Особенность работы кольцевого упругого клапана круглого сечения в системе воздухораспределения пневмоударных машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 622.233.5

ОСОБЕННОСТЬ РАБОТЫ КОЛЬЦЕВОГО УПРУГОГО КЛАПАНА КРУГЛОГО СЕЧЕНИЯ В СИСТЕМЕ ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПНЕВМОУДАРНЫХ МАШИН

Анатолий Михайлович Петреев

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории бурения и технологических импульсных машин. тел. (383)217-14-04, e-mail: ampet@yandex.ru

Александр Юрьевич Примычкин

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт горного дела им. Н. А. Чинакала» СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник лаборатории бурения и технологических импульсных машин, тел. (383)220-15-09, e-mail: sania385@ngs.ru

Описан пример применения кольцевого упругого клапана (КУК) в пневмоударной машине. Приведены базовые формулы, определяющие условия начала его открытия и закрытия. На основе результатов, полученных при экспериментах на стенде и расчетным путем с использованием программы Solid Works, установлена закономерность изменения давления в клапанной щели в процессе срабатывании КУК круглого сечения. Получены выражения, определяющие закономерность изменения сил, действующих в процессе срабатывания.

Ключевые слова: пневмоударная машина, кольцевой упругий клапан, давление в клапанной щели, условие срабатывания, эксперимент, расчетная модель.

SPECIFICITY OF OPERATION OF ROUND ELASTIC VALVE IN AIR DISTRIBUTION SYSTEM OF PNEUMATIC PERCUSSION MACHINES

Anatoly M. Petreev

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Ph. D. Eng, Senior Researcher, Drilling and Production Impulse-Forming Machines Laboratory, tel. (383)220-15-09, e-mail: sania385@ngs.ru

Alexander Yu. Primychkin

Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Junior Researcher, Drilling and Production Impulse-Forming Machines Laboratory, tel. (383)220-15-09, e-mail: sania385@ngs.ru

The paper exemplifies operation of ring elastic valve (REV) in pneumatic percussion machine. The basic formulas defining conditions of the valve opening and closure are given. Based on the bench testing results and the calculated data using Solid Works program, the authors find the mechanisms of pressure change in the valve slot under actuation of round REV. The authors have derived expressions describing the mechanism of change of forces during the valve actuation.

Key words: pneumatic percussion machine, ring elastic valve, valve slot pressure, actuation condition, experiment, simulation model.

Перспективным направлением совершенствования пневматических машин является разработка систем воздухораспределения с использованием кольцевого упругого клапана (КУК). Преимуществами по сравнению с другими систе-

мами воздухораспределения являются: компактность, простота конструкции, способность при небольшом перемещении управлять большими проходными сечениями [1].

Профиль упругого клапана, помимо прямоугольного [2] может быть круглым (рис. 1). Массовое применение уплотнительных колец круглого сечения в гидравлике и пневматике обусловлено хорошей герметизацией такими кольцами подвижных и неподвижных сопряжений, их компактностью и долговечностью. Различие между упругим клапаном и стандартным уплотнением заключается в величине уплотняемого зазора и в режиме работы кольца. В типовом уплотнении кольцо герметизирует зазор в первую очередь за счет упругой деформации его сечения при монтаже с натягом как по внутреннему, так и по внешнему диаметру. Силы давления сжатого воздуха и создаваемый ими эффект уплотнения здесь играет второстепенную роль. В упругом клапане, наоборот, уплотнение обеспечивается только за счет прижатия клапана к цилиндру давлением сжатого воздуха, а предварительное поджатие к цилиндру отсутствует.

Для формирования устойчивого рабочего цикла пневмоударной машины важно знать, при каких условиях начинается переход клапана из положения "закрыто" в положение "открыто" и обратно. Начало перехода — это пограничное состояние статического равновесия сил, действующих на клапан, когда реакция со стороны ограничителя (цилиндра или втулки) становится равной нулю (рис. 2). В работе [3] представлена математическая модель срабатывания упругого клапана, приведены формулы для определения размеров клапана при заданных давлениях срабатывания клапана и наоборот - давление срабатывания при заданных размерах.

Условие равновесного состояния КУК определяется выражением:

А =

2Е& + р*(1 + 2 )

2 =

7

4В

(1)

Здесь Е - модуль упругости материала клапана, е - относительная деформация клапана; 2 - геометрическая жесткость клапана, р1 и р2 - соответственно, давление в рабочих камерах машины до и после клапана, р* - среднее давление в клапанной щели, й - диаметр поперечного сечения, В - средний диаметр.

Видно, что основным параметром упругого клапана, является геометрическая жесткость Z, которая определяется диаметром поперечного сечения и средним диаметром клапана.

Неопределенность в уравнении (1) связана с параметром p*. В качестве первого приближения было принято, что p* есть среднее арифметическое давлений в камерах перед клапаном (pj) и за ним (p2). Ясно, что такая упрощенная зависимость должна быть дополнена корректирующей функцией щ(д), учитывающей ширину клапанной щели д. Тогда среднее давление p* можно представить:

Р =¥• (А + p2)/2; V = V(S). (2)

Исследования среднего давления в клапанной щели проводились в программе Solid Work Flow Simulation. Методика изложена в [2]. Для оценки влияния диаметра поперечного сечения клапана на результаты исследований, расчеты проводились для двух вариантов: d = 6 мм и d = 15 мм. Результаты представлены на рис. 3, 4.

т м

8 0 ,1 -

\ \ ч

Ч \ \ 5 0 V- —

■ -- ,5

5 К / •ч. Ч s

1 1 1 1

| 0 15 I, мм 0

Рис. 3. Влияние зазора на распределение давления в щели круглого клапана d = 15 мм

С 0 6 I, мм

Рис. 4. Влияние зазора на распределение давления в щели круглого клапана d = 6 мм

На рис. 5 представлены графики изменения у в зависимости от величины клапанной щели. Видно, что максимальное расхождение среднего давления при диаметре клапана й = 6 мм и й = 15 мм не превышает 6%. Таким образом, можно считать, что диаметр круглого клапан не влияет на величину среднего давления в клапанной щели.

1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6

0 0,5 1 1,5 2 3, мм

Рис. 5. Сравнение распределения давления в щели упругих клапанов й = 6 мм и й = 15 мм

Кривая изменения среднего давления не линейна, с практически одинаковыми значениями (у = 1) при 3 = 0 и 3 = 2 мм и плавным проседанием в середине (3 = 1) до уровня у = 0,8. Эта закономерность может быть заложена в компьютерную модель КУК, описывающую движение клапана в процессе работы машины.

Для предварительного инженерного выбора параметров упругого кольца можно обойтись и без полного описания динамики КУК. Учитывая чувствительность к износу торообразного КУК, предпочтительно использовать не для работы на подвижном ударнике, а на неподвижной оправке, т.е. в первую очередь для управления подачей сжатого воздуха в рабочую камеру пневмоудар-ной машины. Обычно перед открытием КУК зазор 3 = 0 (т.е. у = 1), при этом давление р1 перед ним стабильно близко к сетевому. Пороговое значение давления подпитки рабочей камеры р2 , при котором может начаться открытие, формально определяется из (1) и (2) при у = 1. Однако, по мере открытия КУК, т.е. по мере роста 3 (3—^1) имеем у = 0,8 и условие (1) нарушается, клапан может зависнуть. По этому давление подпитки, требуемое для надежного открытия, следует определять при у = 0,8 и в, соответствующем 3 = 1. Тогда из (1) и (2) имеем:

_ _ р (0,6 - \42) + 2Еб2

р2 -р2откр - 0,4 + о,42 ' (3)

По той же причине просадки среднего давления над клапаном у от 1 до 0,8 на полпути КУК от состояния "открыто" до состояния "закрыто" давление р2 должно определяться при у = 1 и е, соответствующем 3 = 0. Из (1) и (2) получаем:

Pt (0,5 - 1,5Z ) - 2EsZ Pi = Pi закр = 0,5 + 0,5Z ' (4)

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гаун В.А. Разработка и исследование погружных пневмоударников с повышенной энергией удара. // Повышение эффективности пневмоударных буровых машин. - Новосибирск: ИГД СО АН СССР. - 1987.

2. Петреев А.М., Примычкин А.Ю. Особенность работы кольцевого упругого клапана прямоугольного сечения в системе воздухораспределения пневмоударных машин. / Сборник материалов международной научной конференции «Интерэкспо Гео-Сибирь 2013». Том 3. Недропользование. Горное дело. Новые направления и технологии поиска разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология. - Новосибирск: СГГА. - 2013, С.5 8 - 63

3. Петреев А.М., Воронцов Д.С., Примычкин А.Ю. Кольцевой упругий клапан в пневмоударных машинах. // ФТПРПИ - 2010. - №4. - с. 56 - 65.

© А. М. Петреев, А. Ю. Примычкин, 2015