CC BY
34
УДК [532.5+621.225] (075.8)
К.Б. Кызыров, А.А. Митусов, О.С. Решетникова
ПРОЕКТИРОВОЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОМОЛОТА ДЛЯ ГОРНОЙ И СТРОИТЕЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТЕЙ
Аннотация. Представлены проектировочные исследования, постановка которых обусловлена особенностями конкретной задачи создания гидромолота в соответствии с выполнением календарного плана темы грантового финансирования «Создание и исследование гидравлического механизма ударного действия для производства горных и строительных работ» по заказу МОН РК на 2018—2020 гг. с конструктивными параметрами, обеспечивающими на выходе энергию удара от 1000 до 3000 Дж. Определен максимально возможный диапазон изменения энергии удара одной конструкции гидромолота способами настройки и регулирования. В качестве рабочей обоснована ранее апробированная конструктивная схема гидромолота МГП-1, наиболее полно отвечающая поставленной задаче за счет раздельного исполнения ступеней бойка и соответственно наиболее технологичной конструкции системы управления молота. Исследования проведены машинным методом с использованием имитационной модели программы «Research». По результатам выработаны рекомендации на проектирование молота, настраиваемого на энергию удара в диапазоне от 1000 до 2000 Дж, а также предложены параметры гидромолота, обеспечивающие энергию удара до 3000 Дж.
Ключевые слова: гидромолот, энергетические характеристики, ударный гидродвигатель, ограничения параметров, рациональные параметры.
Практика строительных и горных работ показывает, что наиболее эффективным инструментом разрушения крепких пород и грунтов являются гидромолоты [1—6]. Анализ существующих конструкций показывает, что наибольшее распространение получили схемы с распределением жидкости по принципу замкнутой системы автоматического регулирования (САР) с задней управляемой камерой, расположенной за задней ступенью бойка [7—9]. Обусловленная этими признаками трехступенчатая конструкция бойка с дополнительными функциями поршня ударного гидроцилиндра (УГЦ) и золотникового распределителя создает значительные технологические трудности. Поиски способов повышения технологичности привели к созданию в КарГТУ
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-9-0-220-226
для вспомогательных работ при проходке гидротоннелей предприятий ПО «Союз-гидроспецстрой» гидромолота МГП-1 [10], где задняя ступень бойка выполнена раздельно с головной, ударной частью. На рис. 1 это поршень-золотник и поршень-боек. Параметры молота: энергия удара до 1200 Дж; частота ударов до 10 Гц.
Расширение фронта применимости обусловливает целесообразность корректировки конструкции с целью возможности увеличения энергии удара до 3000 Дж при минимальных конструктивных изменениях, что требует проведения предварительных проектировочных исследований. Такие возможности обеспечиваются имитационной моделью программы «Research» [10, 11], исследова-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 9. С. 220-226. © К.Б. Кызыров, А.А. Митусов, О.С. Решетникова. 2018.
Рис. 1. Общий вид конструкции гидромолота МГП-1
Fig. 1. General view of the design of the hydraulic hammer MGP-1
h Va_ Vaa_ Sz_ Sb Sp_ h' J Sa_ Sk D_ D2 Рд
0.315 0.711 2.996 7.793 15.802 23.761 0.096 0.164 2.108 5.183 0.116 0.055
0.216 0.851 1.201 4.566 3.164 13.922 0.178 1.092 3.064 1.038 0.116 0.042
0.164 0.924 1.042 5.215 2.225 15.899 0.151 1.980 4.036 0.730 0.116 0.045
0.132 0.969 0.979 6.072 1.905 18.512 0.127 2.855 5.008 0.625 0.116 0.049
0.111 0.999 0.944 6.987 1.755 21.303 0.108 3.723 5.978 0.576 0.116 0.052
0.095 1.021 0.921 7.927 1.676 24.167 0.094 4.588 6.948 0.550 0.116 0.055 15
0.084 1.038 0.905 8.879 1.633 27.069 0.082 5.451 7.917 0.536 0.116 0.059
0.075 1.050 0.894 9.837 1.611 29.992 0.074 6.313 8.886 0.528 0.116 0.062
0.315 0.568 2.446 6.364 12.811 19.403 0.096 0.164 1.746 4.202 0.116 0.050
0.216 0.680 0.995 3.782 2.708 11.530 0.178 1.092 2.513 0.888 0.116 0.038
0.164 0.739 0.860 4.301 1.955 13.112 0.151 1.980 3.293 0.641 0.116 0.041
0.132 0.774 0.804 4.987 1.697 15.203 0.127 2.855 4.073 0.557 0.116 0.044
0.111 0.799 0.772 5.719 1.575 17.436 0.108 3.723 4.851 0.517 0.116 0.047
0.095 0.816 0.752 6.471 1.509 19.728 0.094 4.588 5.628 0.495 0.116 0.050 20
0.084 0.829 0.738 7.232 1.473 22.050 0.082 5.451 6.405 0.483 0.116 0.053
0.075 0.839 0.727 7.999 1.452 24.388 0.074 6.313 7.181 0.476 0.116 0.056
Рис. 2. Фрагмент распечатки результатов решения проектировочной задачи Fig. 2. Fragment of printout of the results of the design problem solution
тельские возможности которой обеспечивают решение двух, последовательно выполняемых задач в следующих постановках [12, 13]:
• проектировочная: определить конструктивные параметры, обеспечивающие заданные энергию и частоту ударов А и п, в рамках ограничений, характеризующих специфику конкретного случая применения;
• эксплуатационная: определить энергетические характеристики и параметры ударного гидродвигателя (УГД) молота, обеспечиваемые заданными, полученными по результатам решения проектировочной задачи, значениями параметров питания, настройки и регулирования.
Проектировочные исследования параметров гидромолота с условным названием МГ-18 со схемой МГП-1 направлены на решение задачи определения конструктивных параметров силовой части и системы управления, обеспечивающих диапазон изменения величины энергии удара с 1000 по 3000 Дж с помощью настройки и регулирования.
Фрагмент распечатки решения задач в проектировочной постановке представлен на рис. 2. Здесь жирным шрифтом выделены обозначения параметров, имеющих отношение к решаемой задаче: Рд — давление питания УГД. А и п — энергия и частота ударов; h — ход бойка; Va — объем аккумулятора; площади сечения: Эа, Эз, Эк — аккумулятора, золотника и каналов гидроблока; Эв, Эр — конструктивные значения площадей возврата и рабочего хода; О, О1, О2 — диаметры средней, передней и задней ступеней бойка. Изменения параметров обусловлены восьмикратным варьированием в двойном цикле двух параметров: давления питания Рд и динамического коэффициента цикла УГД /.
Выбор рациональных параметров производится из массива численных значений решения задачи посредством на-
ложения на них ограничений [10]. При этом кроме достаточно универсальных ограничений на продольный габарит [I], силу отдачи [Ро], давление питания [Р], влияющих в основном на параметры ударного гидроцилиндра УГЦ, в частных случаях, появляются дополнительные ограничения на конкретные параметры, характеризующие конструкции аккумуляторов и распределителей.
В данном случае ограничения на решения приняты из условий применения молота как для горных, так и строительных работ, где наиболее актуальны:
• — определяющее продольный габарит молота;
• — на силу отдачи, определяющую внешнюю динамику машины;
• [V] — объем аккумулятора, влияющий напоперечный габарит молота;
• [Рд], [0д], [пд] — энергетические характеристики.
Техническим заданием с учетом потерь приняты: [пд] = 0,5; [Рд] = 20 МПа; Юд] = 80 л/мин; = 110 мм; для ограничения силы отдачи Ро = 25 кН принимаем = 80 мм; [Э2] = 7,5 см2, [Уг] = 900 с м3.
На рис. 3 представлены графики, построенные по данным распечатки результатов расчета, анализ которых позволяет отметить следующее: в пределах ограничений выбираем h = 0,095 м;
= 7,993 см2 при Рд = 15 МПа, и
= 6,5 см2 при Рд = 20 МПа. Наиболее узкие рамки для выбора давления питания Рд обусловлены ограничениями [V,] и [Рд], при этом требуемый объем аккумулятора принимает запредельное значение Va = 1,02 л при Рд = 15 МПа и Va = 0,82 л при Рд = 20 МПа. Анализ аналоговой информации, представленной графически на рис. 3, б, позволяет считать максимально возможным значение давления питания Рд = 18 МПа.
Для уточнения конструктивных значений настроечных параметров молота:
а)
D,. мм Sz, см'
55-
50-
i5-
40-
35-
1
2
4
б)
D,, mm Sz, cm
Van
110
fl m
55-
50-
45-
40-
35-
1 h = 95 мм
2
3 ,
no
125
15.0
175
10
20.0 pam
0.8
■06
Рис. 3. Графики конструктивных параметров по результатам решения проектировочной задачи: зависимости от хода бойка h: графики 1 и 2 — диаметр задней ступени D2 при давлениях питания Р = 15 и 20 МПа соответственно; 3 и 4 — проходное сечение распределителя Sz при Р = 15 и 20 МПа соответственно (а); зависимости параметров при h = 0,095 м от давления питания Рд: графики 1, 2 и 3 — диаметр задней ступени D2, проходное сечение распределителя Sz и объем аккумулятора Va (б)
Fig. 3. Diagrams of design parameters on the results of the design problem: depending on the stroke of the striker h: graphs 1 and 2 — diameter of rear stage D2 at supply pressures Rd = 15 and 20 MPa, respectively; 3 and 4 — flow section of the distributor Sz at Rd = 15 and 20 MPa, respectively (a); dependence of parameters at h = 0.095 m from the supply pressure Rd: graphs 1, 2 and 3 — diameter of rear stage D2, the flow section of distributor S and the volume of battery V (b)
диаметра задней ступени бойка 02, массы и хода бойка т и h, давления питания Рд, обеспечивающих заданные значения ударов расчеты произведены в эксплуатационной постановке при варьировании соответствующими параметрами.
Первым шагом проверены возможности настройки характеристик молота изменением диаметра задней ступени бойка в диапазоне 02 = 48...55 мм.
Результаты представлены для удобства анализа графиками на рис. 4, показывающими, что в промежутке Рд = 10. .20 МПа диапазоны изменений энер -гии удара А составляют 1,06— 2,2 кДж и 1,18—2,4 кДж, частоты ударов п 6—7,6 Гц и 5,7 —8,2 Гц соответственно. Энергия удара А = 2000 Дж для Рд = 15 МПа достигается при значении диаметра плунжера задней камеры 02 = 55 мм, а для Рд = 20 МПа — при 02 = 52,5 мм. При всех значениях давления ход бойка определяется в диапазоне 98—108 мм,
а КПД в диапазоне 0,56—0,59. Частота ударов растет до 02 = 52 мм и составляет 7,8 и 9,1 Гц при давлениях 15 и 20 МПа соответственно. Далее, с увеличением 02частота падает до 7 и 8,2 Гц.
Машинным экспериментом установлено, что для дальнейшего увеличения энергии удара при ограничении возможности регулирования давления выше 20 МПа необходимы более значительные изменения параметров конструкции. Основной проблемой является снижение КПД.
Так, при величине проходного сечения распределителя, близком к параметрам МГП-1 = 7 см2КПД оказывается ниже 0,4. Очевидна необходимость увеличения массы бойка до величины, соответствующей предударной скорости не выше 9 м/с и снижения гидравлических сопротивлений системы распределения жидкостиза счет увеличения проходного сечения распределителя Исходными на конечном этапе машинного экс-
Рис. 4. Настроечные характеристики энергии Аи частоты ударов пв зависимости от диаметре! задней ступени бойка D2: кривые 1,2 — энергия ударов А; 3, 4 — частота ударов n при давлении питания Р равное 15 и 20 МПа соответственно Fig. 4. Tuning characteristics of the energy of frequency of strokes n depending on the diameter of rear stage of striker D2: curves 1, 2 — energy of shock A; 3, 4 — frequency of strikes n at a pressure of supply Rd, equal to 15 and 20 MPa, respectively
перимента приняты: масса бойка m = = 75 кг; Sz = 7 см2 и 9 см2; ход бойка h = 70 — 120 мм.
Анализ результатов, представленных графиками на рис. 5, показывает, что увеличение КПД обеспечило возможность поднять энергию удара выше
а)
П. Гц
77 А, кДж
052-
050-
048-
046-
/Ш-
Рис. 5. Энергия (кривые 3 и 4) и частота (кривые 1 и 2) ударов гидромолота с параметрами: проходное сечение распределителя Sz = = 7 см2 и 9 см2 соответственно; масса бойка m = 75 кг
Fig. 5. Energy (curves 3 and 4) and frequency (curves 1 and 2) of hammer stroke with parameters: flow section of distributor Sz = 7 cm2 and 9 cm2, respectively; weight of striker m = 75 kg
3000 Дж при величине хода бойка h = 100 мм. При этом графики на рис. 6 показывают, что величина КПД накладывает дополнительное ограничение на ход бойка до h = 100 мм, при дальнейшем увеличении которого КПД снижается ниже 0,48. 7 4 кДж
б)
п. Гц
054
6
052
050
аш-
a46-
h, m
Рис. 6. Энергия (кривая 1), частота (кривая 2) ударов, КПД (кривая 3) гидромолота с параметрами: проходное сечение распределителя Sz = 9 см2; масса бойка m = 75 кг: характеристики для давления питания Рд = 15 МПа (а); характеристики для давления питания Рд = 20 МПа (б) Fig. 6. Energy (curve 1), frequency (curve 2) shocks, efficiency (curve 3) hydraulic hammer with parameters: flow section of distributor Sz = 9 cm2; weight of striker m = 75 kg: a-characteristics for the supply pressure Rd = 15 MPa; b-characteristics for the supply pressure Rd = 20 MPa
Таким образом, в качестве выво- давления питания в диапазоне Р =
да по результатам исследований пред- = 10...20 МПа, перестройку энергии уда-
ставляется возможным рекомендовать ров в 2,26 раз от 1060 Дж до 2400 Дж. при ограничении энергии удара до А = Для увеличения энергии удара до А =
= 2000 Дж введение в конструкцию мо- = 3000 Дж необходимы более значитель-
лота с целью возможности настройки ные изменения параметров конструкции:
двух задних плунжеров с диаметрами увеличение массы бойка до m = 75 кг;
D2 = 53 мм и D2 = 55 мм, обеспечива- проходного сечения распределителя до
ющих в сочетании с регулированием Sz = 9 см2; хода бойка до h = 100 мм.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Орлов В. Гидромолоты для строительства и горнодобывающих карьеров. Ваше слово, гидромолот! (Ч. 1). URL: http://os1.ru/article/10854-gidromoloty-dlya-stroitelstva-i-gornodoby-vayushchih-karerov-vashe-slovo-gidromolot-ch-1 (дата обращения 17.05.2018).
2. Орлов В. Гидромолоты для строительства и горнодобывающих карьеров. Ваше слово, гидромолот! (Ч. 2). URL: http://os1.ru/article/11086-gidromoloty-dlya-stroitelstva-i-gornodoby-vayushchih-karerov-vashe-slovo-gidromolot-ch-2 (дата обращения 17.05.2018).
3. Алексеева Т. В., Воловиков Б. П., Галдин Н. С., Шерман Э. Б. Отдельные разделы гидропривода мобильных машин: Учебное пособие. — Омск: ОмПИ, 1989. — 69 с.
4. Shirong Yan, JianXu. Study on Dynamic Characteristics of a Hydraulic Hammer. International Conference on Digital Manufacturing & Automation, Changsha, China, 2010, vol. 2, pp. 459—462.
5. Elliot Stanton. Ho. I select and use hydraulic hammers. Equipment World Staff, 10, 2016. URL: https://www.equipmentworld.com/how-i-select-and-use-hydraulic-hammers/ (дата обращения 15.05.2018).
6. Guoping Yang, Jian Fang. Structure Parameters Optimization Analysis of Hydraulic Hammer System. Modern Mechanical Engineering, 2012, vol. 2, pp. 137—142.
7. Обзор модификаций гидромолотов. URL: https://exkavator.ru/articles/ gidromolot/9904_ obzor_modifikacii_gidromolotov.html (дата обращения 19.05.2018).
8. Дмитревич Ю. В. Обзор моделей гидромолотов представленных на российском рынке. Гидромолоты среднего класса (Ч. 1). URL: http://www.os1.ru/article/4565-obzor-modeley-gidromolotov-predstavlennyhna-rossiyskom-rynke-gidromoloty-srednego-klassa (дата обращения 19.05.2018).
9. Ушаков Л. С., Котылев Ю. Е., Кравченко В.А. Гидравлические машины ударного действия. — М.: Машиностроение, 2000. — 416 с.
10. Митусов А. А. Двухтактные гидродвигатели ударного действия: Основы теории и расчет. Монография. — СПб.: Изд-во Политехн. университета, 2013. — 392 с.
11. Митусов А. А., Митусов В. А. «CAD УГД», включающий программы «Анализ», «Конструкция», «Режим», «Research-Pas», «Research-Del», «ИГП», «ГП», «Золотник» (программный комплекс для ЭВМ). Свидетельство о гос. регистрации РК № 060 ИС 03995. 26.01.2010.
12. Митусов А.А., Решетникова О.С. Анализ методов машинного эксперимента по исследованию характеристик гидродвигателей ударного действия // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2006. — № 8. — С. 54—59.
13. Решетникова О. С. Исследование характеристик движения бойка гидравлического молота // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2015. — № 11. — С. 408—410. ir^
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Кызыров Кайрулла Бейсенбаевич1 — кандидат технических наук, профессор, Решетникова Ольга Стасисовна1 — старший преподаватель, e-mail: olga.reshetnikova.80@mail.ru,
Митусов Анатолий Алексеевич2 — доктор технических наук, профессор, e-mail: anatmitusov@mail.ru,
1 Карагандинский государственный технический университет, Казахстан,
2 Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова.
ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 9, pp. 220-226.
Design research of parameters of hydraulic hammer for mining and construction
Kyzyrov K.B.1, Candidate of Technical Sciences, Professor,
Reshetnikova O.S.1, Senior Lecturer, e-mail: olga.reshetnikova.80@mail.ru,
Mitusov А.А.2, Doctor of Technical Sciences, Professor, e-mail: anatmitusov@mail.ru,
1 Karaganda State Technical University, 100027, Karaganda, Kazakhstan,
2 Polzunov Altai State Technical University, 656038, Barnaul, Russia.
Abstract. The article describes the design research targeted at creation of a hydraulic hammer in accordance with schedule of the financed project: Engineering and analysis of hydraulic impact mechanism for mining and construction, under the order of MES RK for 2018-2020, with the design parameters sufficient to ensure outlet impact energy from 1000 to 3000 J. Accordingly, the sub-problem is to determine the maximum possible range of impact energy of a hydrohammer by means of setting and adjustment. The reference functional diagram was assumed as the earlier justified structural layout of hydrohammer MGP-1 as it chiefly complied with the set problem owing to separation of hammering stages and, thus, due to the highest workability of the hammer control system. The studies were carried out using machine method and Research simulation model which ensured solutions of the design and operation problems with complemental variability of 10 parameters. Based on the obtained results, design recommendations are made for a hydrohammer with the impact energy range of 1000-2000 J, and the parameters of a hydrohammer to ensure the impact energy up to 3000 J are proposed.
Key words: hydrohammer, energy characteristics, hydraulic impact drive, parametric constraints, rational parameters.
DOI: 10.25018/0236-1493-2018-9-0-220-226
REFERENCES
1. Orlov V. Gidromoloty dlya stroitel'stva i gornodobyvayushchikh kar'erov. Vashe slovo, gidromolot! (part 1), available at: http://os1.ru/article/10854-gidromoloty-dlya-stroitelstva-i-gornodoby-vayushchih-ka-rerov-vashe-slovo-gidromolot-ch-1 (accessed 17.05.2018).
2. Orlov V. Gidromoloty dlya stroitel'stva i gornodobyvayushchikh kar'erov. Vashe slovo, gidromolot! (part 2), available at: http://os1.ru/article/11086-gidromoloty-dlya-stroitelstva-i-gornodoby-vayushchih-ka-rerov-vashe-slovo-gidromolot-ch-2 (accessed 17.05.2018).
3. Alekseeva T. V., Volovikov B. P., Galdin N. S., SHerman E. B. Otdel'nye razdely gidroprivoda mobil'nykh mashin: Uchebnoe posobie [Separate sections of hydraulic drives of mobile machines: Educational aid], Omsk, OmPI, 1989, 69 p.
4. Shirong Yan, Jian Xu. Study on Dynamic Characteristics of a Hydraulic Hammer. International Conference on Digital Manufacturing & Automation, Changsha, China, 2010, vol. 2, pp. 459—462.
5. Elliot Stanton. Ho. I select and use hydraulic hammers. Equipment World Staff, 10, 2016, available at: https://www.equipmentworld.com/how-i-select-and-use-hydraulic-hammers/ (accessed 15.05.2018).
6. Guoping Yang, Jian Fang. Structure Parameters Optimization Analysis of Hydraulic Hammer System. Modern Mechanical Engineering, 2012, vol. 2, pp. 137—142.
7. Obzormodifikatsiygidromolotov, available at: https://exkavator.ru/articles/ gidromolot/9904_obzor_ modifikacii_gidromolotov.html (accessed 19.05.2018).
8. Dmitrevich Yu. V. Obzor modeley gidromolotov predstavlennykh na rossiyskom rynke. Gidromoloty srednego klassa (part 1), available at: http://www.os1.ru/article/4565-obzor-modeley-gidromolotov-pred-stavlennyhna-rossiyskom-rynke-gidromoloty-srednego-klassa (accessed 19.05.2018).
9. Ushakov L. S., Kotylev Yu. E., Kravchenko V. A. Gidravlicheskie mashiny udarnogo deystviya [Hydraulic percussive machines], Moscow, Mashinostroenie, 2000, 416 p.
10. Mitusov A. A. Dvukhtaktnye gidrodvigateli udarnogo deystviya: Osnovy teorii i raschet. Monografiya [Dual-contact hydraulic percussion drives. Elements of theory and calculation. Monograph], Saint-Petersburg, Izd-vo Politekhn. universiteta, 2013, 392 p.
11. Mitusov A. A., Mitusov V. A. Patent RK 060 IS 03995, 26.01.2010.
12. Mitusov A. A., Reshetnikova O. S. Analiz metodov mashinnogo eksperimenta po issledovaniyu kharakteristik gidrodvigateley udarnogo deystviya [ Analysis of experimental machine methods for studying characteristics of hydraulic percussion drives]. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2006, no 8, pp. 54—59. [In Russ].
13. Reshetnikova O. S. Issledovanie kharakteristik dvizheniya boyka gidravlicheskogo molota [Characteristics of movement of hydraulic hammer head]. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2015, no 11, pp. 408—410. [In Russ].
