметичность рабочей камеры. Открытие клапана происходило при снижении давления до 0,8 МПа.
2. Эксперимент, проведенный при рабочем давлении 1,2 МПа, показал, что давление открытия клапана не изменилось и составило 0,8 МПа.
3. При давлении 4 МПа предварительное поджатие резинового клапана составило 1,9 мм. При перемещении резинового клапана вдоль оси камеры с поддержанием давления 4 МПа клапан оставался полностью закрытым. Давление открытия составляло 0,75-0,8 МПа.
4. При создании давления 5 МПа с полиуретановым клапаном потребовалась величина предварительного линейного деформирования 2 мм. При перемещении полиуретанового клапана с поддержанием давления 5 МПа на всем протяжении клапан оставался закрытым и обеспечивал герметичность камеры. Давление открытия составило 0,5 МПа.
Таким образом, максимальная герметичность рабочей камеры обеспечивалась полиуретановым клапаном с минимальным диаметром 0 37 мм, работающим при максимальным давлении 5 МПа в рабочей камере конусного типа
с величиной предварительного линейного деформирования 2 мм и минимальном давлении открытия 0,5 МПа.
После экспериментальной оценки условий срабатывания эластичного клапана был создан и опробован на стенде действующий макет гидроударного механизма с клапаном (рис. 6).
1 2 3 4
5 6
Рис. 6. Действующий макет гидроударного механизма с упругим клапаном:
1 - наковальня; 2 - упругие кольца; 3 - распределительный элемент; 4 - ударник;
5 - корпус; 6 - хвостовик
Заключение
Для создания гидравлических устройств ударного действия объемного типа для проходки скважин в породных массивах обосновано применение упругого кольцевого распределительного клапана, деформируемого в радиальном направлении.
Экспериментально определены условия срабатывания клапана, создан и экспериментально проверен действующий образец гидроударного устройства с таким клапаном. Подтверждена принципиальная возможность создания на основе этой схемы действующего экспериментального образца гидроударника.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Архипенко А. П., Федулов А. И. Гидравлические ударные машины. - Новосибирск: Ин-т горного дела СО АН СССР, 1991. - 106 с.
2. Ушаков Л. С., Котылев Ю. Е., Кравченко В. А. Гидравлические машины ударного действия. - М.: Машиностроение, 2000. - 415 с.
3. Lazutkin S. L., Lazutkina N. A. (2015) Perspective construction of hydraulic impact device // Procedia Engineering. - Vol. 129. - 2015. - C. 403-407.
4. Kiyama A., Tagawa Y., Ando K. and Kameda M. Effects of water hammer and cavitation on jet formation in a test tube, Journal of Fluid Mechanics 787. - 2016. - C. 224-236.
5. D Pepa, C Ursoniu, G R Gillich and C V Campian. Water hammer effect in the spiral case and penstock of Francis turbines, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 163 (2017) 012010 doi:10.1088/1757-899X/163/1/012010.
6. Kamil Urbanowicz.) Modern modeling of water hammer, Polish Maritime Research 3 (95). - Vol. 24. - 2017. - C. 68-77.
7. Галдин Н. С. Многоцелевые гидроударные рабочие органы дорожно-строительных машин. - Омск : Изд-во СибАДИ, 2005. - 223 с.
8. Галдин Н. С., Бедрина Е. А. Ковши активного действия на основе гидроударников для экскаваторов: Учеб. пособие / М-во образования Рос. Федерации. Сиб. гос. автомоб.-дорож. акад. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2003.
9. Galdin N. S. Regression equations for basis parameters of hydraulic impact pulse systems, Stroitel'nye i Dorozhnye Mashiny. - 2002. - № 3.- C. 15-17.
10. Смоляницкий Б. Н., Червов В. В. Повышение эффективности использования энергоносителя в пневмомолотах для подземного строительства // ФТПРПИ. - 2014. - № 5. -С.143-157.
11. Tishchenko I. V., & Chervov V. V. Influence of energy parameters of shock pulse generator on the pipe penetration velocity in soil. // Journal of Mining Science. - 2014. - № 50 (3). - С. 491-500.
REFERENCES
1. Arhipenko A.P., Fedulov A.I. (1991) Gidravlicheskie udarnye mashiny [Hydraulic impact machines]. Novosibirsk: IGD SO AN SSSR. [in Russian].
2. Ushakov L.S., Kotylev U.E., Kravchenko V.A. (2000) Gidravlicheskie mashiny udarnogo dejstviya [Impact hydraulic machines]. Moscow: Mashinostroenie. [in Russian].
3. Lazutkin S.L., Lazutkina N.A. ( 2015 ) Perspective construction of hydraulic impact device, Procedia Engineering, Vol.129, (pp. 403-407).
4. Kiyama A., Tagawa Y., Ando K. and Kameda M. (2016) Effects of water hammer and cavitation on jet formation in a test tube, Journal of Fluid Mechanics 787, 224-236.
5. D Pepa, C Ursoniu, G R Gillich and C V Campian. Water hammer effect in the spiral case and penstock of Francis turbines, IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 163 (2017) 012010 doi:10.1088/1757-899X/163/1/012010.
6. Kamil Urbanowicz. (2017) Modern modeling of water hammer, Polish Maritime Research 3 (95) Vol. 24, (pp. 68-77).
7.Galdin N.C. (2005) Mnogocelevye gidroudarnye rabochie organi dorogno-stroitelnyh mashin [Multi-purpose hydrostatic working bodies of road-building machines]. Omsk : Izd-vo SibADI. [in Russian].
8. Galdin N.C., Bedrina E.A. (2003) Kovshi aktivnogo dejstviya na osnove gidroudarnikov dlya ekskavatorov: Uchebnoe posobie [Buckets of active action on the basis of hammers for excavators: A manual] Omsk : Izd-vo SibADI. [in Russian].
9. Galdin, N.S. (2002) Regression equations for basis parameters of hydraulic impact pulse systems, Stroitel'nye i Dorozhnye Mashiny, (3). (pp. 15-17).
10. Smolyanitsky B.N., Chervov V.V. (2014) Povishenie effectivnosti ispolzovaniya energonositelya v pnevmomolotah dlya podzemnogo stroitelstva [Increasing the efficiency of energy carrier use in pneumatic hammers for underground construction]. Journal of Mining Science. Vol.5. (pp. 143-157). [in Russian].
11. Tishchenko, I. V., & Chervov, V. V. (2014) Influence of energy parameters of shock pulse generator on the pipe penetration velocity in soil. Journal of Mining Science, 50(3). (pp. 491-500).
© Б. Б. Данилов, Б. Н. Смоляницкий, В. В. Плохих, 2018
