CC BY
11
УДК 622.233.5
ОСОБЕННОСТЬ РАБОТЫ КОЛЬЦЕВОГО УПРУГОГО КЛАПАНА С КЛИНОВИДНОЙ ЩЕЛЬЮ В СИСТЕМЕ ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПНЕВМОУДАРНЫХ МАШИН
Александр Юрьевич Примычкин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала ИГД 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: 808@nn.ru
Описан пример применения кольцевого упругого клапана (КУК) в пневмоударной машине. 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 с фаской. Получены выражения, позволяющие определить изменение среднего давления в клапанной щели клиновидной формы.
Ключевые слова: пневмоударная машина, кольцевой упругий клапан, давление в клапанной щели, условие срабатывания, расчетная модель.
OPERATION OF RING-SHAPED ELASTIC VALVE
WITH WEDGE-SHAPED CLEARANCE IN THE AIR-DISTRIBUTION
SYSTEM OF PNEUMATIC PERCUSSIVE DRILLING MACHINES
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: 808@nn.ru
The author gives an example of operation of a ring-shaped elastic valve in a pneumatic percussive drilling machine. Based on the data of bench experimentation and calculations with Solid Work software, the mechanism of change in pressure in the valve clearance upon actuation of ring-shaped elastic valve with bevel is determined. The relations to find variation of average pressure in the wedge-shaped clearance are derived.
Key words: pneumatic percussive drilling machine, ring-shaped elastic valve, valve slot pressure, actuation condition, computational model.
Внимание к кольцевому упругому клапану (рис. 1), как элементу системы воздухораспределения пневмоударного привода, обусловлено его конструктивными достоинствами - простотой, компактностью, высокой пропускной способностью при малом ходе. Он хорошо вписывается в конструкцию машин [1, 2].
Для обоснованного назначения конструктивных параметров кольцевого упругого была разработана расчётная модель [1], как составная часть математической модели пневмоударного привода.
Расчеты в рамках этой модели показали, что клапан прямоугольного сечения, спроектированный для работы в пневмоударной машине, не способен надежно перекрыть клапанную щель. Он может обеспечить лишь контакт с цилиндром, но без должного для полной герметизации прижатия. Так же сущест-
вует вероятность возникновения автоколебаний. Эксперименты на стенде [3] подтвердили эту особенность. Например, рабочий клапан сечением 15х9 мм (д = 2 мм, диаметр цилиндра - 128 мм, Ар = 0,6 МПа), который в пневмоудар-ной машине четко срабатывает на открытие и закрытие, даёт в закрытом со-
"5
стоянии протечку 0,45 м /мин, что составляет около 10% от общего потреблении энергоносителя работающей машиной.
д_ р
Рис. 1. Кольцевой упругий клапан с клиновидной щелью
Для повышения герметизации и улучшения срабатывания клапана на закрытие необходимо снизить среднее значение давления на наружную поверхность кольца р . Это можно обеспечить за счет изменения ее формы. Одним из вариантов является клапан круглого сечения [4]. Другим вариантом является введение фаски на наружной поверхности клапана со стороны выхода потока. В таком случае продольное сечение канала (клапанная щель) приобретает клиновидную форму (рис. 2). Такая конфигурация позволяет корректировать среднее давление в клапанной щели изменением длины фаски I.
/ / 1 / 1 / р* / Л/
т
1......-г
ь Р1
Рис. 2. Схема клапана с фаской 249
Эффект торможения кольца прямоугольного сечения, вызываемый действием пневматической отрицательной обратной связи, усиливается с уменьшением перепада Ар и ширины канала S [3]. Поэтому наибольший интерес представляет возможность коррекции р* при малых зазорах и перепадах давления.
Исследование давления р в клиновидной щели выполнялось на основе экспериментов и с использованием расчетной модели течения газа через кольцевую щель, реализованной в программе Solid Works Flow Simulation . Методика изложена в [3].
Обработка экспериментальных данных показала, что величина угла фаски а слабо влияет на изменение среднего давления в канале. На рис. 3 видно, что увеличение а с 3° до 10° приводит к изменению среднего давления не более чем на 3%. Угол более 10° применять не рационально, поскольку задняя кромка КУК может оказаться ниже опорного буртика. При а < 5° затруднено формирование фаски точением.
е
ла
н
а
к
в
е
и
н
е
л
в
а
д
р ,МПа 0,55 0,5
045 \ р2 = 0,4МПа 0,4
0,35
0,3
0,25
0,2
р1 = 0,6 МПа
0
координата (в долях b) точки измерения давления
b
Рис. 3. Влияние угла фаски на распределение давления
В отличие от угла а, относительная длина фаски I (I = 1/Ь), существенно влияет на среднее давление р . Ясно, что с увеличением I среднее давление снижается, поскольку увеличивается поверхность, находящаяся под пониженным давлением. Однако, при разных зазорах степень этого понижения различна. При большой клапанной щели, соответствующей моменту начала срабатывания на закрытие, влияние I мало. Например, изменение относительной длины : от 0,15 до 0,65 при ¿=1,5 мм и перепаде Др=1атм приводит к понижению среднего давления не более чем на 5%.
При малой щели (что соответствует моменту начала открытия) среднее давление в клапанной щели существенно снижается по мере увеличения длины фаски и роста перепада давления (рис. 4).
р, МПа 0,6 0,5 I 0,4
ъ.
«с К
| 0,1
8 = 0,1 мм
I =0,65
0,3 — 0,2
р1 = 0,6МПа
0 Ь
координата (в долях Ь) точки измерения давления
Рис. 4. Влияние длины фаски на распределение давления
0
Для количественной оценки влияния фаски на изменение среднего давления введен коэффициент уф. Он показывает насколько изменяется среднее дав* *
ление рф в щели клапана с фаской по сравнению со средним давлением р в щели клапана без фаски, естественно, при тех же параметрах (зазор, перепад давления):
гФ = 4*Ф-р221?*(1)
В результате обработки экспериментальных данных получена картина (рис. 5) изменения коэффициента уф в зависимости от I и Ар при минимальной ширине клапанной щели 8 = 0,1 мм. Аппроксимирующая функция имеет вид:
Гф^АРУ1~ <1-0,02Л^Х; = 0,15.„о,65 (2)
Видно, что величина Ар влияет слабо. Это позволяет использовать формулу:
Гф^У^-Тф (3)
Разница определения уф по (2) и (3) не превышает 8%. С увеличением ширины канала 8 относительная величина его расширения, обусловленного фаской, при прочих равных условиях снижается. Соответственно влияние фаски ощущается меньше. Степень влияния 8 удобно оценивать отношением:
где у8 - значение уф при некоторой ширине 8; у8=0д - значение уф при 8 = 0,1мм (при прочих равных условиях).
Рис. 5. Влияние относительной длины фаски и перепада давления на уф
Представленные на рис. 6 результаты обработки экспериментальных данных показывают, что характер влияния ширины канала 3 на параметр - линейный. Естественно, чем больше 3, тем положительный эффект, вносимый фаской, меньше.
д, мм
Рис. 6. Влияние зазора на изменение коэффициент
Разница в значении коэффициента при ~ = 0,3 и / = 0,5 составляет менее 5%. Можно считать, что в этом диапазоне коэффициент влияния 3 определяется по формуле:
=1,05-0,2 с) (5)
Исходя из (3) и (5) общий эффект от влияния фаски с параметрами д, I можно выразить формулой:
уф (Т ,3) = 1 - Т • ^ = 1 - Т <05 - 0,2с> ^ (6)
Таким образом, среднее давление в щели клапана с фаской будет определяться соотношением:
РФ=к-уф-Р^ + р2 (7)
где к - коэффициент среднего давления в щели клапана без фаски, pj и p2 - давление перед клапаном и за ним, соответственно.
Результаты исследования КУК с фаской показывают, что введение фаски позволяет существенно повысить эффективность работы клапана, т.е. расширить диапазон настройки давлений его срабатывания и повысить герметичность перекрытия потока. Полученные эмпирические зависимости описывают (в рамках принятых ограничений) особенности поведения КУК, которые заключаются в следующем:
- эффективность введения фаски возрастает с увеличением её относительной длины I ,
- эффективность растет по мере уменьшения ширины клапанной щели 8, т.е. по мере закрытия КУК;
- изменение угла фаски в пределах от 3 до 10° на работу клапана практически не влияет.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Петреев А.М. Кольцевой упругий клапан в пневмоударных машинах [Текст] / А.М. Петреев, Д.С. Воронцов, А.Ю. Примычкин // ФТПРПИ - 2010. - №4. с. 56 - 65.
2. Тимонин В.В. Погружные пневмоударники для подземных условий отработки месторождений [Текст] / В.В. Тимонин // Горное оборудование и электромеханика. - 2015. -№2 с. 13 - 17
3. Петреев А. М., Примычкин А. Ю. Особенность работы кольцевого упругого клапана прямоугольного сечения в системе воздухораспределения пневмоударных машин // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Новые направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск : СГГА, 2013. Т. 3. - С. 58-63.
4. Петреев А. М., Примычкин А. Ю. Особенность работы кольцевого упругого клапана круглого сечения в системе воздухораспределения пневмоударных машин // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 3. - С. 201 - 205.
© А. Ю. Примычкин, 2016
