CC BY
39
ОСОБЕННОСТЬ РАБОТЫ КОЛЬЦЕВОГО УПРУГОГО КЛАПАНА ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ В СИСТЕМЕ ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПНЕВМОУДАРНЫХ МАШИН
Анатолий Михайлович Петреев
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт горного дела им. Н.А. Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД СО РАН), 630091, Россия, Новосибирск, Красный проспект 54, к.т.н., с.н.с. лаб. повышения устойчивости оснований, 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 Сибирского отделения Российской академии наук (ИГД СО РАН), 630091, Россия, Новосибирск, Красный проспект 54, м.н.с. лаб. повышения устойчивости оснований, 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 прямоугольного 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.
RECTANGULAR CROSS-SECTION ELASTIC RING VALVE OPERATION IN AIR SUPPLY SYSTEM OF AIR PERCUSSION MACHINES
Anatoliy М. Petreev
N.A. Chinakal Institute of Mining, Krasny Prospect 54, RU-630091, Russia, Novosibirsk, Base Stability Enhancement Lab, PhD, senior researcher, tel. +7_(383) 217-04-14, e-mail: ampet@yandex.ru
Alexandr Yu. Primychkin
N.A. Chinakal Institute of Mining, Krasny Prospect 54, RU-630091, Russia, Novosibirsk, Base Stability Enhancement Lab, junior researcher, tel. +7_(383) 217-07-38, e-mail: sania385@ngs.ru
The paper describes successful application of an elastic ring valve in an air percussion machine. Presents the basic formula of the valve activation. Using the test bench experiment and calculation model results, the author has found mechanism of change of pressure in the clearance of the rectangular cross-section elastic ring valve and refines relationship of this valve closure conditions.
Key words: air percussion machine, elastic ring valve, pressure in valve clearance, activation condition, experiment, calculation model.
Упругие клапаны в виде кольца круглого или прямоугольного сечения из эластомера (резина, полиуретан и т.п.) (рис. 1) впервые предложены в качестве элемента системы воздухораспределения в ИГД СО АН СССР В.А. Гауном в для погружных пневмоударников [1]. Их применение позволило при том же
диаметре машины и расходе сжатого воздуха в 2 раза увеличить энергию удара и на 30 % повысить ударную мощность [2]. Неоспоримым конструктивным достоинством кольцевого упругого клапана является простота, компактность и способность при малых перемещениях управлять большим проходным сечением.
Кольцевой упругий клапан обеспечивает прикрытие щели исключительно за счет сил давления, растягивающих кольцо, а упругие силы, стремятся сжать его и при определенных условиях обеспечивают разгерметизацию зазора. Нормальная работа упругого клапана в пневмоударной машине возможна при обеспечении соответствующего баланса этих сил во всех фазах рабочего цикла машины.
Для обоснованного назначения конструктивных параметров кольцевого упругого клапана необходимо иметь его расчётную модель, как составную часть математической модели пневмоударного привода. Специфика заключается в том, что при срабатывании такого клапана его центр масс остается неподвижным, тогда как механическая система пневмоударного привода описывается уравнениями механики твердого тела, оперирующей перемещением центров масс.
В работе [3] представлена математическая модель, снимающая эти противоречия, приведены формулы для определения размеров клапана при заданных давлениях срабатывания клапана и наоборот - давление срабатывания при заданных размерах. Условие равновесного состояния КУК определяется выражением:
2Е2 + р *(1 + 2 )
Рх =------—---------; 2 = (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, к - высота клапана, d - средний диаметр.
Неопределенность в этом уравнении связана с параметром р*. В работах, посвященных исследованию течения газа через щель, рассматриваются расходные характеристики (например [4] и [5]). Данных о характере изменения среднего давления в кольцевой клапанной щели обнаружить не удалось. В этой связи в качестве первого приближения было принято, что р* есть среднее арифметическое давлений в камерах перед клапаном (р]) и за ним (р2). Ясно, что такая упрощенная зависимость должна быть дополнена корректирующей функцией ^(Др, 3), учитывающей, по меньшей мере, перепад давления на клапане Ар = р] - р2 и ширину клапанной щели 5. Тогда среднее давление р* можно представить:
Рис.1. Упругий клапан прямоугольного сечения
р =¥■ (p1 + p2)/2; w=v{&p,s).
(2)
Функция у определялась на основе экспериментов и с использованием расчетной модели течения газа через кольцевую щель, реализованной в программе Solid Works Flow Simulation.
На экспериментальной установке (схема на рис. 2) измерялось распределение давления вдоль щели. Датчик давлении ДД2 размещался на цилиндре 1 и под ним перемещался поршень 2, выполненный с заданным зазором 5 относительно цилиндра. Зазор дискретно менялся от 0,04 до 2 мм последовательной шлифовкой поршня. Давление сжатого воздуха p1 перед поршнем поддерживалось на требуемом уровне редукционным клапаном КР, установленном на входе. Давление p2 за поршнем соответствовало атмосферному, принятому на графиках и в формулах за начало отсчета (p2 = pamM = 0).
Рис. 2. Схема экспериментальной установки: ДД1, ДД2 - датчик давлении (Р8АР НВМ); ДП - датчик перемещения (LPS-100 ‘Юасе11”); ТС - тензостанция (А17-Т8 ‘^еґ’); ПК - персональный компьютер (ноутбук БашБи^ Я428);
КР - пневмоклапан редукционный (П-КРМ 112-25)
На рис. 3 представлены примеры полученных экспериментальных кривых распределения давления вдоль щели для различных значений р1 и д. На входе в щель наблюдается характерный провал давления, величина которого увеличивается с ростом д. После чего давление с нарастающей интенсивностью плавно снижается.
Рис. 3. Пример экспериментальных кривых
В рамках возможностей экспериментальной установки, ограниченных условием р2 = 0, был получен достаточно обширный и достоверный экспериментальный материал. Приборная погрешность определения среднего давления не превышает 4%. На этой базе были выполнены сравнительные расчеты с использованием программы Solid Works Flow Simulation. Получена расчетная картина распределения давления в щели. На рис. 4 в качестве примера приведены расчетные и экспериментальные кривые. Наибольшие различия наблюдаются на входе и выходе из щели. Это может быть связано с величиной отверстия в цилиндре, через которое сжатый воздух поступает в датчик давления (диаметр равен 1 мм), а так же особенностями реальной формы кромки поршня на входе и выходе. Разница расчетного и экспериментального среднего давления не превышает 5%.
Рис. 4. Пример экспериментального и расчетного распределения давления в клапанной щели при одинаковых условиях
В целом, налицо хорошее совпадение результатов. Это послужило основанием для пополнения массива экспериментальных данных расчетными.
Были подсчитаны средние значения давлений в клапанной щели и построены кривые зависимости у от Ар и 8, приведенные на рис. 5 - 7.
у
1,4
1,3
1,2
1,1
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,5
1,5
8, мм
Рис. 5. Изменение у при различной величине клапанной щели 8 прир2 = 0
и различных давлениях р1
0
1
2
05
1
0,95
0,9
0,85
0,8
0,75
0,7
0,65
/ Ар=0,3 атм
=[=Г I I
— Ар=1 атм
0,5
1,5
Ар=1,5 атм
8, мм
Рис. 6. Значения у при различной величине клапанной щели 8 при р1 = 6 атм и различных давлениях р2
У
1,05
21
0,95
0,9
0,85
0,8
0,75
0,7
0,5
1,5
2,5
=2мм Ар, атм
Рис. 7. Зависимость у от Ар
0
1
2
0
1
2
По условиям работы пневмоударного устройства клапан должен срабатывать при перепаде давления Ap < 2,5 атм. Для этого диапазона в результате обработки полученных зависимостей определены вид и параметры аппроксимирующей функции для у:
щ = 1 - Ap • (0,027S2 - 0,109S + 0,004); Ap[amм], S[мм]. (3)
Погрешность аппроксимации 4%.
Такая структура у вносит существенные коррективы в картину изменения среднего давления над клапаном. Согласно (3) в системе формирования сил, определяющих движение клапана, имеется дополнительная отрицательная обратная связь. По мере закрытия клапана, т.е. уменьшении 8, увеличивается у, соответственно растет давление над клапаном p*, что препятствует его закрытию. Это обстоятельство вносит дополнительные ограничения на выбор параметров клапанного устройства и отрицательно влияет на быстродействие. Желательно в дальнейшем найти меры нейтрализации этого эффекта.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ax. № 848615. Пневматический ударный механизм. В. A. Гаун. — Опубл. в БИ, 1981, № 27.
2. Гаун В. A. Разработка и исследование погружных пневмоударников с повышенной энергией удара [Текст] / A3. Гаун // Повышение эффективности пневмоударных буровых машин. — Новосибирск: ИГД СО AН СССР, 1987.
3. Петреев A.M. Кольцевой упругий клапан в пневмоударных машинах [Текст] / A.M. Петреев, Д.С. Воронцов, A.Ю. Примычкин // ФТПРПИ - 2010. - №4. - с. 56 - 65.
4. Захаренко С.Е. Экспериментальное исследование протечек газа через щели [Текст] / С.Е. Захаренко // Сборник научных трудов № 2 ЛТИ - Л., 1953
5. Шейпак A.A. Mодельные задачи течения жидкости и газа через щели [Текст] / A.A. Шейпак, В.В. Порошин // Известия ЫГИУ №4, M., 2006
© А.М. Петреев, А.Ю. Примычкин, 2013
