Введение к работе
Актуальность темы. Применение бестраншейных методов замены подземных водоотводящих коммуникаций в России и за рубежом обусловлено ведением работ на ограниченных участках городских территорий, включающих транспортные магистрали, различного назначения, строительные объекты и площадки, а также высокой стоимостью проведения работ траншейными методами, которые могут оказаться неоправданными по экономическим расходам на восстановление территорий городского ландшафта. Устройство траншей в некоторых случаях (пожаро- и взрывоопасные объекты) просто недопустимо.
Учитывая, что на территории Российской Федерации ежегодной замене подлежит значительная протяженность сетей водоот-ведения, становится очевидно, что решением проблемы своевременной замены трубопроводов водоотведения может быть применение бестраншейных методов. Учитывая отмеченное, исследования направленные на разработку комплектов оборудования с улучшенными техническими, энергетическими и эргономическими характеристиками являются актуальными.
Данная работа выполнялась по научному направлению гос. per. № 01940009360 Новосибирского государственного архитектурно - строительного университета "Разработка на основе импульсных систем новых и повышение эффективности существующих ручных машин и инструментов, применяемых в промышленном, гражданском и сельскохозяйственном строительстве в условиях Сибири", гранта МО РФ "Разработка научных основ ба-ро- и термодинамической модели дроссельной пневматической машины ударного действия для технологических процессов в строительном комплексе" (№ 98-21-4; 6-146) "Разработка научных основ создания пневматической машины ударного действия с форсажем рабочего процесса" (№ ТОО-12.4-27). "Исследование механизма трансформации энергии воздуха в работу и баро- и термодинамическая теория поршневой машины ударного действия" (МО 1.3.04). Материалы исследований докладывались на ВНТК Новосибирского государственного архитектурно - строительного университета (Новосибирск, 2006 - 2011 г), ВНТК (г. Рубцовск), Расширенном научно - техническом семинаре (г. Самара, 2011 г).
Целью работы является разработка дроссельного пневматического механизма машины ударного действия для бестраншейной замены трубопроводов водоотведения с улучшенными эргономическими, техническими и энергетическими характеристиками.
Идея работы заключается в улучшении показателей рабочего цикла пневматической машины ударного действия за счет применения камеры форсажа, расположенной со стороны камеры холостого хода.
Объект исследований. Пневматические машины ударного действия для проходки подземных скважин, протяжки труб водоотведения бестраншейным методом для эксплуатации в городских условиях.
Предмет исследований. Зависимости энергетических параметров от геометрических соотношений рабочих объемов камер и проходных сечений впускных дроссельных каналов, координат расположения элементов системы форсажа и выпускных каналов дроссельного пневматического ударного механизма.
Задачи исследования.
-
Обоснование направлений совершенствования существующих пневмоударных машин для реконструкции инженерных коммуникаций водоотведения.
-
Выбор и обоснование принципиальной схемы пневматического ударного механизма
-
Исследование взаимозависимостей параметров рабочего процесса пневматического ударного механизма.
-
Определение рациональных соотношений энергетических параметров рабочего процесса и уточнение методики инженерного расчета пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода.
-
Создание экспериментального образца пневматического ударного механизма, и его исследование в лабораторных условиях.
Методы исследований. В работе применялся комплекс методов: статический анализ и обобщение результатов известных опытов; теоретические разработки с использованием методов механики; математическое и физическое моделирование рабочего процесса пневматического ударного механизма с целью установления рациональных соотношений между энергетическими и геометрическими параметрами; экспериментальные исследования
эффективности разработанного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода и сопоставление результатов с полученными другими в подобных исследованиях.
Основные научные положения, защищаемые автором:
-
Уменьшение габаритных размеров и массы, дроссельного пневматического ударного механизма, у которого длина ударника не зависит от величины его хода и ударник является единственной подвижной деталью в системе воздухораспределения достигается применением камеры форсажа холостого хода и подвижной центральной трубки воздухоподвода, при этом энергия и частота ударов повышается до 10 %.
-
Устойчивость энергетических параметров механизма с камерой форсажа холостого хода достигается выбором его рациональных геометрических параметров и обеспечивается следующими значениями геометрических соотношений: объёмов камер холостого хода и форсажа от 3 до 5; площадей проходных сечений дросселя впуска из предкамеры в камеру форсажа и дросселя впуска в камеру холостого хода от 8 до 10; площадей проходных сечений дросселей впуска и выпуска из камеры форсажа и дросселя впуска из предкамеры в камеру форсажа холостого хода от 5 до 7; координат начала впуска воздуха из камеры форсажа в камеру холостого хода и начала выпуска воздуха в атмосферу из камеры холостого хода от 0,3 до 0,5.
3. Увеличение энергии единичного удара до 19 %, частоты ударов до 5 %, удельного расхода воздуха до 22 % и удельного съема мощности с единицы площади ударника до 14 %, достигается при коэффициенте отскока ударника от хвостовика рабочего инструмента от 0,1 до 0,4 в диапазоне изменения соотношения координат начала впуска воздуха из камеры форсажа в камеру холостого хода и начала выпуска в атмосферу из камеры холостого хода от 0,2 до 0,5.
Достоверность научных положений. Основана:
анализом направлений совершенствования пневматических ударных механизмов с воздухораспределением ударником (по патентным материалам за период с 1877 по 2011 гг.);
анализом математических моделей и методов расчета рабочих процессов пневматических ударных механизмов машин с различными типами воздухораспределения (за период 1900 - 2011 гг);
сопоставлением параметров рабочего процесса дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода, полученных при аналогичных исследованиях другими авторами;
анализом результатов моделирования рабочих процессов с различными настройками основных энергетических параметров, геометрических соотношений и коэффициентов отскока ударника от рабочего инструмента;
исследованием на ЭВМ и в лабораторных условиях образца пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода и подвижной центральной трубкой воздухоподвода.
Научная новизна заключается:
- в разработке на уровне изобретений (патенты РФ
№№ 2301890, 2327872, 2336989, 2336990) принципиальных схем
дроссельных пневматических ударных механизмов с управляе
мым перепуском воздуха между рабочими камерами и дроссель
ных пневматических ударных механизмов с камерой форсажа хо
лостого хода и подвижной центральной трубкой воздухоподвода;
- в разработке математической модели, описывающей рабо
чий процесс дроссельного пневматического ударного механизма с
камерой форсажа холостого хода с подвижной центральной труб
кой воздухоподвода;
- в установлении взаимозависимостей и закономерностей
между основными энергетическими параметрами и геометриче
скими соотношениями между объемами рабочих камер, площадя
ми проходных сечений дросселей впуска, форсажа и выпуска воз
духа из камер;
- в установлении аналитических и графических зависимостей
для инженерного расчета основных геометрических параметров
дроссельного пневматического ударного механизма с камерой
форсажа холостого хода и подвижной центральной трубкой воз
духоподвода в диапазоне до трех порядков изменения энергии
единичного удара, приемлемого для конкретных условий эксплуа
тации машин ударного действия.
Практическая значимость заключается в разработанной инженерной методике расчета дроссельного пневматического ударного механизма с заданной структурой ударной мощности с камерой форсажа холостого хода пневматической машины удар-
ного действия для реконструкции систем водоотведения бестраншейным методом для эксплуатации в городских условиях.
Личный вклад автора состоит в формулировании цели и общей идеи работы, выполнении теоретической части, моделировании на ЭВМ и участии в экспериментальной части исследований, анализе и обобщении результатов, разработке методики расчета дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода, которая позволяет определить геометрические параметры по заданным: энергии и частоте ударов.
Реализация работы:
1. Методики расчета дроссельного пневматического ударно
го механизма с камерой форсажа холостого хода переданы пред
приятиям:
- Рубцовский филиал ОАО НПК "Уралвагонзавод".
2. Результаты работы внедрены в учебный процесс для сту
дентов специальности 270113 "Механизация и автоматизация
строительства".
Апробация работы. Результаты исследований обсуждались и были одобрены на международных и всероссийских НТК и научных семинарах в Самарском ГАСУ, Сибирской автомобильно-дорожной академии (СибАДИ), Новосибирском ГАСУ, Рубцовском филиале АлтГТУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 22 научные работы, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получено 4 патента на изобретения РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов, заключения, библиографического списка, приложений и включает 172 страницы машинописного текста, в том числе 99 рисунков, 11 таблиц, библиографический список из 105 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Приложения содержат 61 страницу, в том числе 39 рисунков и 34 таблицы.
