Виртуальное моделирование работы пневматического ударного механизма Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

ВИРТУАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО УДАРНОГО МЕХАНИЗМА Грузин Андрей Васильевич, к.т.н., доцент каф. НГД

Беляев Никита Михайлович, магистрант Омский государственный технический университет Грузин Алексей Владимирович, аспирант

Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет

На основе физико-математической модели рабочего процесса пневматического ударного механизма был разработан специализированный программный продукт, который позволяет исследовать влияние конструктивных параметров механизма на бародинамическую, термодинамическую и баромеханическую составляющие физико-математической модели. Данные расчёта выводятся на поле программного продукта в графическом виде, численные значения давлений в камерах автоматически записываются в файл. Использование разработанного программного продукта позволит сократить сроки разработки пневматического ударного механизма и определить его рациональные конструктивные параметры без натурного моделирования.

Обустройство новых месторождений нефти и газа требует предварительной подготовки грунтовых оснований под необходимую транспортную и технологическую инфраструктуру. Как правило, для улучшения деформационных свойств грунтов оснований зданий и сооружений используют уплотняющие механизмы, использующие энергию удара для достижения требуемых деформационных характеристик грунта, в силу простоты реализации данной технологии. В то же время многообразие грунтов оснований и стохастический характер их залегания предъявляет дополнительные требования к параметрам оборудования, используемого для их уплотнения. Таким образом, комплексный характер проблемы актуализирует создание типоразмерного ряда уплотняющих машин и механизмов, предназначенных для решения заданного ограниченного круга производственно-технологических задач. Сокращение временных затрат на разработку и испытание данного уплотняющего оборудования в обязательном порядке должно сопровождаться безусловным требованием одновременного обеспечения их качества и соответствующих потребительских свойств.

Помочь решить данную задачу может широкое использование программных продуктов, позволяющих моделировать основные потребительские свойства разрабатываемого изделия без создания опытных образцов и последующих натурных испытаний. Практика использования программных продуктов для обработки данных инженерно-геологических изысканий показала значимый эффект такого подхода к решению проблемы [1-3]. Результатом использования программных продуктов при обработке дан-

ных лабораторных испытаний стало сокращение временных затрат и исключение ошибок. Примером такого эффективного использования информационных технологий при разработке перспективных машин и механизмов может служить программный продукт «Пневматический ударный механизм». Заслуженным изобретателем РСФСР, доктором технических наук, профессором Э. А. Абраменковым была разработана физико-математическая модель рабочего процесса пневматического ударного механизма [4] (см. рисунок 1).

1_1 г

рх, б^Уд

1 - корпус; 2 - стержень; 3 - камера сетевого воздуха; 4, 5 - камеры рабочего и холостого ходов; 6 - хвостовик рабочего инструмента; 7, 9 -каналы выпускные; 8 - канал впуска в камеру холостого хода

Рисунок 1 - Расчетная схема пневматического ударного механизма

Бародинамическая составляющая физико-математической модели имеет следующий вид:

% = к к • (соРсо - ®КрРКр )1

Ж V, —РК,

№ • (КрРКр - ®Х ((Ху К - ар ((ХУ \р ) + Ркр —¡Г Б

—х.

—Г V, - Ху БУШ

—Рр = к

* =v;-x(шr)

Ш У

—Рх

№ • (р (Ху }Рр + ®«р (Ху ^) + Рр ( - БШ)

— Vx + Ху ^

№ • ((у к - ®ях (ху \рох )-

(1)

к

Термодинамическая составляющая физико-математической модели представлена следующей системой дифференциальных уравнений:

О- = V [ж • (Осо(рср.со - аКрФКрОКр Д

d VKp - xySy

Ш

W • (рЛ - x - ®p ( pA)+(k - 1кр dxyS:

Ш

y

dt = vp - Xy (SO - Sf)

W • (P (xy }Рр°р + ®ap (xy pap^ap ) + (k - l)?p ~17 (( - Sf )

dt Vkp + xySyO

W • (x (xy px^x - ®ax (xy )pax^ax ) - (k - l)Px ^ S

(2)

В свою очередь, баромеханическая составляющая физико-математической модели описывается следующей системой дифференциальных уравнений:

'а2Ху S0ypx-syPp-(( -SJC) + ^^)+ )

dt2

( dxy Л

my

dt

y dt

d2xk S°ypx - Snpp - (f - SC )кр + sign^ )+ sign(Fy )- Fh

dt2

'dxK dt

mK

_-k I ^ к dt

d2xc _ ScPx - Sсpc + sign(Fcy )-Fc - F1

dt2

dxc dt

m

_-kc

dxc dt

при xy > 0, при xy < 0,

- при xK > 0, при xK < 0,

при xc > 0, при xc < 0.

(3)

Практический интерес представляют рациональные значения соотношений между объемами камер, координаты расположения, проходные сечения и геометрия дросселей (каналов) впуска - выпуска. С целью определения рациональных конструктивных параметров и выяснения характера их влияния на работу пневматического ударного механизма требуется совместное решение системы дифференциальных уравнений (1) - (3). Очевидно, что решение систем дифференциальных уравнений с целью поиска рациональных параметров пневматического ударного механизма требует применение численных методов. Система дифференциальных уравнений (1) - (3) была решена методом Рунге - Кутты четвёртого порядка, для чего был разработан специализированный программный продукт «Пневматический ударный механизм» (см. рисунок 2).

k

k

0

0

^ Ппееыатмчеекий дормьи мем*«м - | | | ^ —,

Рисунок 2 - Специализированный программный продукт «Пневматический ударный механизм»

Программный продукт имеет выделенное поле для ввода исходных данных - конструктивных параметров пневматического ударного механизма, а так же температуры и давления питающей сети и температуры окружающей среды. Кроме того была предусмотрена возможность задания длительности работы пневматического ударного механизма.

Результаты расчёта бародинамической, термодинамической и баромеха-нической составляющих физико-математической модели выводятся на поле программного продукта в графическом виде (см. рисунок 3):

• давление в сетевой и распределительной камерах, а так же в камерах рабочего и холостого хода;

• температура в сетевой и распределительной камерах, а так же в камерах рабочего и холостого хода;

• сила нажатия на корпус пневматического ударного механизма;

• скорость ударника;

• перемещение ударника.

Рисунок 3 - Результаты виртуального моделирования работы пневматического ударного механизма

Кроме того численная информация об изменении с течением времени давлений в сетевой и распределительной камерах, а так же в камерах рабочего и холостого хода автоматически заносятся в файл «Результаты.ёос» (см. рисунок 4).

Ргтулылгы ' Miirnwfl №iid

1 • S

Глыпл tCTMU

с

CogrwrNnr ♦ Ж К 1 ■ Л* *

М' % ~ •* 51 ■ v- д- Wi v * ■ _

АаБ&ВаГг.

- Овичюяй г Bt;

даъвввгг, АаБбВ Алиони Aab Ч ?

3««ч«. liroMH-

Давление давление Давление Давление

а ее*еьой Т> раСЯрСД. а >: jt-:epc в камере

itawcpe, па камере яа рабочего КОЛОС fOPCi

ход*, Пй ХОД* , ГА

0 50 00 100000 0 100000 0 100000.0 ХООООО 0

0 0001 100158-6 99854.3 100025 7

О □002 173245 5 100466 2 99485 2 100214 2

О 0003 209511 0 100833 5 97905 7 100520 9

О 0004 245155 7 101257 3 97718 0 100899 9

О 00О5 281800.9 101*739.3 97662 4 101341 7

О 0006 317706 9 102276 4 97692 3 101650 4

О 000"? 353372 2 102042 9 97670 5 102466 1

О 0006 383310 5 103470 2 97636 7 103096 5

0 0009 121958.« 104151 3 97699.9 103740 4

о 0010 153779.0 104891.2 97711 6 104437 0

О ООН 493272 2 105676 4 97722 4 105170 1

0 001! 509988 5 106504 4 87733 0 105862 2

0 0013 533839 1 107389 5 97743 5 106736 1

О 0011 553608 4 108264 9 97754 1 10764 5 3

о ООН 56996В 7 109153 S 97764 9 108534 3

0 0016 582500.3 110117 8 87776.0 105447 2

0 0011 591227 я 111060 2 97737 3 110377 4

й 001В 596396 6 112002 S 97800 7 111318 0

0 0019 598635 3 112936 9 97816 8 112262 0

0 оо го 559187 7 113848 9 87В44 3 113201 9

оог! 589357 5 114750 5 87862 8 1141,27 9

0 0022 599415 2 115643 1 97876 5 115041 3

0 0023 599436 7 116527 2 97837 7 11594 3 7

О оог< 599444 а 117403 5 97897 5 116836 3

0 0025 589447 8 113272.2 87806 5 ¡17719.3

0 0026 393449 0 119133 7 97914 7 118595 0

О 0027 599449 4 119939 3 97922 5 119462 3

о 0026 599449 6 12D836 2 97929 9 120322 1

Рисунок 4 - Изменение давлений в камерах пневматического ударного механизма с течением времени (численные данные)

Таким образом, разработанный специализированный программный продукт «Пневматический ударный механизм» позволил:

• провести виртуальное моделирование работы пневматического ударного механизма и установить характер изменения и численные значения давлений и температур в камерах пневматического ударного механизма;

• полученные в ходе виртуального моделирования работы пневматического ударного механизма данные позволили рассчитать энергию его удара;

• отсутствие необходимости физического моделирования работы механизма позволило существенно сократить время его проектирования.

Список литературы

1. Грузин А. В. Совершенствование обработки результатов лабораторных исследований грунтов оснований объектов нефтегазовой отрасли / А. В. Грузин, А. Д. Русанова, Л. Б. Антропова // Юность и знания - гарантия успеха: сб. науч. тр. Междунар. на-уч.-техн. конф., Курск, 17-18 дек. 2014 г. Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2014. С.116-118.

2. Грузин А. В. Автоматизация обработки результатов определения гранулометрического состава грунтов оснований резервуаров для хранения жидких углеводородов / А. В. Грузин, А. Д. Сиротин, М. И. Гильдебрандт // Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации : сб. науч. тр. XII Междунар. науч.-техн. конф., Курск, 19-20 мар. 2015 г. Курск: Юго-Зап. гос. ун-т, 2015. Т. 1. С.354-357.

3. Гильдебрандт М. И. Разработка программных продуктов для обработки результатов лабораторных исследований грунтов оснований нефтегазовых объектов / М. И. Гильдебрандт, А. Д. Сиротин, А. В. Грузин // Новые технологии - нефтегазовому региону : материалы Всерос. с межд. участ. науч.-практ. конф., Тюмень, 19-20 мая 2015 г. Тюмень: ТюмГНГУ, 2015. Т. III. С.164-166.

4. Абраменков, Э. А. Пневматические механизмы машин ударного действия: справ. изд. / Э. А. Абраменков, Д. Э. Абраменков - Новосибирск: Издательство Новосибирского университета, 1993. - 430 с.

ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГРУНТОВ ОСНОВАНИЙ ОБЪЕКТОВ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ Грузин Андрей Васильевич, к.т.н., доцент каф. НГД Гильдебрандт Маргарита Ивановна, студент 4 курса Ермаков Владимир Сергеевич, магистрант Омский государственный технический университет, Россия

На базе студенческой научно-исследовательской лаборатории «Основания и фундаменты объектов нефтегазовой отрасли» Омского государственного технического университета разработан комплект программных продуктов для обработки результатов лабораторных испытаний грунтов. Разработанные программные продукты позволяют снизить вероятность возникновения ошибки при выполнении расчётов и существенно сократить время обработки полученных результатов.