CC BY
133
РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ГИДРОМОЛОТОВ
ДЛЯ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ ГОРНЫХ И СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН
Леонид Владимирович Городилов
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, доктор технических наук, заведующий лабораторией моделирования импульсных систем, тел. (383)217-02-41, e-mail: gor@misd.nsc.ru
Виталий Геннадьевич Кудрявцев
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, научный сотрудник лаборатории моделирования импульсных систем,
тел. (383)217-08-80, e-mail: vit22@ngs.ru Ольга Александровна Пашина
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, младший научный сотрудник лаборатории моделирования импульсных систем, тел. (383)217-08-80, e-mail: paola@ngs.ru
Приводится обзор теоретических и экспериментальных исследований гидроударных систем объемного типа, ведущихся в Институте горного дела СО РАН. В среде проектирования Solid Works разработана 3D-мод ель гидромолота с регулируемыми параметрами (энергией удара 0.2-1 кДж, частотой 1-20 Гц), предназначенного для навески на экскаватор 2-й размерной группы. Оценивается возможность создания такого устройства и перспективы работ в этом направлении.
Ключевые слова: гидромолот, теория гидроударных систем, критерии подобия, характеристики, распределитель, регулируемые энергия и частота ударов.
DEVELOPMENT AND DESIGN OF HYDRAULIC HAMMERS
FOR EXECUTIVE ELEMENTS OF MINING AND CONSTRUCTION MACHINES
Leonid V. Gorodilov
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Dr Eng, Head of Pulse System Modeling Laboratory, tel. (383)217-02-41, e-mail: gor@misd.nsc.ru
Vitaly G. Kudryavtsev
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Researcher, Pulse System Modeling Laboratory, tel. (383)217-08-
80,
e-mail: vit22@mail.ru Olga A. Pashina
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, Junior Researcher, Pulse System Modeling Laboratory, tel. (383)217-08-80, e-mail: paola@ngs.ru
The article reviews theoretical and experimental studies of 3D hydraulic percussion systems at the Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences. In Solid
Works design environment, the authors have constructed epy 3D model of a hydraulic hammer with adjustable parameters (blow energy 0.2-1 kJ, blow frequency 1-20 Hz) to be hinged on a 2nd size group shoveling machine. Under analysis is feasibility of creating such hammer and еру prospects for continuation of the research.
Key words: hydraulic hammer, theory of hydraulic percussion systems, similarity criteria, characteristics, distributor, adjustable blow energy and frequency.
ВВЕДЕНИЕ
Создание новых и совершенствование существующих технологий разрушения горных пород является актуальной научно-технической задачей. Перспективное направление здесь — использование горных машин с активными исполнительными органами: экскаваторов с навесными молотами и ковшами активного действия, динамических стругов и горнопроходческих комбайнов с навесными молотами. Применение гидромолотов или гидроударных систем в данном случае по КПД и мощности не имеет альтернативы.
Исследования гидроударных систем, проводившиеся в нашей стране с середины прошлого века существенного практического выхода не дали, до сих пор не создано эффективной выпускаемой серийно машины с характеристиками, сравнимыми с зарубежными аналогами. Их анализ показал, что в определенной степени такое положение связано с проблемами, существующими в теории и методах расчета гидроударных систем.
В последнее десятилетие в Институте горного дела СО РАН ведутся интенсивные работы по исследованию и созданию эффективных моделей гидромолотов для горнодобывающей промышленности и строительства. К настоящему времени разработаны основы теории гидроударных систем объемного типа [1-3], созданы программы расчета и оптимизации их параметров [4], создан ряд физических моделей устройств с оригинальной системой распределения [5], позволяющей регулировать энергию и частоту ударов, проведены их испытания и доводка, регистрация характеристик. Разработана трехмерная модель гидроударного устройства для экскаватора 2й размерной группы.
О ТЕОРИИ ГИДРОУДАРНЫХ СИСТЕМ
При разработке теории использовали расчетную схему автономной гидроударной системы с источником постоянного расхода. На ее основе были построены математические модели основных классов автоколебательных гидроударных систем [6], в которых практически всегда принимали параметры элементов — сосредоточенными; жидкость — идеальной и несжимаемой; распределитель — идеальным (переключающимся мгновенно и без потерь); взаимодействие бойка с инструментом — мгновенным и характеризующимся коэффициентом восстановления скорости R.
На рис. 1 для примера представлена расчетная схема системы двухстороннего действия с двумя управляемыми камерами, включающая ударное устройство УУ (боек и жестко закрепленный корпус), жесткий ограничитель О, газожидкостный аккумулятор Ак, распределитель Р и источник постоянного расхода (насос) Н.
Рис. 1. Принципиальная схема гидроударной системы:
Н — насос, Ак — аккумулятор, Р — распределитель, УУ — ударный узел,
О — ограничитель, П — пружина; А и В — соответственно камеры обратного и прямого хода УУ, С — управляющая линия распределителя Р (при координате бойка X < Хт — С соединена со сливной линией, при координате бойка X = 0 — с напорной)
Представленная модель дает возможность физически достоверно описывать основные свойства объемной системы. Переход к безразмерным параметрам позволяет выбрать динамические критерии подобия ( <т0 —
отношение эффективных площадей бойка со сторон камер обратного и прямого хода, — отношение энергии аккумулятора к кинетической энергии бойка при заданных параметрах системы, хх — безразмерная длина фазы обратного хода) и в их пространстве численно исследовать динамику и выходные характеристики предельных циклов (предударную скорость V* и
частоту ударов /*, энергию Е*, КПД 77* и мощность Ы*) ударной системы.
Такой подход применим к различным классам систем, позволяет исследовать и сравнивать между собой их свойства, на его основе разработана методика и проведены экспериментальные исследования [5, 7], подтверждающие полученные в теории положения. Результаты положены в методику выбора основных параметров гидроударных устройств, которые могут быть использованы как исходные данные при разработке технического проекта устройства, затем при построении его имитационной модели, позволяющей с применением процедуры многомерной оптимизации произвести корректировку исходных параметров [4].
ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГИДРОУДАРНОГО УСТРОЙСТВА, ЕЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
На рис. 2 представлена фотография гидроударного устройства двухстороннего действия с управляемой камерой прямого хода с возможностью задержки движения бойка в начале обратного хода (движение начинается после достижения давлением в системе величины ръ — давления задержки).
Рис. 2. Фотография стенда и физической модели:
УУ — ударный узел, Ак1 и Ак2 — напорный и сливной аккумуляторы, Р —
распределитель,
И — инструмент (ограничитель), ДУ — демпфирующее устройство, ДП1, ДП2 — датчики перемещения, ДД1, ДД2, ДД3 — датчики давления
Подробное описание стенда и методик измерения характеристик можно найти, например, в [5, 7]. Отметим, что источником жидкости служила маслостанция с регулируемой подачей (до 25 л/мин), максимальное давление в системе достигало 8.7 МПа. Для регистрации сигналов датчиков использовали АЦП Е-440, программу PowerGraph и персональный компьютер.
В гидроударном устройстве используется оригинальный распределитель, конструкция которого позволяет регулировать энергию удара при помощи задержки движения бойка в начале фазы обратного хода.
С целью определения режимных характеристик проведены испытания, в которых использовали бойки массами 6.27 (1-й боек), 6.3 (2-й) и 6.33 (3-й) кг
с эффективными площадями со стороны камеры прямого хода
2 2 соответственно 6.8, 5.1 и 3.5 см и — камеры обратного хода — 1.79 см ,
одинаковой для всех бойков. В устройстве можно было устанавливать две длины фазы обратного хода бойка ^ : 3 и 5.5 см и изменять давление задержки р3 от 4.5 до 8.5 МПа.
Испытания показали устойчивую работу устройства практически во всех режимах. В таблице представлены некоторые результате опытов при длине фазы обратного хода бойка ^ =5.5 см: изменение предударной скорости бойка V* при изменении давления задержки и изменение частоты ударов / * при изменении расхода q0, подаваемого к устройству.
Таблица
Характеристики ударного устройства
№ бойка р3, МПа V*, м/с q0, л/мин * с і
1 5.45 - 8.80 4.6 - 6.0 3.48 - 23.38 0.78 - 8.58
2 4.6 - 8.35 4.15 - 5.94 5.0 - 25.18 1.2 - 11.36
3 5.12 - 7.82 2.6 - 4.48 3.46 - 23.53 1.4 - 14.2
ТРЕХМЕРНАЯ МОДЕЛЬ ГИДРОУДАРНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЭКСКАВАТОРА 2-Й РАЗМЕРНОЙ ГРУППЫ
На рис. 3а представлена 3D-модель гидромолота с энергией удара до ~1.1 кДж, предназначенного для экскаватора 2-й размерной группы. Модель выполнена в среде проектирования БоНё’^гкв, при расчетах ее параметров использовали результаты проведенных нами теоретических и экспериментальных исследований. В корпусе распределителя кроме золотника располагаются напорный и сливной аккумуляторы, на верхней крышке — штуцеры подключения напорной и сливной линий маслостанции экскаватора.
Рис. 3. 3Э-модель гидромолота (а), его характеристики (б) и навеска (в) на экскаватор 2-й размерной группы на базе трактора Беларус
На рис. 3в изображена его навеска на экскаватор на базе трактора Беларус. При применении сменных рабочих инструментов возможно его использование в горном деле (разделка негабаритов, добыча блочного камня), сейсмологии (генератор сейсмических волн), городском хозяйстве и строительстве (вскрытие асфальтобетонных покрытий, разрушение мерзлых грунтов и другое).
Особенностью спроектированного гидроударного устройства является простота и надежность распределительного устройства, возможность регулировки в широком диапазоне энергии и частоты ударов (рис. 3б). Основные узлы гидромолота защищены патентами Российской Федерации.
ВЫВОДЫ
В докладе отражены результаты в разработке теории и практики гидроударных систем, полученные в лаборатории моделирования импульсных систем Института горного дела СО РАН.
Представленные наработки позволяют уверенно утверждать, что уже сейчас возможно при сравнительно небольших затратах реализовать работы по созданию серийного образца гидроударного устройства с энергией удара до 1.1 кДж, предназначенного в качестве навесного оборудования для экскаватора 2-й размерной группы.
Успешная реализация такого проекта позволит приступить к разработке и созданию типоразмерного ряда устройств, способных по своим
характеристикам конкурировать с зарубежными аналогами.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Городилов Л. В. Разработка основ теории гидроударных систем объемного типа для исполнительных органов горных и строительных машин: автореф. дис. ... д-ра техн. наук. - Новосибирск, 2010. - 42 с.
2. Городилов Л. В. Исследование динамики гидроударных объемных систем
двухстороннего действия. Ч. I: Основные свойства// ФТПРПИ. - 2012. - №. 3. - С. 91-101.
3. Городилов Л. В. Исследование динамики гидроударных объемных систем
двухстороннего действия. Ч. II: Влияние на характеристики предельных циклов
конструктивных особенностей устройств и условий их взаимодействия с горным массивом // ФТПРПИ. - 2013. - №. 3. - С. 127-138.
4. Городилов Л. В., Вагин Д. В., Пашина О. А. Разработка методики выбора
параметров гидроударных систем объемного типа // ФТПРПИ. - 2014. - № 1. - С. 87-94.
5. Городилов Л. В., Кудрявцев В. Г., Пашина О. А. Стенд и методика экспериментальных исследований гидроударных систем // ФТПРПИ. - 2011. - № 6. -С. 54-63.
6. Городилов Л. В., Фадеев П. Я. Анализ и классификация эффективных
конструктивных схем автоколебательных гидравлических ударных систем // Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды: тр. конф. с участием иностр. ученых (10-13 октября 2006 г.) : в 2 т. - Новосибирск : Ин-т горного дела СО РАН, 2007. - Т. 2. - С. 71-79.
7. Городилов Л. В., Ефимов В. П., Кудрявцев В. Г. Моделирование процесса
взаимодействия системы «боек-инструмент» с горным массивом на стенде // ФТПРПИ. -2013. -№ 4. - С. 116-124.
© Л. В. Городилов, В. Г. Кудрявцев, О. А. Пашина, 2014
