Дослідження гідромолота як гідроударного пристрою
ДОСЛІДЖЕННЯ ГІДРОМОЛОТУ ЯК ГІДРОУДАРНОГО ПРИСТРОЇ
Трофімова Ю.А. (гр. ЕМК-09м, ДонНТУ, м. Донецьк)
Керівник Устименка Т.А.
Механіка рідини та газу / Матеріали VIII Міжнародної науково-технічної студентської конференції. – Донецьк: ДонНТУ, 2009. – С.216-219.
Розглянуто можливість використання гідравлічних ударних механізмів для ведення допоміжних робіт при проходці виробок, зроблено аналіз принципових схем для розробки математичної моделі з метою вибору раціональних параметрів пристрою з високими енергетичними показниками.
У зв'язку з нестачею електроенергії та значними труднощами, які зазнають шахти та рудники, питання створення енергозберігаючих технологій та машин стають особливо актуальними. Порівняльний аналіз енергетичних витрат при застосуванні пневматичної та гідравлічної енергії показує, що для шахт крутого падіння та для більшості шахт та копалень пологого падіння використання гідравлічної енергії є більш доцільним. У сучасних умовах для інтенсифікації виробничих процесів у різних галузях промисловості широко використовуються ударні механізми. Найбільше застосування вони отримують як виконавчі органи гірничих машин, особливо в буровій техніці. Бурильні машини, оснащені гідравлічними механізмами обертання та удару, мають у кілька разів більший ККД, ніж пневматичні, та працюють від електромережі. Крім того, широке застосування гідравлічних машин дозволяє уникнути витрат на будівництво потужних компресорних установок та складних, великої довжини, пневмомереж, що дає великий народногосподарський ефект. Істотно і те, що металомісткість гідравлічних машин, як правило, на 15-30% нижча, ніж пневматичних.
Розглянемо гідравлічний ударний пристрій на прикладі гідромолота. Гідромолот - це виконавчий орган гірничих машин або змінне обладнання гідравлічних екскаваторів, навантажувача або трактора - призначений для розкриття асфальтобетонних покриттів, буріння корисних копалин, руйнування бетонних і залізобетонних конструкцій, розпушування скельних і мерзлих ґрунтів, ущільнення рихлого грунту. ) та ін. Гідромолот може бути розроблений на основі однієї з трьох структурних схем: схема №1 – з керованою камерою прямого ходу, схема №2 – з керованою камерою зворотного ходу, схема №3 – з двома керованими камерами.
Мал. 1 – Структурна схема пристрою з керованою камерою прямого ходу.
Мал. 2 – Структурна схема пристрою з керованою камерою зворотного ходу.
Мал. 3 – Структурна схема пристрою із двома керованими камерами.
Попередній аналіз вищенаведених структурних схем дозволив встановити таке.
Схема №1 (з керованою камерою прямого ходу) відрізняється простотою. Так як камера зворотного ходу завжди з'єднана з напірною лінією, то взвод бойка (зворотний хід) здійснюється автоматично, як тільки видаляється протитиск з боку камери зворотного ходу зменшує результуючу сил, що діють на бойок при виконанні прямого ходу.
Перспективною є схема №2 (з керованою камерою зворотного ходу), так як розгін бойка здійснюється потоком рідини, тиск якої перевищує підводиться (р max 0 ), що забезпечує інтенсивний розгін бойка, підвищення попереджувальної швидкості та енергії одиничного удару. Однак для реалізації схеми гідроударник повинен бути оснащений робочим гідропневмоакумулятором та зворотним клапаном.
У схемі №3 (з двомакерованими камерами) може бути реалізований прискорений зворотний хід, оскільки площа робочої поверхні камери зворотного ходу може бути значною. Однак, практичне втілення цієї схеми важко внаслідок неминучого ускладнення конструкції.
Беручи до уваги недоліки схеми з двома керованими камерами, а також враховуючи вже накопичений у ДонНТУ досвід розробки гідроударних пристроїв, для подальшого аналізу приймаємо пристрої на основі структурних схем №1, 2 – з керованими камерами прямого та зворотного ходів.
Завданням даної роботи є основі аналізу структурних схем встановити аналітичні залежності визначення енергочастотних характеристик гидромолота. І в результаті визначити, яка із структурних схем гідромолота забезпечує найбільший ккд при найменших лінійних розмірах.
До енергочастотних характеристик гідромолота відносяться: Е - Енергія удару, Дж; f - частота ударів, з -1; N - ударна потужність, Вт.
При виконанні аналізу передбачається, що гідроударні пристрої, що розробляються за тією чи іншою структурною схемою, призначені для виконання однієї і тієї ж виробничої задачі, наприклад, для буріння свердловин однакового діаметра в породах з тим самим межею міцності на однакове стиск.
Виконаємо аналіз пристроїв при однаковій попередній швидкості бойка. У цьому випадку попередня швидкість бойка обох пристроїв приймається однаковою: V 1 = V 2 (Далі 1 - схема з керованою камерою прямого ходу, 2 - з керованою камерою зворотного ходу). Приймаючи припущення про рівність мас ( m 1 = m 2 ), відповідно до рівняння Е = 0,5 mV 2 отримаємо: Е 2 = Е 1, а за рівнянням К Е = Е 2 / Е 1 (коефіцієнт енергії удару): Е =1, тобто у цьому випадку енергія удару обох пристроїводнакова. Враховуючи рівність попередних швидкостей (V 1 = V 2 ), відповідно до рівнянь V = а t пр і К а = а 2 / а 1 , де а – прискорення руху бойка, Ка – коефіцієнт прискорення, отримаємо : t пр1 / t пр2 = Ка . Так як час прямого ходу пристроїв по-різному ( t пр1 ≠ t пр2 ), то для досягнення однієї і тієї ж попереджувальної швидкості потрібно забезпечити різний хід бойка: l 1 ≠ l 2 . Переміщення бойка за час виконання прямого ходу при рівноприскореному русі для аналізованих пристроїв дорівнює l 1 =0,5а 1 t пр1 2 . Враховуючи рівняння К а = а 2 / а 1 і t пр1 / t пр2 = Ка отримуємо, що l 1 = Ка l 2 . Попередньо було доведено, що коефіцієнт К а >1, означає l 1 > l 2 . Таким чином, для аналізованого випадку пристрій «2» порівняно з пристроєм «1» забезпечує ту ж попередню швидкість при менших конструктивних розмірах.
Відношення ккд пристроїв: ∆η = η 2 / η 1 = N 2 / N 1 . Ударна потужність: N = Е f. Отже, ∆η = Е f 2 / Е f 1 = f 2 / f 1 . Коефіцієнт частоти визначається за формулою: f = f 2 / f 1 . Частота ударів пристрою – це величина, зворотна періоду часу руху Т бойка. Період часу роботи пристрою складається з часу виконання прямого t при зворотного t обходів, а також тривалості пауз. Отже, . Так як l 1 = Ка l 2 , то t пр1 = t пр2 К а. З цього випливає, що f >1. В результаті отримуємо, що для випадку пристрій «2» в порівнянні з пристроєм «1» при менших лінійних розмірах забезпечує однакову енергію одиничних ударів і великі значення частоти ударів, ударної потужності і ккд. У той самий час пристрій «2» проти пристроєм «1» є у конструктивному відношенні складнішим.
Приймаємо наступні параметри бойка гідромолота:
Частота ударівпристрої - f = 4-5 уд/с; енергія удару - Е = 1000Дж; ударна потужність - N = f · Е = 5 · 1000 = 5000 Вт; тривалість циклу - Т = 1 / f = 1 / 5 = 0,2 с; діаметр поршня - D = 125 мм; діаметр штока - D ш = 85 мм; діаметр бойка - D б = 55 мм; попередня швидкість бойка V = 7 м/с; маса бойка гідромолота - m = 2 E / V 2 = 2 · 1000/7 2 = 41 кг; Довжина ходу бойка l = 1250 мм.
Список використаної літератури
1.Е.Ф.Епштейн Буріння свердловин гідроударниками та пневмоударниками. М: Надра, 1967.
2 Д. П. Лобанов, В. Б. Горовіц, Є. Г. Фонберштейн та ін. Машини ударної дії для руйнування гірських порід. - М.; Надра, 1983. – 152с
3. Суханов А. Ф. та ін. Руйнування гірських порід вибухом. М:Надра 1983 року.