CC BY
14
УДК 621.22
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-5-96-101
СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ГИДРОУДАРНЫХ СИСТЕМ ОБЪЕМНОГО ТИПА
Виталий Геннадьевич Кудрявцев
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, научный сотрудник, тел. (383)205-30-30, доп. 155, e-mail: vit22@ngs.ru
Рассмотрены системы распределения жидкости в гидроударных системах объемного типа, позволяющие регулировать энергию и частоту ударов. Управление этими характеристиками возможно изменением расхода подаваемой к устройству жидкости, длины фазы обратного хода бойка и введением в рабочий цикл фазы задержки бойка. Показано, что для регулирования энергии удара перспективно введение в структуру рабочего цикла фазы задержки движения бойка по давлению в системе.
Ключевые слова: гидроударная система, рабочий цикл, распределительное устройство, частота и энергия ударов, регулировка параметров.
METHODS REGULATING CHARACTERISTICS OF HYDRAUIC IMPACT SYSTEMS OF VOLUME TYPE
Vitaly G. Kudryavtsev
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Researcher, phone: (383)205-30-30, extension 155, e-mail: vit22@ngs.ru
The systems of liquid distribution in hydraulic impact systems of volume type are considered. They make it possible to control energy and frequency of impacts. Management of these characteristics is possible by changing the flow rate of the liquid supplied to the device, the length of the striker's reverse stroke phase and by introducing the striker's delay phase into the working cycle. It is shown that to control the impact energy, it is promising to introduce the phase of delaying the movement of the striker with respect to the pressure in the system into the structure of the working cycle.
Key words: hydraulic impact system, operating cycle, switch-gear, frequency and energy of strikes, parameters adjustment.
Гидроударные системы нашли широкое применение в горном деле и строительстве. С их помощью осуществляются такие работы, как дробление негабаритов, разрушение техногенных объектов (бетонных фундаментов, кирпичных и т.п. кладок, различных футеровок), бурение скважин, рыхление мерзлых грунтов и ряд других работ.
Особое внимание при их проектировании необходимо уделять распределительным устройствам, поскольку они, управляя рабочим циклом, оказывают важнейшее влияние на работу таких систем.
В литературе встречаются разные классификации гидроударных систем, построенные по разным признакам, но в любой классификации так или иначе присутствует упоминание о системе управления или распределительном устройстве, посредством которых осуществляется рабочий цикл.
Так, в [1] говорится: «...гидравлические импульсные системы по принципу действия механизмов можно разделить на две группы: гидрообъемные и гидродинамические», а относительно систем управления «различают гидропневмо-ударники трех классов: с управлением по положению бойка ... - с втулкой управления и с трубчатым клапном и по ускорению бойка ... - с инерционным золотником».
В [2] отмечается, что «гидравлические связи, устанавливаемые в гидрообъемных системах, допускают управление ими с помощью различного рода золотников и клапанов. По принципу управления гидравлической связью эти системы можно классифицировать как системы постоянной и переменной структуры».
Авторы [3] отмечают перспективность ударных машин с гидравлическим объемным приводом. В классификации, приведенной в [4] гидрообъемные ударные машины по типу распределительного элемента подразделяются:
1) на золотниковые:
а) с вращательным движением золотника;
б) с возвратно-поступательным движением;
в) с прерывисто-вращательным движением;
2) клапанные:
а) с упруго-эластичным клапаном;
б) с клапаном-захватом;
в) с дифференциальным клапаном;
3) бесклапанные;
4) с комбинированным распределительным элементом.
В анализе классификаций и конструкций, проведенном в [5] говорится, что «значительное разнообразие конструкций порождено . возможностью варьирования способов переключения потоков жидкости в автоколебательных гидроударных системах. При этом в подавляющем большинстве в распределительных устройствах систем используются обратные связи по перемещению бойка, в устройствах с задержкой движения бойка используется обратная связь по давлению».
Наиболее распространенными являются конструкции распределительных устройств с возвратно-поступательным движением золотника. Существуют устройства, в которых функции золотника-распределителя и бойка совмещены, но они не нашли широкого распространения.
В последние годы отмечается повышенное внимание к гидроударным системам с регулируемыми параметрами - энергией удара и частотой. Указанную регулировку возможно осуществлять следующими способами:
1) изменением расхода рабочей жидкости, подаваемой к устройству [6];
2) изменением длины фазы обратного хода бойка [4];
3) введением в рабочий цикл фазы задержки бойка [4, 7].
Способ регулировки параметров путем изменения расхода рабочей жидкости представляется наиболее доступным в реализации, но имеет ряд недостатков: необходимость включения в напорную линию дополнительных устройств
для регулировки расхода, или же подключение электродвигателя через регулятор частоты питающей электросети. В некоторых случаях последний вариант может оказаться неприемлемым, поскольку продолжительная работа под нагрузкой в нештатном режиме приведет к снижению ресурса и выходу из строя электродвигателя и насоса. Наиболее существенным недостатком указанного способа является то, что при изменении расхода одновременно изменяются энергия и частота ударов.
В качестве примера регулировки параметров по второму способу можно привести бурильную головку ЯРН400 фирмы Sekoma [8], схема которой приведена на рис. 1. Длина фазы обратного хода бойка 26 определяется тем, какой из каналов 4-6 является рабочим (открытым), в то время как другие перекрыты специальными винтами-заглушками.
Рис. 1. Схема бурильной головки RPH400 фирмы Sekoma
Введение в рабочий цикл фазы задержки бойка в соответствии с [4] возможно в начале или же в конце его прямого хода, но в любом случае она осуществляется до определенной величины давления в аккумуляторе, называемом давлением задержки.
Примером устройства с задержкой бойка в начале прямого хода может служить гидромолот S 52 фирмы Rammer (рис. 2) [4].
При достижении давлением в аккумуляторе 1 заданной величины открывается клапан 3 и канал 4 через проточку 5 соединяется с каналом 6. Золотник 7 под действием давления в камере управления смещается вверх, соединяя камеру прямого хода с напором. Боек 11 начинает двигаться к инструменту 13, осуществляется прямой ход.
Еще одним представителем устройств с задержкой бойка в начале прямого хода является гидравлическая ударная машина по схеме патента [9] (рис. 3).
Рабочая жидкость от насоса 16 поступает в аккумулятор 17 и камеру обратного хода 13. Боек 8 совершает обратный ход, в конце которого жидкость в камере прямого хода 12 оказывается запертой в замкнутом объеме и, выполняя роль демпфера, тормозит боек. Когда давление в системе достигнет заданной величины, золотник 21 распределителя 19 переключится и откроет доступ жидкости через клапан 23 в камеру прямого хода 12. Боек 8 после задержки совершает прямой ход и наносит удар по инструменту 15.
Задержка движения бойка в конце прямого хода реализуется в схеме гидроударной машины по патенту [10] (рис. 4).
В данной схеме камера обратного хода 6 постоянно соединена с напором. Боек 2 показан в конце рабочего хода после удара по инструменту 20. Камера прямого хода при этом также соединена с напором. Для начала обратного хода бойка 2 давление в аккумуляторе 13 должно достигнуть заданной величины, необходимой для преодоления усилия пружины 17. При этом подвижный элемент 11 распределителя 10 переключится в другое положение, соединив камеру прямого хода 5 со сливом. Под действием давления в камере обратного хода 6 боек 2 начнет обратный ход.
Принципиальная схема гидроударной системы с задержкой в конце прямого хода представлена в работе [7]. Там же приводится ее математическая модель, сравнительный анализ основных характеристик систем с задержкой и без задержки. Отмечается, что введение задержки в рабочий цикл позволяет расширить диапазон рабочего давления гидроударной системы, а также получить в системах с задержкой более высокие значения скорости бойка и мощности системы по сравнению с системами без задержки.
1 8 23 21 19
Рис. 3. Схема гидроударной машины (патент 2495991 РФ)
1 2 18 17 16 10 11 1
Рис. 4. Схема гидроударной машины (патент 2230189 РФ)
Исходя из изложенного, можно отметить, что устройства с задержкой движения бойка позволяют получать стабильное значение энергии ударов, поскольку их рабочий цикл начинается только при определенной величине давления в системе. Эти устройства могут работать в широком диапазоне величин давления. Также в этих устройствах более проста регулировка энергии ударов, поскольку она определяется настройкой клапана или распределителя, в то время как для изменения хода бойка нужна перенастройка каналов.
В заключение могут быть сформулированы некоторые задачи дальнейших исследований:
- провести анализ устройств, позволяющих осуществлять задержку бойка в течение рабочего цикла;
- определить устройства, наиболее подходящие для регулирования характеристик гидроударных систем;
- обосновать параметры распределителя гидроударного устройства с регулируемыми характеристиками.
Работа выполнена в рамках проекта ФНИ, № гос. регистрации АААА-А17-117122090003-2.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гидропневмоударные системы исполнительных органов горных и строительно-дорожных машин / А. С. Сагинов, А. Ф. Кичигин, А. Г. Лазуткин, И. А. Янцен. - М. : Машиностроение, 1980. - 200 с.
2. Алимов С. А., Басов С. А. Гидравлические виброударные системы. - М. : Наука, 1990. - 352 с.
3. Гидравлические отбойные и бурильные молотки / В. Ф. Горбунов, Д. Н. Ешуткин, Г. Г. Пивень, Г. С. Тен. - Новосибирск : Ин-т горного дела СО АН СССР, 1982. - 91 с.
4. Архипенко А. П., Федулов А. И. Гидравлические ударные машины. - Новосибирск : Ин-т горного дела СО АН СССР, 1982. - 106 с.
5. Городилов Л. В. Разработка основ теории гидроударных систем объемного типа для исполнительных органов горных и строительных машин : дис. ... д-ра техн. наук. - Новосибирск, 2010. - 302 с.
6. Городилов Л. В. Анализ динамики и характеристик основных классов автоколебательных гидроударных систем объемного типа // Проблемы машиностроения и надежности машин. - 2018. - № 1. - С. 22-30.
7. Городилов Л. В. Исследование динамики гидроударных объемных систем двухстороннего действия. Ч. I. Основные свойства // ФТПРПИ. - 2012. - № 3. - С. 91-101.
8. Иванов К. И., Ципкис А. М. Бурение шпуров и скважин самоходными шахтными установками. - М. : Недра, 1983. - 198 с.
9. Пат. 2495991 Российская Федерация. МПК Е21В 1/28, E02D 7/10, Е21С 37/00. Гидравлическая ударная машина / Городилов Л. В., Пашина О. А., Кудрявцев В. Г. ; заявитель и патентообладатель ИГД СО РАН ; - № 2012117837/03 ; заявл. 27.04.2012 ; опубл. 20.10.2013, Бюл. №29. - 9 с. : ил.
10. Пат. 2230189 Российская Федерация. МПК 7 Е21С 37/00, Е02Б 7/10. Гидравлическая ударная машина (варианты) / Голдобин В. А., Городилов Л. В., Пашина О. А. ; заявитель и патентообладатель Институт горного дела СО РАН. - № 2002129842/03 ; заявл. 05.11.2002 ; опубл. 10.06.2004, Бюл. № 16. - 7 с. : ил.
© В. Г. Кудрявцев, 2018
