Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы, цель и задачи исследований 14
1.1. Гидромеханические исполнительные органы проходческих комбайнов и их практическое применение 14
1.2. Анализ схемы компоновки и конструкции гидромеханических исполнительных органов со встроенным в режущую коронку преобразователем давления 31
1.3. Анализ схем компоновки и особенности гидравлических систем исполнительных органов с автономным источником воды высокого давления., 38
1.4. Анализ результатов исследований динамики гидросистем высокого давления 49
1.5. Основные положения и анализ результатов исследований гидромеханического способа разрушения породного массива 61
1.6. Цель и задачи исследований 77
2. Теоретические исследования по выбору и обоснованию параметров и режимов работы гидромеханических исполнительных органов 80
2.1. Установление взаимосвязи габаритных размеров встраиваемого в режущую коронку преобразователя давления с его параметрами и и параметрами исполнительного органа 80
2.2. Математическая модель процесса работы встроенного в режущую коронку преобразователя давления и результаты теоретических исследований 91
2.3. Анализ гидросистемы исполнительного органа с автономным источником воды высокого давления, выбор расчетной схемы математической модели и основные допущения 107
2.4. Построение математической модели гидродинамических колебаний воды в исполнительных органах с автономным источником воды высокого давления 116
2.5. Расчет частоты собственных колебаний воды в гидросистеме высокого давления исполнительных органов с автономным источником.. 134
2.6. Результаты теоретических исследований процесса работы гидросистемы высокого давления исполнительных органов с автономным источником 139
Выводы 156
3. Разработка метода расчета нагруженности тангенциальной дисковой шарошки, перекатывающейся пощели, при разрушении породного массива ... 160
3.1. Математическая модель разрушения породного массива тангенциальной дисковой шарошкой, перекатывающейся по щели. 160
3.2. Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований разрушения горных пород шарошкой
3.3. Анализ формирования нагрузок на тангенциальной дисковой шарошке, перекатывающейся по щели, при разрушении породного массива 189
3.4. Вывод расчетных формул для определения нагруженности шарошки при гидромеханическом разрушении породного массива ...207
Выводы 225
4. Экспериментальые исследования по определению параметров, режимов работы и оценке работоспособности элементов и узлов гидросистем высокого давления исполнительных органов... 228
4.1. Экспериментальные исследования процесса работы гидросистемы исполнительного органа со встроенным в режущую коронку преобразователем давления 228
4.1.1. Стенд-модель для отработки системы взвода блока мультипликаторов преобразователя давления и ее параметров ...228
4.1.2. Выбор рациональной схемы системы взвода поршней блока блока мультипликаторов преобразователя давления . 236
4.1.3. Определение гидромеханического КПД мультипликатора...245
4.1.4. Полноразмерный стенд для исследования работы гидросистемы гидромеханического исполнительного органа 250
4.1.5. Оценка работоспособности элементов и узлов идросистемы гидромеханического исполнительного органа 253
4.1.6. Определение рабочих параметров и КПД гидросистемы 260
4.1.7. Рекомендации по конструкции и размещению основных элементов, узлов и агрегатов гидромеханических исполнительных органов... 270
4.2. Экспериментальные исследования процесса работы гидросистемы высокого давления исполнительного органа с автономным источником воды высокого давления 274
4.2.1. Стендовая база и измерительная аппаратура 274
4.2.2. Результаты экспериментальных исследований и оценка адекватности математической модели 284
В ы воды 291
5. Методики и результаты расчета и проектирования гидромеханических исполнительных органов со встраиваемым в режущую коронку преобразователем давления ...294
5.1. Основные положения ...294
5.2. Методика расчета и оптимального проектирования по встраиванию в режущую коронку заданной конструкции преобразователя давления ...295
5.3. Результаты проектирования по встраиванию в режущую коронку заданной конструкции преобразователя давления и проверочного расчета гидромеханических исполнительых органов для проходческих комбайнов 1ГПКС и КП-25 312
5.4. Методика расчета и оптимального проектирования режущей коронки и встраиваемого в нее преобразователя давления 329
5.5. Результаты проектирования режущих коронок и встраиваемых в них преобразователей давления и проверочного расчета гидромеханических исполнитеьных органов для проходческих комбайнов 1ГПКС и КП-25 334
Выводы 362
6. Методика и результаты расчета и проектирования гидромеханических исполнительных органов с автономным источником воды высокого давления 365
6.1. Основные положения и порядок расчета 365
6.2. Расчет параметров и выбор источника воды высокого давления 367
6.3. Разработка гидравлической схемы системы высокого давления исполнительного органа 368
6.4. Гидравлический расчет цепи системы высокого давления исполнительных органов
6.5. Расчет производительности проходческого комбайна с гидромеханическим исполнительным органом и автономным источником воды высокого давления .379
6.6. Расчет амплитуды колебаний давления воды в гидросистеме высоко-кого давления исполнительного органа 379
6.7. Расчет частоты собственных колебаний воды в гидросистеме 382
6.8. Расчет компенсаторов гидравлического удара 383
6.9. Пример результатов расчета и проектирования гидравлической системы высокого давления исполнительного органа проходческого комбайна КП-25 384
Выводы 389
7. Методика расчета гидромеханических исполнительных органов с тангенциальными дисковыми ша рошками и струями воды высокого давления 391
7.1. Основные положения 391
7.2. Расчет производительности проодческого комбайна при разрушении горных пород различной крепости. 391
7.3. Расчет сил перекатывания и подачи, выбор приводного двигателя и механизма подачи при разрушении горных пород 398
7.4. Пример расчета гидромеханического исполнительного органа проходческого комбайна КП-25 400
Выводы 404
Заключение ...406
Список литературы .411
Приложения
- Анализ схемы компоновки и конструкции гидромеханических исполнительных органов со встроенным в режущую коронку преобразователем давления
- Математическая модель процесса работы встроенного в режущую коронку преобразователя давления и результаты теоретических исследований
- Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований разрушения горных пород шарошкой
- Стенд-модель для отработки системы взвода блока мультипликаторов преобразователя давления и ее параметров
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из наиболее перспективных направлений развития техники и технологии проведения подготовительных выработок является расширение области применения комбайновой проходки на породы повышенной прочности как наиболее эффективной и безопасной. Проводимые в последнее время в России и за рубежом научные исследования, направленные на изыскание новых способов и средств разрушения горных пород, показывают, что повышение производительности проходческих комбайнов без увеличения их габаритов и массы и расширение области их применения может быть достигнуто на основе гидромеханического способа разрушения, заключающегося в комбинированном воздействии на породный массив высокоскоростных струй воды и механического инструмента. Основные результаты исследований этого способа сводятся к изучению различных схем гидромеханического разрушения с применением главным образом режущего инструмента (раскрытию механизма, выбору рациональных параметров и режимов и установлению силовых и энергетических показателей процесса разрушения) и разрабоже струеформирующих устройств и источников воды высокого давления.
Однако этого недостаточно для успешного расчета и проектирования гидромеханических исполнительных органов. Не рассмотрены характерные особенности их компоновочных схем. Не выявлены закономерности функционирования и отсутствуют практические рекомендации по выбору и обоснованию рациональных параметров и режимов работы как отдельных элементов, так и гидравлических систем высокого давления в целом. Не установлена взаимосвязь параметров исполнительных органов и показателей процесса разрушения с параметрами гидравлического оборудования. Не изучена перспектива использования шарошек на исполнительных органах при гидромеханическом разрушении более крепких пород, а следовательно, отсутствует метод расчета их нагруженности. Наличие таких результатов, по- лученных экспериментально и теоретически с использованием методов оптимизации и моделирования, позволило бы усовершенствовать и разработать корректные методики расчета и проектирования гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов,
Таким образом, все это вызывает необходимость проведения широких комплексных исследований, направленных на разработку научно-практических основ расчета и проектирования гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов, и определяет актуальность работы.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом НИР и ОКР ЦНИИПодземмаш (шифр тем 4393004008 и 43000119000), ННЦ ГП -ИГД им.А.А.Скочинского (шифр темы 0143070001(029)/316901), в рамках основного направления "Новые способы разрушения горных пород, технологии проведения горных выработок и бурения скважин" государственной научно-технической программы России "Прогрессивные технологии комплексного освоения топливно-энергетических ресурсов недр России" (ГНТПР "Недра России", 1993-1999 гг.) совместно с ННЦ ГП - ИГД им. А.А, Скочинско-го и фирмой "НИТЕП" (шифр темы 0143060000), в рамках международного гранта Европейского фонда INTAS (проект INTAS 93-3525-ехт) и совместных работ с фирмой "Dredging International N.V." (Бельгия), а также в соответствии с государственным контрактом на выполнение НИР и ОКР Департаментом угольной промышленности Минэнерго РФ (шифр контракта 2003-02-206).
Цель работы. Разработка и совршенствование методов расчета и проектирования гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов, направленных на повышение производительности и расширение области их применения на крепкие породы.
Идея работы заключается в использовании эффекта ослабления породного массива и установленных закономерностей процесса при гидромеханическом воздействии на него, а также взаимосвязей параметров исполни-
7 тельных органов и показателей процесса разрушения с функционированием и параметрами их гидравлических систем высокого давления с учетом особенностей компоновки элементов и узлов последних и разработке и совершенствовании на этой основе способов и средств расчета и проектирования гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов.
Метод исследования - комплексный, включающий научный анализ и обобщение опыта расчета, проектирования и эксплуатации проходческих комбайнов с гидромеханическими исполнительными органами и результатов ранее выполненных работ по гидромеханическому разрушению горных пород; теоретические исследования исполнительных органов, основанные на теории оптимального проектирования; экспериментальные (в стендовых условиях) и теоретические (на базе математического моделирования с применением методов гидродинамики) исследования функционирования гидравлических систем высокого давления исполнительных органов; математическое моделирование разрушения породного массива тангенциальной дисковой шарошкой, перекатывающейся по щели, с использованием методов механики разрушения и теории пластичности; проведение и обработку результатов численных экспериментов с применением методов теории вероятностей и математической статистики, а также методов подобия и размерностей; сопоставление результатов экспериментальных и теоретических исследований.
Научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:
Установлена взаимосвязь параметров исполнительного органа и показателей процесса разрушения горных пород с габаритами, конструктивными и гидравлическими параметрами встраиваемого в режущую коронку преобразователя давления с учетом мощности привода насосного блока источника воды высокого давления, обеспечивающая возможность оптимального проектирования и расчета гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов.
Разработаны, основанные на методах гидродинамики с учетом ежи-
8 жущую коронку преобразователя давления; переходных процессов в гидросистеме высокого давления исполнительных органов с автономным источником воды высокого давления, возникающих при циклическом переключении каналов устройства управления зонным распределением воды, позволяющие соответственно определить закономерности изменения давления воды в высоконапорной полости блока мультипликаторов при перемещении плунжера во времени с учетом ее вязкости; раскрыть и описать механизм образования динамических колебаний давления и скорости течения воды с учетом скорости распространения в ней упругой волны, конструктивных особенностей механизма распределения воды и управления потоком и деформаций трубопроводов, а также рассчитать амплитуду и частоту этих колебаний, и являющиеся базой для их проектирования.
3. Разработана математическая модель разрушения породного массива тангенциальной дисковой шарошкой, перекатывающейся по щели, основанная на решении краевой задачи линейной механики разрушения и позволяющая определять нагруженность инструмента.
, 4. Установлены закономерности формироваания нагрузок на тангенциальной дисковой шарошке, перекатывающейся по щели, при гидромеханическом разрушении породного массива с учетом геометрических параметров шарошки и ее ориентации, параметров режима разрушения, глубины щели и прочностных свойств пород.
5. Разработан метод определения нагрузок на тангенциальной дисковой шарошке, перекатывающейся по щели, при разрушении породного массива, обеспечивающий возможность расчета и выбора параметров гидромеханиче ских исполнительных органов проходческих комбайнов.
6. Установлены закономерности режимов взвода и срабатывания поршней блока мультипликаторов преобразователя давления, встроенного в режущую коронку, обеспечивающие обоснование параметров системы взво да и давления слива рабочей жидкости, и зависимости рабочих параметров и КПД гидросистемы такого исполнительного органа от мощности, отдаваемой насосом приводной маслостанции, а также изучены переходные процессы при переключении зон подачи рабочей жидкости, позволившие обосновать-эффективность его компоновочной схемы.
Установлены закономерности процесса динамических колебаний воды в гидросистеме высокого давления исполнительных органов в зависимости от ее параметров и режимов работы, а также компоновки последних, обусловленной взаимным расположением источника воды высокого давления, устройства управления ее зонным распределением и режущей коронки, позволившие выявить наиболее рациональные конструктивные решения исполнительных органов, исключающие, в частности, резонансные явления в гидросистеме.
Получены закономерности изменения теоретической производительности (в том числе и максимальной) и удельных энергозатрат при разрушении горных пород различной прочности гидромеханическими исполнительными органами с учетом типа инструмента от гидравлических и энергетических параметров источников воды высокого давления для различных условий их применения и проектирования совместно с режущими коронками, обеспечивающие обоснование расширения области применения серийных проходческих комбайнов на более крепкие породы.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: корректностью постановки задач исследований; корректным использованием апробированных методов гидродинамики, механики разрушения и теории пластичности, а также методов расчета исполнительных органов проходческих комбайнов; достаточным и статистически обоснованным объемом и представительностью выполненных численных экспериментов и экспериментальных исследований в стендовых условиях; - корректным применением методов теории вероятностей и математической статистики, а также методов подобия и размерностей при обработке и
10 анализе экспериментальных данных и удовлетворительной сходимостью (в пределах 10 %) результатов теоретических и экспериментальных исследований; - опытом использования основных положений методик расчета и проектирования гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов в проектных и научных организациях.
Научное значение работы заключается в установлении основных закономерностей процесса разрушения породного массива тангенциальной дисковой шарошкой, перекатывающейся по щели, и функционирования гидравлических систем высокого давления, а также взаимосвязей параметров последних с показателями процесса разрушения горных пород и параметрами исполнительных органов, развитии на этой основе теории гидромехани-ечского разрушения горных пород и разработке и совершеноствовании методов расчета и проектирования гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов, позволяющих находить их рациональные компоновочные решения, выбирать и оптимизировать параметры, а также определять рациональные режимы работы и условия применения.
Практическое значение работы: разработаны и реализованы на персональном компьютере пакеты расчетных программ по математическому моделированию процесса работы встроенного в режущую коронку преобразователя давления, динамических переходных процессов в гидросистеме высокого давления исполнительных органов и гидромеханического разрушения горных пород тангенциальной дисковой шарошкой и струей воды высокого давления; получены расчетные зависимости для определения усилий, действующих на тангенциальную дисковую шарошку, перекатывающуюся по щели, при гидромеханическом разрушении горных пород; выбрана рациональная схема системы взвода поршней блока мультипликаторов, для которой определены рациональные гидравлические параметры, обоснована и экспериментально подтверждена эффективность работы
11 как отдельных элементов и узлов, так и в целом гидросистемы гидромеханических исполнительных органов, а также выработаны рекомендации по параметрам, конструктивному исполнению и размещению их основных элементов; разработаны и усовершенствованы методики расчета и проектирования (в том числе и оптимального) гидромеханических исполнительных органов с учетом основных схем взаимной ориентации высокоскоростной струи воды и резца или тангенциальной дисковой шарошки, компоновки гидросистемы высокого давления и размещения источника воды высокого давления для проходческих комбайнов избирательного действия; спроектированы преобразователи давления, встраиваемые в серийные коронки, а также новые режущие коронки и встраиваемые в них преобразователи давления с мощностью привода насосного блока 70 и 35-220 кВт соответственно с учетом основных схем гидромеханического разрушения горных пород для серийных проходческих комбайнов 1ГПКС и КП-25; разработана гидравлическая система высокого давления для исполнительного органа проходческого комбайна КП-25 с автономным источником воды высокого давления с мощностью привода 280 кВт.
Реализация результатов работы. Пакеты расчетных программ для персонального компьютера по математическому моделированию процесса работы встроенного в режущую коронку преобразователя давления, нестационарных динамических процессов в гидросистеме высокого давления исполнительных органов и гидромеханического разрушения горных пород тангенциальной дисковой шарошкой и струей воды высокого давления; методики расчета и проектирования гидромеханических исполнительных органов проходческих комбайнов со встроенным в режущую коронку преобразователем давления, автономным источником воды высокого давления и тангенциальными дисковыми шарошками и струями воды высокого давления; спроектированные преобразователи давления, встраиваемые в режущие коронки комбайнов 1ГПКС и КП-25, с мощностью привода насосного блока 70 кВт,
12 а также коронки и встраиваемые в них преобразователи давления с мощностью привода насосного блока 35-220 кВт для тех же проходческих комбайнов используются фирмой "НИТЕП" при создании образцов новой техники.
Методики расчета и проектирования и результаты исследований использованы, в частности, при разработке фирмой "НИТЕП" конструкторской документации на гидромеханический исполнительный орган с тангенциальными дисковыми шарошками и со встроенным в него преобразователем давления с мощностью привода насосного блока 140 кВт для проходческого комбайна КП-25 и опытный образец гидромеханического исполнительного органа со встроенным в режущую коронку преобразователем давления с мощностью привода насосного блока 160 кВт для проходческого комбайна 1ГПКС соответственно.
Кроме того, результаты исследований внедрены в учебные курсы "Проектирование и конструирование горных машин и комплексов" и "Гидромеханическое, разрушение горных пород" для студентов Тульского государственного университета (ТулГУ), обучающихся соответственно по специальности 170100 и программе 550612 "Горные машины и оборудование", а также "Гидроструйные технологии в горной промышленности" для аспирантов, обучающихся по научной специальности 05.05.06 "Горные машины". Пакеты расчетных программ используются при курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях молодых ученых "и специалистов института ЦНИИподземмаш (г. Москва, 1986-1988 гг.), ЛГИ им. Г.В.Плеханова (г. Ленинград, 1986 и 1987 гг.) и ТулГУ (г. Тула, 2002 г.); научных семинарах ТулГУ (г. Тула, 1986-1991, 1998, 2000-2003 гг.), института ЦНИИподземмаш (г. Москва, 1986-1991 гг.), ННЦ ГП - ИГД им. А.А. Скочинского (г. Москва, 1988-1990 гг.) и Северо-Кавказского научного центра высшей школы (г. Ростов-на-Дону, 1992 г.); технических советах ПО "Тулауголь" (г. Тула, 1986-1992 гг.), фирмы "НИТЕП" и ОАО "Скуратовский экспериментальный за-
13 вод" (г. Тула, 1992-2003 гг.) и Минэнерго РФ (г. Москва, 2002 и 2003 гг.); 2-ой Международной конференции по проблемам рационального природопользования "Проблемы создания экологически рациональных и ресурсосберегающих технологий добычи полезных ископаемых и переработки отходов горного производства" (г. Тула, 2002 г.); 16-ой Международной конференции по гидроструйньш технологиям (Франция, г. Прованс, 2002 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано самостоятельно и в соавторстве 39 работ, в том числе 3 монографии и 10 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов и заключения, изложенных на 265 страницах машинописного текста, содержит 120 рисунков, 41 таблицу, список использованной литературы из 186 наименований и 2 приложения.
Анализ схемы компоновки и конструкции гидромеханических исполнительных органов со встроенным в режущую коронку преобразователем давления
Схема компоновки гидромеханического исполнительного органа представлена на рис. 1.9 [1, 50]. Преобразователь давления, встроенный непосредственно в коронку 1, представляет собой несколько мультипликаторов 2, каждый из которых состоит из масляного 3 и водяного 4 цилиндров и подает воду к своей группе резцов. Рабочую жидкость (масло) направляют к мультипликаторам насосом 5 с помощью цапфового распределителя 6, служащего Рис. 1.9. Схема компоновки гидромеханического исполнительного органа со встроенным в режущую коронку преобразователем давления одновременно гидросъемником (распределители такого типа хорошо отработаны и широко применяются в радиально-поршневых гидромашинах). Воду-подают в высоконапорную полость мультипликаторов центробежным насосом 7 с помощью гидросъемника 8. Обратный ход (зарядка) мультипликаторов осуществляют посредством воды или масла низкого давления от гидросистемы взвода. Взвод мультипликаторов можно выполнить от отдельного источника давления масла или от водяного насоса. При этом в магистрали взвода можно использовать гидроаккумулятор. Критерием оценки применения той или иной гидросистемы взвода мультипликаторов служит четкость срабатывания последних при минимальных давлении взвода и его пульсации. На рис. 1.9 показана зарядка мультипликаторов от водяного насоса без гидроаккумулятора. Обратные клапаны 9 служат для предотвращения перетоков воды. Низконапорную (масляную) полость каждого мультипликатора соединяют с каналами, выполненными во вращающейся обойме 1 цапфового распределителя (рис. 1.10), обойма вращается синхронно с коронкой. Каналы обоймы 1 при ее вращении попеременно соединяются с напорной полостью 2 и сливной полостью 3 неподвижной цапфы 4. При соединении мультипликатора с напорной магистралью осуществляется нагнетание воды в породораз-рушающий инструмент, при соединении со сливной магистралью осуществляется зарядка мультипликатора. Поворотом неподвижной (не вращающейся) цапфы распределителя осуществляется регулировка механизма зонной подачи в зависимости от того, какая часть коронки контактирует с забоем. Регулировка механизма зонной подачи может также осуществляться при помощи гидрораспределителей управления зонами. В этом случае поворот неподвижной цапфы не производится.
Применение такой схемы компоновки гидромеханического исполнительного органа позволяет все мероприятия, связанные с подачей воды, ее очисткой и зонным распределением осуществлять на участке гидросистемы с низким давлением рабочей жидкости (до 25 МПа), тогда как давление воды на гидромеханическом инструменте может изменяться до Рис. ЇЛО. Цапфовый гидрораспредеяитель величины 250 МПа. В то же время практически нет конструктивных ограничений для дальнейшего повышения давления, вплоть до величины 350МПа и более. Это объясняется тем, что здесь под высоким давлением работает лишь небольшое число элементов (уплотнительные манжеты, гидромеханический инструмент).
В целом такая схема компоновки гидромеханического исполнительного органа отличается высоким уровнем унификации и конструктивной преемственности. Практически все основные ее узлы применяются в различных отраслях техники, а их конструктивные параметры и технические характеристики подробно описаны в технической литературе. Еще одним важным преимуществом данной схемы, существенно повышающем безопасность работ, является то, что высокое давление создается непосредственно в коронке и магистрали воды высокого давления не проходят по всему комбайну. Все это позволяет говорить о высокой надежности этой схемы и безопасности людей при ее эксплуатации. Однако широкое использование гидромеханических исполнительных органов со встроенным в режущую коронку преобразователем давления сдерживается рядом проблем, решению которых до настоящего времени не уделялось должного внимания.
Гидравлическая часть исполнительного органа со встроенным в режущую коронку преобразователем давления (см. рис. 1.9) образует довольно сложную систему, на эффективную работу которой влияет большое количество параметров [1, 3, 6]. Поэтому возникает необходимость в проведении не только теоретических, но и экспериментальных исследований по установлению закономерностей изменения давления воды в преобразователе при перемещении плунжера, выбору рациональной гидравлической схемы и рациональных параметров (прежде всего давления жидкости) системы взвода блока мультипликаторов и оценке общей работоспособности исполнительного органа со встроенным в коронку преобразователем давления, связанной в первую очередь с определением рабочих параметров и КПД гидравлической части исполнительного органа, а также изучением переходных процессов, возникающих в гидросистеме при переключении зон подачи воды. Все это позволит более обоснованно подойти к расчету и проектированию таких исполнительных органов.
Очевидно, что существуют ограничения по встраиванию преобразователя давления в режущую коронку [1, 3]. Во-первых, это ограничения, связанные непосредственно с ее геометрией, а во-вторых, ограничения, обусловленные размерами стрелы исполнительного органа, на которой и размещается преобразователь давления. Вместе с тем из анализа схемы компоновки исполнительного органа со встроенным в режущую коронку преобразователем давления [1, 3, 6] и рис. 1.9 следует, что ход штока мультипликатора и количество жидкости, поступающей в мультипликатор за время рабочего хода, будут зависеть от кинематики исполнительного органа (частоты его вращения), а также числа мультипликаторов. А ход штока и число мультипликаторов, главным образом, и определяют как габаритные размеры преобразователя давления, так и его конструкцию, а следовательно, влияют на встраиваемость преобразователя давления в исполнительный орган.
Кроме того, известно, что эффективность гидромеханического разрушения, в частности с точки зрения снижения нагруженности инструмента, во многом зависит от давления и расхода высокоскоростной струи воды [1, 10, 14, 16, 51, 52 - 54]. Эти параметры в свою очередь определяются гидравлической мощностью встраиваемого в коронку преобразователя давления [55], которая также напрямую связана с его габаритами. В табл. 1.1 представлены разработанные фирмой "НИТЕГГ при участии автора [2] типоразмерный и параметрический ряды источников воды высокого давления [2, 4, 5, 56].
Параметрический ряд образован из десяти исполнений преобразователя давления (по признаку кратности преобразуемого низкого давления масла в высокое давление воды), а типоразмерный - из семи типов приводных насосных станций (в зависимости от мощности привода).
Математическая модель процесса работы встроенного в режущую коронку преобразователя давления и результаты теоретических исследований
Расчетная схема [126] представлена на рис. 2.7. Из анализа схемы компоновки встроенного в режущую коронку преобразователя давления следует, что в течение половины периода Т {Т- 1/пио, где пио частота вращения) в полости Л правого мультипликатора находится масло под давлением нагнетания (рабочим давлением) Рр. При этом поршень движется к периферии кольца и перегоняет масло, находящееся в полости В под давлением взвода Рез, в полость В поршней левого мультипликатора, находящихся под давлением слива Рсл. Кроме того, поршень сжимает воду, находящуюся в полости С правого мультипликатора, и заставляет ее вытекать с большой скоростью через отверстие в струеформирующей насадке, образуя высокоскоростную струю воды. В течение второй половины периода мультипликаторы меняются местами и в полости А находится масло под давлением слива Рсд, причем Рсд « Рр, Поршень, на который действует давление взвода Р , движется к центру и к концу полупериода приходит в исходное положение.
Математическая модель строится на следующих допущениях: - число поршней при общем их количестве 10 четное, что сводит к минимуму отклонения режима их движения от стационарного; - возмущения стационарного процесса, связанные с переключением режимов работы полостей А с режима нагнетания на режим слива и наоборот, невелики, и ими, в первом приближении, можно пренебречь.
Эти два допущения дают возможность разделить общее число поршней на пары, находящиеся в противофазах. В течение определенного промежутка времени, равного половине периода, один из поршней пары находится в режиме нагнетания, а другой - в режиме слива. В течение следующего промежутка времени, также равного половине периода, картина меняется на зер масло
Схема движения поршня с плунжером в преобразователе давления: полости А, В и С - полости нагнетания (слива), взвода и высокого давления соответственно кально противоположную: первый поршень находится в режиме слива, а второй - в режиме нагнетания. Второе допущение позволяет считать, что движение некоторой пары поршней, находящихся в противофазах, происходит так, как если бы остальных поршней не было вовсе. Необходимо отметить, что второе допущение выполняется тем точнее, чем больше поршней содержится в преобразователе давления. Кроме того, из принятых допущений следует, что давление в полости А некоторого поршня можно считать кусочно-постоянной функцией времени (рис. 2.8), а давление взвода Рвз (давление в полости В) -постоянным.
Расчетная схема движения поршня с плунжером во время нагнетания масла в полость А изображена на рис. 2.9, а расчетная схема движения поршня с плунжером во время процесса слива - на рис. 2.10.
Чтобы определить зависимость давления воды в камере высокого давления от времени следует использовать уравнения гидродинамики [127]. Будем рассматривать воду в камере высокого давления как осесиммет-ричный нестационарный поток идеальной сжимаемой жидкости.
Введем следующее допущение: течение в полости С (см. рис. 2.11) протекает в квазистационарном режиме. Это значит, что изменения в режиме течения, происходящие в крайнем левом сечении полости - на границе с плунжером, мгновенно достигают крайнего правого сечения - струи воды. Такое допущение приемлемо, если скорость поршня на много меньше скорости распространения волн в воде. Уравнение (2.44) вместе с уравнением (2.18) образуют систему дифференциальных уравнений относительно неизвестных функций времени x(t) и P0(t). Так как уравнение (2.44) нелинейно, аналитическое решение этой системы получить нельзя. Для построения алгоритма численного решения преобразуем систему уравнений (2.18) и (2.44) к системе трех уравнений первого порядка.
Анализ графиков показывает, что при движении плунжера мультипликатора происходят двухкратные забросы давления воды, сопровождающиеся вибрированием плунжера и резко уменьшающиеся в течение первых 0,15 с. Затем процесс стабилизируется и дальнейший рабочий ход (t = 0,35 с) протекает при постоянном давлении воды и равномерном движении поршня. Указанные явления необходимо учитывать при расчетах эксплуатационной на-груженности элементов гидромультипликатора и рабочего хода плунжера. Ниже будет показано, что теоретическое значение Р0 142 МПа при t 0,15 (см. рис. 2.12, а) удовлетворительно согласуется с экспериментальным Р0 -134 МПа (табл. 4.2 - отклонение составляет 10 %), а ход плунжера (см. рис. 2.12, б) h = 51 мм при конструктивном значении h = 60 мм.
Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований разрушения горных пород шарошкой
Моделирование процесса гидромеханического разрушения породного массива тангенциальной дисковой шарошкой, перекатывающейся по щели, потребовало, как обычно это принято, некоторой идеализации, т.е. введения ряда предположений. Поэтому наиболее правильным в таком случае является сравнение результатов теоретических исследований, выполненных по модели, с закономерностями процесса разрушения пород, установленными экспериментально [122, 123], и таким образом оценка адекватности этой модели реальному процессу. Исходными данными для выполнения расчётов по разработанной математической модели являются следующие величины: - геометрические параметры шарошки - радиус R (мм), угол заострения 5 (град) и радиус закругления рабочей кромки р (мм); -заднийугол х(град); - режимные параметры процесса разрушения - высота разрушаемого уступа И (мм) и шаг разрушения t (мм); - глубина щели кщ (мм); - контактная прочность горных пород Рк (МПа).
В результате расчёта по математической модели определяем: рх - боковое усилие, Н; Ру - усилие подачи, Н; Рг - усилие перекатывания, Н.
С целью проверки адекватности математической модели результатам экспериментальных исследований [122, 123] был проведен расчёт усилий, действующих на шарошку, работающую без ослабляющей породный массив щели в следующих диапазонах изменения параметров: t = 2 -.11 мм, Н= 20-100 мм и - 700 - 1200 МПа(сгсж= 80-ПО МПа.) [149]. В расчетах значение Нщ = 0 принято в связи с отсутствием экспериментальных данных по разрушению породного массива тангенциальной дисковой шарошкой, перекатывающейся по нарезаемой высокоскоростной струей воды щели. Правомерность такого подхода объясняется, во-первых, тем, что этот вариант является одним из частных случаев предложенной в работе математической модели процесса разрушения породного массива, а во-вторых, тем, что значения других параметров, входящих в математическую модель в качестве исходных (R, S, р и у), так же, как и при проведении экспериментов [122, 123], принимались постоянными и составляли: R = 107,5 мм, S= 45, р 1,5 мм и у=10.
На базе этих результатов был проведён сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных по определению усилий Рх, Ру и Pz, Действующих на тангенциальную дисковую шарошку, при варьировании шага разрушения t от 2 до 11 мм. В целом, как видно из рис. 3.6 и табл. 3.3, можно отметить, что имеет место удовлетворительная сходимость теоретических и экспериментальных результатов. При варьировании параметра t среднее значение относительной погрешности результатов теоретических и экспериментальных исследований (см. табл. 3.3) по показателю Рх не превышает 6,2 %, по Ру - 4,4 % и Р2 - 7,3 %.
На основе результатов, представленных на рис. 3.7 и в табл. 3.4, которые отражают влияние высоты уступа Я в интервале от 20 до 100 мм на нагруженность тангенциальной дисковой шарошки при / - 4,1 мм (см. рис. 3.7, а) и / 11 мм (см. рис. 3.7, б), было проведено сравнение теоретических и экспериментальных значений усилий Рх Ру и Рг, действующих на тангенци 187 альную дисковую шарошку, при разрушении породного массива с Рк = 1170 МПа. Средняя величина относительной погрешности результатов (см. табл. 3.4) при варьировании высоты уступа Я по показателю Рх не превышает 7,5% ; по Ру - 5,7 % и Pz - 7 %.
Таким образом, результаты проведенных сравнительных исследований показывают удовлетворительную сходимость экспериментальных и теоретических данных (см. табл. 3.3 - 3.5). Величина отклонения этих значений, характеризующаяся относительной погрешностью, для всех опытов в среднем составила для бокового усилия Рх - 7,6 %, усилий подачи Ру и перекатывания Pz - 6,8 %. Это свидетельствует о правомерности и обоснованности принятых допущений при моделировании процесса разрушения. Следовательно, разработанная математическая модель адекватно описывает процесс разрушения породного массива тангенциальной дисковой шарошкой и может быть использована для расчета усилий, действующих на шарошку, перекатывающуюся по нарезаемой струёй воды щели.
Для оценки степени влияния высоты уступа #, шага разрушения t, контактной прочности Рк, радиуса шарошки R, угла заострения 8, заднего угла у, радиуса закругления рабочей кромки р и глубины щели Ь,щ на боковое усилие Рх, усилие подачи Ру и усилие перекатывания Pz, а также определения эффективности гидромеханического разрушения были проведены численные эксперименты. В экспериментах отношение — изменялось в пределах от 2 до 20 (наиболее характерный диапазон 5 - 10) [123]. Под эффективностью гидромеханического разрушения в дальнейшем будем понимать снижение нагрузок Рх, Ру и Pz, действующих на шарошку, по сравнению с механическим разрушением.
Результаты по расчету нагрузок Рх, Ру и PZi действующих на тангенциальную дисковую шарошку, как при механическом, так и гидромеханическом способах при изменении шага разрушения / от 4 до 10 мм приведены в табл. 3.6 и отражены на рис. 3.9. При этом численные эксперименты проводились при R = 85 мм, 8 = 45, у 10 и р =2,5 мм. Контактная прочность составляла 700 и 2200 МПа, а высота уступа Н принималась равной 30 и 50 мм. При гидромеханическом разрушении глубина щели Ь.щ составляла 2 мм.
Из рис. 3.9 видно, что с увеличением t в указанном диапазоне усилия Рх, Ру и Pz, действующие на шарошку, при разрушении породного массива как сРк = 700 МПа (см. рис. 3.9, а), так и Рк = 2200 МПа (см. рис. 3.9, б) возрастают. При этом рост нагрузок наблюдается как при механическом, так и гидромеханическом разрушении.
Стенд-модель для отработки системы взвода блока мультипликаторов преобразователя давления и ее параметров
Для отработки параметров системы взвода блока мультипликаторов гидромеханического исполнительного органа с зонной подачей воды был разработан стенд-модель (рис. 4.1), представляющий собой приводной вал 1, на одном конце которого размещали блок мультипликаторов 2 гидромеханического рабочего органа, а на другом - гидросъемник 3 и гидрораспределитель 4 для подачи рабочей жидкости (воды и масла соответственно) через вращающийся вал привода к гидромультипликаторам. Вал устанавливали в подшипниковые опоры 5, размещенные на сварной металлической раме 6.
Привод вращения вала осуществляли через клиноременную передачу 7 аксиально-поршневым гидромотором НПА-64 8, запитанным от маслостан-ции МС-1 9. Регулировку скорости вращения вала производили с помощью дроссель-регулятора ПГ-55 10, включенного в напорную магистраль масло-станции привода вращения. Подачу воды к мультипликаторам осуществляли через гидросъемник 3 от центробежного водяного насоса ЦНС-38 11 (расход воды 600 л/мин и давление ее при запитке 2,3 МПа), а подачу масла - через цапфовый распределитель 4 от маслостанции ПК-200 12 (насос РНАС 90/320 с электродвигателем мощностью 55 кВт).
Блок гидромультипликаторов представлял собой три одинаковых мультипликатора, каждый из которых (рис. 4.2) состоял из двух толстостенных стальных цилиндров с внутренним диаметром 80 и 55 мм. Внутри цилиндров находился поршень с плунжером 1 диаметром 35 мм и максимальным ходом hmax= 90 мм. Цилиндр большого диаметра 2 служил масляной полостью низкого давления, а цилиндр меньшего диаметра 3 - водяной полостью высокого давления. Принцип мультипликации заключается в том, что при действии низкого давления со стороны дифференциального поршня с большей площадью получают высокое давление со стороны поршня с меньшей площадью. При выборе числа мультипликаторов в блоке учитывали, что его работа с четным числом мультипликаторов аналогична работе двустороннего мультипликатора [57], а небольшое количество мультипликаторов предусматривали для того, чтобы усилить динамику гидравлических процессов, происходящих в гидросистеме во время ее работы.
Гидравлическая схема блока гидромультипликаторов представлена на рис. 4.3. и состоит из трех мультипликаторов 1, управляющего элемента (гидрораспределителя) 4, взводящего коллектора 2, коллектора рабочей жидкости (воды) 14 и рабочего трубопровода (коллектора) 3. Блок мультипликаторов работает следующим образом. Масло под рабочим давлением подается по напорному трубопроводу 5 через управляющий элемент и рабочий коллектор в полость низкого давления мультипликаторов 7. Дифференциальные поршни 8.двигаются из крайнего правого положения в крайнее левое, осуществляя таким образом рабочий ход. При этом в камере высокого давления 10 сжимается рабочая жидкость, которая через канал 12 подается к гидромеханическому инструменту 13.
Такое чередование режимов работы блока мультипликаторов удобно при распределении высоконапорной воды в исполнительных органах проходческих комбайнов избирательного действия, для которых характерно, что в процессе разрушения участвуют не все резцы, а только часть из них, и в течение одного оборота исполнительного органа каждый из резцов осуществляет холостой и рабочий ход (процесс разрушения). Другими словами, если резец осуществляет холостой ход, то гидромультипликатор взводится, а если инструмент вступает в контакт с разрушаемой породой, то гидромультипликатор осуществляет рабочий ход и к гидромеханическому инструменту подается вода под высоким давлением.
В процессе экспериментальных исследований на стенде-модели были исследованы три схемы с различными системами взвода поршней гидромультипликаторов [161]: - взвод осуществляется действием давления воды в камере высокого давления на плунжер гидромультипликаторов (см. рис. 4.1); - вода подается одновременно и в рабочие камеры высокого давления, и в штоковые полости гидромультипликаторов. При этом штоковые полости гидравлически соединены между собой взводящим коллектором (см. рис. 4.1); - масло подается в штоковые полости гидромультипликаторов, гидравлически соединенные взводящим коллектором (см. рис. 4.3).
При этом критерием оценки применения той или иной системы взвода является четкость срабатывания мультипликаторов при минимально возможном давлении взвода и минимальной его пульсации. Для контроля взвода и срабатывания гидромультипликатора, а также для определения хода и скорости движения поршня на цилиндре большего диаметра был смонтирован датчик перемещения 16 (см. рис. 4.1).
Корпус 1 датчика (рис. 4.4) размещали на крышке цилиндра. В корпусе устанавливали переменное сопротивление 2 с закрепленным на его оси роликом 3, который посредством системы гибких тяг 4 и стального штока 5 через отверстие в крышке жестко связан с поршнем 6 гидромультипликатора 7. Принцип действия датчика перемещения заключается в преобразовании поступательного движения рабочего элемента (дифференциального поршня) во вращательное движение ведущего элемента (ролика). При этом в зависимости от направления движения поршня происходит соответствующее увеличение или уменьшение электрического сопротивления, что, в свою очередь, приводит к изменению тока в цепи сопротивления. Этот процесс на графике перемещения имел вид наклонной линии, тангенс угла касательной к которой соответствовал скорости перемещения дифференциального поршня.
Для измерения давления масла в поршневой и сливной полостях гидромультипликаторов стенда (см. рис. 4.1) в процессе взвода и срабатывания, а также для измерения давления воды в полости цилиндра меньшего диаметра использовали тензоманометры 17, 18 и 19, установленные соответственно через тройники 20, 21 и 22 в напорной и сливной магистралях маслостанции, а также во взводящем коллекторе гидромультипликаторов.
