Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, научное обоснование и задачи исследования и создания пневматических ручных молотков и ломов 18
1.1. Применение пневматических ручных молотков и ломов в строительном деле 18
1.2. Направления исследований в области пневматических машин 30
1.3. Проблемность создания типоразмерного ряда пневматических ручных машин для строительства 38
1.4. Выводы и задачи исследований 40
2. Методология анализа и синтеза пневматических механизмов и машин ударного действия 46
2.1. Классификация признаков и структурные формулы пневматических машин и механизмов ударного действия 46
2.2. Систематизация основных, дополнительных и уточняющих признаков пневмоударных механизмов ударника 67
2.3. Основные и дополнительные уточняющие признаки независимые
и зависимые от положения ударника 69
2.4. Анализ и синтез пневмоударных механизмов и машин 71
2.4.1. Анализ пневмоударных механизмов с использованием классификационных признаков 71
2.4.2. Синтез пневмоударных механизмов с использованием классификационных признаков 75
2.4.3. Графическое моделирование и синтез ручной машины ударного действия с центральной подвижной воздухоподводящей трубкой 77
3. Методология баро-и термодинамики рабочего процесса пневматической машины ударного действия 85
3.1. Закономерности трансформации энергии сжатого воздуха в объеме рабочей камеры пневматической машины ударного действия 85
3.2. Модели бародинамических и термодинамических процессов дроссельной пневматической машины ударного действия 96
3.3. Допущения, ограничения и соотношениях параметров динамического подобия в дроссельных пневматических машинах ударного действия... 105
3.4. Обобщенное физико-математическое описание рабочего процесса дроссельного пневмоударного механизма и тенденции изменения геометрических параметров 116
4. Надежность функционирования пневматического механизма машины ударного действия 122
4.1. Резервирование воздухораспределителей пневмоударных механизмов с трубчатым воздухоподводом 122
4.2. Устойчивость, надежность и достаточность значений параметров рабочего цикла 125
4.3. Надежность запуска пневмоударных механизмов при отрицательных температурах 137
4.4. Диагностика и обеспечение работоспособности пневматического механизма 142
5. Численное исследование баро- и термодинамических параметров рабочих процессов пневмоударных механизмов с центральной подвижной воздухоподводящей трубкой 152
5.1. Критерии и параметры оценки рабочих процессов дроссельных пневмоударных инструментов 152
5.2. Давление, температура, расход воздуха и показатель процесса в рабочих камерах дроссельного пневмоударного механизма 155
5.2.1. Давление, температура, расход воздуха и показатель процесса в камерах наддува 155
5.2.2. Давление, температура, расход, удельные теплоемкости воздуха и показатель процесса в непроточной камере форсажа, камерах пневматического буфера и рабочего хода 162
5.2.3. Давление, расход, удельные теплоемкости воздуха и показатель процесса в проточной камере форсажа и камере частичного наддува рабочего хода 170
5.3. Показатели удельной энтропии воздуха в рабочих камерах дроссельного пневмоударного механизма 177
5.4. Сравнительная оценка баро- и термодинамических параметров дроссельных пневмоударных механизмов 178
5.4.1. Оценка бародинамических показателей рабочих процессов в дроссельных пневмоударных механизмов 178
5.4.2. Качественная оценка работы воздуха в рабочих камерах дроссельного пневмоударного механизма 180
6. Экспериментальные исследования типоразмерного ряда ручных машин ударного действия 190
6.1. Сравнительная оценка энергетических характеристик дроссельных пневмоударных механизмов с форсажными камерами 190
6.1.1. Геометрические соотношения в дроссельном пневмоудрном механизме с форсажными камерами 190
6.1.2. Сравнительная оценка эксплутационных характеристик дроссельных пневмоударных механизмов 199
6.2. Результаты экспериментальных исследований дроссельных молотков и ломов строительных пневматических 206
6.2.1. Устройство молотка строительного пневматического 207
6.2.2. Энергетические характеристики сравниваемых молотков 207
6.2.3. Вибрационные и шумовые характеристики сравниваемых молотков. 213
6.2.4. Качественная оценка эксплуатационных характеристик дроссельных пневмоударных механизмов 219
6.3. Методики инженерного расчета пневматических ручных молотков и ломов с дроссельной системой воздухораспределения 220
6.3.1. Методики инженерного расчета модуля пневматических ручных машин с дроссельной системой воздухораспределения 220
6.3.2. Методика расчета требуемой энергии единичного удара ручной машины 223
7. Научно-технические решения проблемы экономики и экологии применения ручных машин ударного действия в технологических процессах строительного комплекса 230
7.1. Экономические и технические проблемы обеспечения строительного комплекса пневматическими ручными машинами ударного действия 230
7.2. Тенденции изменения геометрических параметров дроссельного пневмоударного механизма 232
7.3. Перспективы применения дроссельных пневмоударных механизмов и машин в народном хозяйстве 235
7.4. Типоразмерный ряд пневматических ручных машин ударного действия для строительного комплекса и направления дальнейших исследований 240
7.4.1. Конструктивные решения пневматических ручных машин ударного действия 241
7.4.2. Техническая документация на пневматические ручные машины ударного действия 245
7.4.3. Результаты исследований пневматических молотков и ломов типоразмерного ряда 249
7.4.4. Прогнозируемые вибрационные и шумовые параметры разработанных ручных машин ударного действия 260
7.5. Направление дальнейших исследований по совершенствованию пневмоударных механизмов и машин 261
Заключение 264
Литература
- Направления исследований в области пневматических машин
- Систематизация основных, дополнительных и уточняющих признаков пневмоударных механизмов ударника
- Устойчивость, надежность и достаточность значений параметров рабочего цикла
- Давление, температура, расход воздуха и показатель процесса в рабочих камерах дроссельного пневмоударного механизма
Введение к работе
Развитие строительно-промышленного комплекса России связано не только с механизацией болыпеобъемных и трудоемких процессов, но и технологических процессов, определяемых объемами реставрационных, восстановительных и ремонтных работ. Важное значение при этом уделяется ручным машинам, среди которых пневматические машины ударного действия занимают доминирующее положение. Практика применения пневмоударных машин показала, что они являются наиболее пригодными для работы в неординарных условиях: при высоких температурах, в радиационных зонах, интенсивных вибрационных и ударных нагрузках, в пожаро - и взрывоопасных ситуациях. Потребность строительного комплекса в ручных машинах в настоящее время в условиях сложившихся рыночных отношений покрывается в основном ввозом их из Англии, Германии, США, Японии. Однако, учитывая прогноз последующего развития отечественной промышленности и строительного комплекса, следует продолжать развивать исследования, направленные на повышение эксплуатационных характеристик пневмоударных ручных машин отечественного производства, а также повышения их конкурентоспособности в сравнении с зарубежными аналогами.
Направленность данных исследований и практических предложений касается интенсификации рабочего процесса и улучшения экологических характеристик пневматических машин ударного действия (молотков и ломов) для строительства в условиях Сибири. Исследования этого направления являются актуальными в независимости от состояния, подчиненности и задач строительства, поскольку решают извечно важную задачу: улучшение условий труда рабочих в сфере материального обеспечения жизнедеятельности общества.
Из пневматических машин ударного действия особый интерес представляют машины с дроссельным пневмоударным механизмом, где единственным подвижным элементом в системе воздухораспределения является сам ударник. Отсутствие дополнительных подвижных элементов воздухораспределения включая их размещение на ударнике, делает их более надежными при эксплуатации в условиях отрицательных температур. Это обстоятельство приобретает особую важность в связи с развитием строительной отрасли в районах Сибири и подчеркивает актуальность разрабатываемой проблемы. Данная работа является логическим звеном в цикле исследований пневматических машин ударного действия, проводимых в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете, и выполнена в соответствии с темами: «Разработка на основе импульсных систем новых и повышение эффективности существующих ручных машин и инструментов, применяемых в промышленном, жилищном и сельскохозяйственном строительствах в условиях Сибири» - №019200087776, 1995-1998г.г.; «Производство ручных пневматических машин ударного действия» инновационная программа 1995-1996 г.г.; «Разработка научных основ пневмопробой-ника для проходки лидерных скважин в грунтовых средах» - грант МО РФ «Архитектура и строительство», 1996-1997г.г.; «Разработка научных основ и термодинамической модели дроссельной пневматической машины ударного действия для технологических процессов в строительном комплексе» грант МО РФ «Архитектура и строительство», 1998-1999г.г.; «Разработка модуля пневматической машины ударного действия многоцелевого применения в строительстве» УНЦСТМ «Интеграция», 1998-2000г.г.; «Разработка научных основ пневматической машины ударного действия с форсажем рабочего процесса» грант МО РФ «Архитектура и строительство», 2000г.; «Исследование механизма трансформации энергии воздуха в работу и баро- и термодинамическая теория поршневой машины ударного действия» грант МО РФ, 2004г.
Апробация исследований. Изложенные в диссертации результаты докладывались на конференциях: Международная научно техническая конференция «Развитие строительных машин, механизации и автоматизации строительства и открытых горных работ» (Москва, 1996); МНТК «Проблемы социально-экономических процессов и законодательства республики Казахстан» (Караганда 2000 г.), МНТК «Итоги строительной науки» (Владимир, 2001 г.); НТК Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Новосибирск, 1995-2004г.г.)
Цель и задачи исследования. Диссертация посвящена перспективному направлению в развитии ручных пневматических машин ударного действия, позволяющих создать значительный экономический эффект в строительной отрасли Российской Федерации. Сущность разработок заключается в создании пневматического ударного механизма ручной машины, а также разработке баро-и термодинамической теории дроссельных пневматических ударных механизмов с наддувом при формировании силового импульса давления воздуха со стороны камер рабочего и холостого ходов и создание на этой основе новых конструкций ручных машин типо-размерного ряда с заданными улучшенными эксплуатационными характеристиками. При выполнении исследований пневмоударного механизма с дроссельным воздухораспределением с центральной подвижной воздухо-подводящей трубкой ставились следующие задачи: разработка принципиальной схемы ДПУМ(Т); установление баро- и термодинамических зависимостей рабочего процесса ДПУМ(Т); изучение потенциальных возможностей рабочих камер ДПУМ(Т); установление рациональных значений параметров ДПУМ(Т) ручных машин типоразмерного ряда для строительства и разработка методики его инженерного расчета; создание экспериментальных образцов ручных машин строительных пневматических типоразмерного ряда, их исследование и испытание в лабораторных и производственных условиях.
Методы исследования. Применен комплексный метод, включающий: аналитический обзор и обобщение существующего опыта;
теоретические разработки с использованием методов механики, термодинамики; математическое и физическое моделирование рабочих процессов с целью установления адекватности рациональных соотношений между параметрами дроссельных пневмоударных механизмов; экспериментальную проверку эффективности новых ручных машин типораз-мерного ряда в лабораторных условиях.
Основные научные положения, защищаемые в работе:
- дополнения к классификации основных признаков запуска, впуска, перепуска, задержки, вытеснения, продувки, форсажа и выпуска в пневмоударных механизмах с ДПУМ(Т), позволяющие осуществлять качественный анализ и синтез новых машин и механизмов с использованием формализованной записи их структуры;
физико-математические модели и принципиальные схемы пневмоударных механизмах с ДПУМ(Т) и конструктивными признаками средств наддува, перепуска, задержки и форсажа, позволяющие качественно и количественно изменять рабочий процесс пневмоударного механизма;
баро- и термодинамическая теория и физико-математическая модель трансформации энергии сжатого воздуха в рабочем процессе ДПУМ(Т), построенная на основании методов теории подобия и размерностей, дающая возможность вскрыть наиболее общие, характерные, в первую очередь для данного класса машин, закономерности основных удельных показателей качества - расхода сжатого воздуха, мощности, теплоемкости, энтропии и показателя процесса;
- системы уравнений, описывающие рабочий процесс машин с ДПУМ(Т) при наличии в управлении впуском средств наддува, перепуска, вытеснения, задержки и форсажа, позволяющие вскрыть частные закономерности характерные для машин с конкретными средствами впуска;
- зависимость между энергетическими параметрами машины, позволяющую установить влияние структуры мощности на усилие нажатия, а также осуществить выбор рационального соотношения между энергией единичного удара и частотой ударов в зависимости от требуемой величины нажатия и ожидаемого коэффициента отскока;
- комплекс методических разработок по определению: необходимой и достаточной величины энергии единичного удара и частоты ударов, объема камеры рабочего хода в соответствии с усилием нажатия, удельным расходом воздуха и показателей процесса, реализованных при создании конструкций типоразмерного ряда высокопроизводительных, надежных и удобных в эксплуатации многоцелевых молотков ММП-02Т, ММП-05Т, ММП-08Т, ММП-12Т, ММП-16Т, ММП-20Т, ММП-25Т; строительных молотков МСП-ЗОТ, МСП-40Т, МСП-50Т; строительных ломов ЛСП-63Т, ЛСП-80Т,ЛСП-100Т.
Достоверность научных положений обоснована анализом:
направлений совершенствования пневмоударных механизмов с воз-духораспределением ударником (по патентным материалам за период с 1877 по 2003 г.г.);
физико-математических моделей и методов расчета рабочих процессов пневмоударных механизмов машин с различными типами воздухорас-пределения (за период 1900-2003 г.);
теоретических исследований рабочих процессов дроссельных пневмоударных механизмов с различными дополнительными средствами управления впуском (наддув, перепуск, задержка, регулирование, вытеснение, форсаж);
результатов моделирования рабочих процессов наиболее перспективных машин с применением предложенных методик моделирования при относительной погрешности измерения наиболее сложного параметра -удельного расхода воздуха - не превышающей 12%;
применения предложенной методики расчета при создании новых моделей ручных машин типоразмерного ряда с подвижным трубчатым воздухоподводом и сопоставлением расчетных параметров с фактически измеренными и результатами, полученными другими исследователями;
- созданием и всесторонним исследованием на ЭВМ и в лабораторных условиях новых высоконадежных образцов машин.
Научная новизна заключается:
- в разработке и создании классификации основных и дополнительных признаков пневмоударных механизмов, позволяющей осуществлять качественный анализ и синтез новых механизмов с использованием формализованной записи структуры механизма;
в разработке принципиальных схем (на основе классификации) дроссельных пневмоударных механизмов с новыми признаками средств наддува, выпуска, перепуска, задержки, форсажа и запуска, позволяющими улучшить качественно и количественно рабочий процесс дроссельного механизма;
в предложении и применении схем компоновки пневмоударного механизма, характеризующих размещение объемов рабочих камер машины;
в разработке метода назначения структуры ударной мощности в зависимости от единичного значения усилия нажатия на корпус пневмоударного механизма;
- в разработке баро- и термодинамической теории контактов и трансформации энергии сжатого воздуха в работу в рабочем процессе дроссельного пневмоударного механизма;
в разработке и исследовании частных физико-математических моделей рабочего процесса с запуском, наддувом, перепуском, задержкой и форсажем в рабочих камерах, направленных на совершенствование энергетических параметров дроссельных пневмоударных механизмов с центральным подвижным трубчатым воздухоподводом;
в развитии методики инженерного расчета дроссельного пневмоударного механизма с центральным подвижным трубчатым воздухоподводом с использованием рациональных соотношений геометрических размеров оригинальных конструктивных решений наддува, перепуска, задержки и форсажа;
- в установлении закономерностей изменения основных геометрических размеров от энергетических параметров ДПУМ(Т): энергии и частоты ударов, давления воздуха в сети и коэффициента отскока ударника от инструмента.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
- обоснованы и разработаны новые принципиальные схемы дроссельных пневмоударных механизмов с подвижным трубчатым воздухоподво- дом, позволяющие создавать машины ударного действия с улучшенными эксплуатационными характеристиками;
- разработана простая и удобная для практики методика инженерного расчета пневмоударных механизмов с дроссельным воздухораспределени- ем на любые практически приемлемые сочетания энергии и частоты ударов при ограничении по удельному расходу воздуха и усилию нажатия на корпус машины;
- созданы экспериментальные образцы ручных машин с дроссельным воздухораспределением: ММП-02Т, ММП-05Т, ММП-08Т, ММП-12Т, ММП-16Т, ММП-20Т, ММП-25Т; строительных молотков МСП-ЗОТ, МСП-40Т, МСП-50Т; строительных ломов ЛСП-63Т, ЛСП-80Т, ЛСП-100Т;
действующие образцы молотков и ломов используются в учебном процессе, как наглядные пособия по разделу «Ручные машины» курсов «Строительные машины», «Механизация и автоматизация строительства», «Технология строительных процессов» в НГАСУ(Сибстрин);
по металлоемкости на единицу ударной мощности многоцелевые молотки и ломы выгодно отличаются от зарубежных аналогов, а строительные молотки не уступают отечественным образцам. Себестоимость изготовления ММП, МСП, ЛСП с ДПУМ(Т) может быть снижена вдвое в сравнении с аналогами. Молотки и ломы с дроссельным пневмоударным механизмом имеют вдвое больший ресурс. Они менее всех известных мо лотков и ломов подвержены воздействию на запуск и работу отрицательных температур окружающего воздуха. Вибрационные и шумовые характеристики новых молотков и ломов без защитных устройств предпочтительнее аналогичных, серийно выпускаемых.
Молотки ММП-12Т, ММП-25Т успешно прошли испытания на строящихся промышленных и гражданских объектах г. Новосибирска в строительных организациях: СМУ-5 ОАО "Сибакадемстрой", ЗАО «Сиб-спецэнергомонтаж», ОАО «Сибирские дороги».
Молотки ММП-02Т, ММП-12Т, ММП-16Т экспонировались на промышленных международных выставках «Строймаркет» г. Москва, «Hannover Messe» г. Ганновер (Германия), «Сибирская ярмарка» г. Новосибирск в 93, 96, 98, 2004гг.
Личный вклад автора в следующем:
- в создании классификации основных признаков дроссельных пневмоударных механизмов и практическом ее применении при анализе, синтезе и прогнозировании новых механизмов;
в создании принципиальных схем дроссельных пневмоударных механизмов с наддувом, перепуском, задержкой, форсажем, продувкой и вытеснением;
в разработке метода назначения структуры ударной мощности в зависимости от единичного значения усилия нажатия на корпус пневмо-ударного механизма;
- в разработке теории баро- и термодинамического процесса ДПУМ(Т) на основе представлений о контактах и трансформации энергии сжатого воздуха в рабочих камерах в работу при формировании в них силового импульса ударника;
- в разработке и применении в исследовании обобщенной и частных физико-математических моделей рабочего процесса дроссельных пневмоударных механизмов с центральным подвижным трубчатым воздухоподво дом с обычным впуском, запуском, наддувом, перепуском, задержкой и форсажем;
- в установлении закономерностей изменения основных геометрических размеров от энергетических параметров дроссельного пневмоудар- ного механизма с центральным подвижным трубчатым воздухоподводом;
- в разработке конструкций типоразмерного ряда ручных машин ДПУМ(Т) на 2, 5, 8, 12, 16, 20, 25, 30, 40, 50, 63, 80 и 100 Дж; доводке и испытаниях многоцелевых молотков ММП-02Т, ММП-05Т, ММП-08Т, ММП-12Т, ММП-16Т, ММП-20Т, ММП-25Т; строительных молотков МСП-30Т, МСП-40Т, МСП-50Т; строительных ломов ЛСП-63Т, ЛСП- 80Т,ЛСП-100Т.
Публикации.
По теме диссертации опубликованы 2 монографии (в четырех книгах), одно учебное пособие, 70 статьей, получено 29 авторских свидетельств СССР и патентов РФ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из двух томов: I том - основное содержание, состоящее из введения, 7 глав, заключения и списка литературы из 293 наименований, изложенное на 292 страницах машинописного текста, в том числе 76 рис., 18 табл., II том - 7 приложений,содержащий 320 страниц, в том числе 96 рис. и 48 таблиц.
Развитие строительно-промышленного комплекса России связано не только с механизацией болыпеобъемных и трудоемких процессов, но и технологических процессов, определяемых объемами реставрационных, восстановительных и ремонтных работ. Важное значение при этом уделяется ручным машинам, среди которых пневматические машины ударного действия занимают доминирующее положение. Практика применения пневмоударных машин показала, что они являются наиболее пригодными для работы в неординарных условиях: при высоких температурах, в радиационных зонах, интенсивных вибрационных и ударных нагрузках, в пожаро - и взрывоопасных ситуациях. Потребность строительного комплекса в ручных машинах в настоящее время в условиях сложившихся рыночных отношений покрывается в основном ввозом их из Англии, Германии, США, Японии. Однако, учитывая прогноз последующего развития отечественной промышленности и строительного комплекса, следует продолжать развивать исследования, направленные на повышение эксплуатационных характеристик пневмоударных ручных машин отечественного производства, а также повышения их конкурентоспособности в сравнении с зарубежными аналогами.
Направленность данных исследований и практических предложений касается интенсификации рабочего процесса и улучшения экологических характеристик пневматических машин ударного действия (молотков и ломов) для строительства в условиях Сибири. Исследования этого направления являются актуальными в независимости от состояния, подчиненности и задач строительства, поскольку решают извечно важную задачу: улучшение условий труда рабочих в сфере материального обеспечения жизнедеятельности общества.
Из пневматических машин ударного действия особый интерес представляют машины с дроссельным пневмоударным механизмом, где единственным подвижным элементом в системе воздухораспределения является сам ударник. Отсутствие дополнительных подвижных элементов воздухораспределения включая их размещение на ударнике, делает их более надежными при эксплуатации в условиях отрицательных температур. Это обстоятельство приобретает особую важность в связи с развитием строительной отрасли в районах Сибири и подчеркивает актуальность разрабатываемой проблемы. Данная работа является логическим звеном в цикле исследований пневматических машин ударного действия, проводимых в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете, и выполнена в соответствии с темами: «Разработка на основе импульсных систем новых и повышение эффективности существующих ручных машин и инструментов, применяемых в промышленном, жилищном и сельскохозяйственном строительствах в условиях Сибири» - №019200087776, 1995-1998г.г.; «Производство ручных пневматических машин ударного действия» инновационная программа 1995-1996 г.г.; «Разработка научных основ пневмопробой-ника для проходки лидерных скважин в грунтовых средах» - грант МО РФ «Архитектура и строительство», 1996-1997г.г.; «Разработка научных основ и термодинамической модели дроссельной пневматической машины ударного действия для технологических процессов в строительном комплексе» грант МО РФ «Архитектура и строительство», 1998-1999г.г.; «Разработка модуля пневматической машины ударного действия многоцелевого применения в строительстве» УНЦСТМ «Интеграция», 1998-2000г.г.; «Разработка научных основ пневматической машины ударного действия с форсажем рабочего процесса» грант МО РФ «Архитектура и строительство», 2000г.; «Исследование механизма трансформации энергии воздуха в работу и баро- и термодинамическая теория поршневой машины ударного действия» грант МО РФ, 2004г.
Апробация исследований. Изложенные в диссертации результаты докладывались на конференциях: Международная научно техническая конференция «Развитие строительных машин, механизации и автоматизации строительства и открытых горных работ» (Москва, 1996); МНТК «Проблемы социально-экономических процессов и законодательства республики Казахстан» (Караганда 2000 г.), МНТК «Итоги строительной науки» (Владимир, 2001 г.); НТК Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Новосибирск, 1995-2004г.г.)
Цель и задачи исследования. Диссертация посвящена перспективному направлению в развитии ручных пневматических машин ударного действия, позволяющих создать значительный экономический эффект в строительной отрасли Российской Федерации. Сущность разработок заключается в создании пневматического ударного механизма ручной машины, а также разработке баро-и термодинамической теории дроссельных пневматических ударных механизмов с наддувом при формировании силового импульса давления воздуха со стороны камер рабочего и холостого ходов и создание на этой основе новых конструкций ручных машин типо-размерного ряда с заданными улучшенными эксплуатационными характеристиками. При выполнении исследований пневмоударного механизма с дроссельным воздухораспределением с центральной подвижной воздухо-подводящей трубкой ставились следующие задачи: разработка принципиальной схемы ДПУМ(Т); установление баро- и термодинамических зависимостей рабочего процесса ДПУМ(Т); изучение потенциальных возможностей рабочих камер ДПУМ(Т); установление рациональных значений параметров ДПУМ(Т) ручных машин типоразмерного ряда для строительства и разработка методики его инженерного расчета; создание экспериментальных образцов ручных машин строительных пневматических типоразмерного ряда, их исследование и испытание в лабораторных и производственных условиях.
Методы исследования. Применен комплексный метод, включающий: аналитический обзор и обобщение существующего опыта;
теоретические разработки с использованием методов механики, термодинамики; математическое и физическое моделирование рабочих процессов с целью установления адекватности рациональных соотношений между параметрами дроссельных пневмоударных механизмов; экспериментальную проверку эффективности новых ручных машин типораз-мерного ряда в лабораторных условиях.
Основные научные положения, защищаемые в работе:
- дополнения к классификации основных признаков запуска, впуска, перепуска, задержки, вытеснения, продувки, форсажа и выпуска в пневмоударных механизмах с ДПУМ(Т), позволяющие осуществлять качественный анализ и синтез новых машин и механизмов с использованием формализованной записи их структуры;
физико-математические модели и принципиальные схемы пневмоударных механизмах с ДПУМ(Т) и конструктивными признаками средств наддува, перепуска, задержки и форсажа, позволяющие качественно и количественно изменять рабочий процесс пневмоударного механизма;
баро- и термодинамическая теория и физико-математическая модель трансформации энергии сжатого воздуха в рабочем процессе ДПУМ(Т), построенная на основании методов теории подобия и размерностей, дающая возможность вскрыть наиболее общие, характерные, в первую очередь для данного класса машин, закономерности основных удельных показателей качества - расхода сжатого воздуха, мощности, теплоемкости, энтропии и показателя процесса;
- системы уравнений, описывающие рабочий процесс машин с ДПУМ(Т) при наличии в управлении впуском средств наддува, перепуска, вытеснения, задержки и форсажа, позволяющие вскрыть частные закономерности характерные для машин с конкретными средствами впуска;
- зависимость между энергетическими параметрами машины, позволяющую установить влияние структуры мощности на усилие нажатия, а также осуществить выбор рационального соотношения между энергией единичного удара и частотой ударов в зависимости от требуемой величины нажатия и ожидаемого коэффициента отскока;
- комплекс методических разработок по определению: необходимой и достаточной величины энергии единичного удара и частоты ударов, объема камеры рабочего хода в соответствии с усилием нажатия, удельным расходом воздуха и показателей процесса, реализованных при создании конструкций типоразмерного ряда высокопроизводительных, надежных и удобных в эксплуатации многоцелевых молотков ММП-02Т, ММП-05Т, ММП-08Т, ММП-12Т, ММП-16Т, ММП-20Т, ММП-25Т; строительных молотков МСП-ЗОТ, МСП-40Т, МСП-50Т; строительных ломов ЛСП-63Т, ЛСП-80Т,ЛСП-100Т.
Достоверность научных положений обоснована анализом:
направлений совершенствования пневмоударных механизмов с воз-духораспределением ударником (по патентным материалам за период с 1877 по 2003 г.г.);
физико-математических моделей и методов расчета рабочих процессов пневмоударных механизмов машин с различными типами воздухорас-пределения (за период 1900-2003 г.);
теоретических исследований рабочих процессов дроссельных пневмоударных механизмов с различными дополнительными средствами управления впуском (наддув, перепуск, задержка, регулирование, вытеснение, форсаж);
результатов моделирования рабочих процессов наиболее перспективных машин с применением предложенных методик моделирования при относительной погрешности измерения наиболее сложного параметра -удельного расхода воздуха - не превышающей 12%;
применения предложенной методики расчета при создании новых моделей ручных машин типоразмерного ряда с подвижным трубчатым воздухоподводом и сопоставлением расчетных параметров с фактически измеренными и результатами, полученными другими исследователями;
- созданием и всесторонним исследованием на ЭВМ и в лабораторных условиях новых высоконадежных образцов машин.
Научная новизна заключается:
- в разработке и создании классификации основных и дополнительных признаков пневмоударных механизмов, позволяющей осуществлять качественный анализ и синтез новых механизмов с использованием формализованной записи структуры механизма;
в разработке принципиальных схем (на основе классификации) дроссельных пневмоударных механизмов с новыми признаками средств наддува, выпуска, перепуска, задержки, форсажа и запуска, позволяющими улучшить качественно и количественно рабочий процесс дроссельного механизма;
в предложении и применении схем компоновки пневмоударного механизма, характеризующих размещение объемов рабочих камер машины;
в разработке метода назначения структуры ударной мощности в зависимости от единичного значения усилия нажатия на корпус пневмоударного механизма;
- в разработке баро- и термодинамической теории контактов и трансформации энергии сжатого воздуха в работу в рабочем процессе дроссельного пневмоударного механизма;
в разработке и исследовании частных физико-математических моделей рабочего процесса с запуском, наддувом, перепуском, задержкой и форсажем в рабочих камерах, направленных на совершенствование энергетических параметров дроссельных пневмоударных механизмов с центральным подвижным трубчатым воздухоподводом;
в развитии методики инженерного расчета дроссельного пневмоударного механизма с центральным подвижным трубчатым воздухоподводом с использованием рациональных соотношений геометрических размеров оригинальных конструктивных решений наддува, перепуска, задержки и форсажа;
- в установлении закономерностей изменения основных геометрических размеров от энергетических параметров ДПУМ(Т): энергии и частоты ударов, давления воздуха в сети и коэффициента отскока ударника от инструмента.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
- обоснованы и разработаны новые принципиальные схемы дроссельных пневмоударных механизмов с подвижным трубчатым воздухоподво- дом, позволяющие создавать машины ударного действия с улучшенными эксплуатационными характеристиками;
- разработана простая и удобная для практики методика инженерного расчета пневмоударных механизмов с дроссельным воздухораспределени- ем на любые практически приемлемые сочетания энергии и частоты ударов при ограничении по удельному расходу воздуха и усилию нажатия на корпус машины;
- созданы экспериментальные образцы ручных машин с дроссельным воздухораспределением: ММП-02Т, ММП-05Т, ММП-08Т, ММП-12Т, ММП-16Т, ММП-20Т, ММП-25Т; строительных молотков МСП-ЗОТ, МСП-40Т, МСП-50Т; строительных ломов ЛСП-63Т, ЛСП-80Т, ЛСП-100Т;
действующие образцы молотков и ломов используются в учебном процессе, как наглядные пособия по разделу «Ручные машины» курсов «Строительные машины», «Механизация и автоматизация строительства», «Технология строительных процессов» в НГАСУ(Сибстрин);
по металлоемкости на единицу ударной мощности многоцелевые молотки и ломы выгодно отличаются от зарубежных аналогов, а строительные молотки не уступают отечественным образцам. Себестоимость изготовления ММП, МСП, ЛСП с ДПУМ(Т) может быть снижена вдвое в сравнении с аналогами. Молотки и ломы с дроссельным пневмоударным механизмом имеют вдвое больший ресурс. Они менее всех известных мо лотков и ломов подвержены воздействию на запуск и работу отрицательных температур окружающего воздуха. Вибрационные и шумовые характеристики новых молотков и ломов без защитных устройств предпочтительнее аналогичных, серийно выпускаемых.
Молотки ММП-12Т, ММП-25Т успешно прошли испытания на строящихся промышленных и гражданских объектах г. Новосибирска в строительных организациях: СМУ-5 ОАО "Сибакадемстрой", ЗАО «Сиб-спецэнергомонтаж», ОАО «Сибирские дороги».
Молотки ММП-02Т, ММП-12Т, ММП-16Т экспонировались на промышленных международных выставках «Строймаркет» г. Москва, «Hannover Messe» г. Ганновер (Германия), «Сибирская ярмарка» г. Новосибирск в 93, 96, 98, 2004гг.
Личный вклад автора в следующем:
- в создании классификации основных признаков дроссельных пневмоударных механизмов и практическом ее применении при анализе, синтезе и прогнозировании новых механизмов;
в создании принципиальных схем дроссельных пневмоударных механизмов с наддувом, перепуском, задержкой, форсажем, продувкой и вытеснением;
в разработке метода назначения структуры ударной мощности в зависимости от единичного значения усилия нажатия на корпус пневмо-ударного механизма;
- в разработке теории баро- и термодинамического процесса ДПУМ(Т) на основе представлений о контактах и трансформации энергии сжатого воздуха в рабочих камерах в работу при формировании в них силового импульса ударника;
- в разработке и применении в исследовании обобщенной и частных физико-математических моделей рабочего процесса дроссельных пневмоударных механизмов с центральным подвижным трубчатым воздухоподво дом с обычным впуском, запуском, наддувом, перепуском, задержкой и форсажем;
- в установлении закономерностей изменения основных геометрических размеров от энергетических параметров дроссельного пневмоудар- ного механизма с центральным подвижным трубчатым воздухоподводом;
- в разработке конструкций типоразмерного ряда ручных машин ДПУМ(Т) на 2, 5, 8, 12, 16, 20, 25, 30, 40, 50, 63, 80 и 100 Дж; доводке и испытаниях многоцелевых молотков ММП-02Т, ММП-05Т, ММП-08Т, ММП-12Т, ММП-16Т, ММП-20Т, ММП-25Т; строительных молотков МСП-30Т, МСП-40Т, МСП-50Т; строительных ломов ЛСП-63Т, ЛСП- 80Т,ЛСП-100Т.
Публикации.
По теме диссертации опубликованы 2 монографии (в четырех книгах), одно учебное пособие, 70 статьей, получено 29 авторских свидетельств СССР и патентов РФ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из двух томов: I том - основное содержание, состоящее из введения, 7 глав, заключения и списка литературы из 293 наименований, изложенное на 292 страницах машинописного текста, в том числе 76 рис., 18 табл., II том - 7 приложений,содержащий 320 страниц, в том числе 96 рис. и 48 таблиц.
Направления исследований в области пневматических машин
Исследования пневматических ручных и неручных машин прямо или косвенно учитывали различия (иногда несущественные) в характере их рабочего процесса. Собраны сведения о физико-математических моделях машин, нашедших отражение в исследованиях, проведенных в России [30-32]. К настоящему времени рассмотрено и получили оценку большое количество исследований рабочего процесса, методик расчета и направлений их совершенствования. В работе [33] поисковые изыскания и исследования [34-87] в области пневмоударных машин группируются по направлениям: 1) создание и исследование принципиальных конструктивных ис полнений механизмов и машин; 2) исследования рабочего процесса пневмоударного механизма; 3) исследования процесса удара и передачи его энергии обрабатываемой среде; 4) исследование отдачи и вибрации, изыскания способов и средств их снижения; 5) исследование шума, изыскание способов и средств его снижения;
6) разработка принципиальных и конструктивных исполнений средств удержания и управления рабочим инструментом (с учетом техно логического назначения);
7) классификация признаков пневмоударных механизмов и машин, технологического назначения, отдельных деталей, узлов воздухораспреде лительных устройств и общие классификации машин ударного действия;
8) диагностика пневмоударных машин, изыскание способов и средств повышения надежности и долговечности машин.
Указанное группирование можно считать условным, поскольку большинство исследований проводится по нескольким взаимозависящим направлениям. Целесообразно отметить, что впервые в России перевод и комментарии к методам расчета пневматических машин (по Мюллеру и Барилю) были выполнены в 1912-13 годах в Томском технологическом институте профессором С.К. Конюховым [34, 45], а первое каталожное издание по пневматическим машинам Товарищества машиностроительного завода «Феникс» (1913 г.) вышло в С.-Петербурге [44]. Весьма информативным были зарубежные каталожные издания [43, 45], обобщавшие опыт применения и изготовления пневмоударных машин.
Однако, целенаправленное начало развитию теории пневматических машин ударного действия в России (СССР) положили работы А.Н. Крюкова (1931 г.) [36], А.П. Германа (1933 г.) [37] и Ю.М. Малахова (1934 г.) [38].
В области разработки теоретических основ создания и исследования пневматических машин ударного действия важное место занимает научная школа, возглавляемая Б.В. Суднишковым. Предложенная им теорема о пе ремещении массы за время действия силы (1947 г.) [40] лежит в основе многих исследований динамики различных пневмоударных машин. Б.В. Суднишниковым совместно с учениками (Н.А. Клушиным, А.Д. Костыле-вым, A.M. Петреевым, Б.Н. Смоляницким, К.К. Тупицыным, А.И. Федуло-вым и др.) предложены и теоретически обоснованы более совершенные рабочие циклы пневмоударных механизмов: буферный [46, 47] и форсажный [88, 89], повышающие ударную мощность машины; улучшенный [48, 49] цикл с частичным вытеснением, снижающий отдачу, амплитуду и скорость вибрации корпуса машины, а также динамически уравновешивающий [52-56, 82, 90-92], снижающий необходимую силу нажатия на корпус машины ударного действия. Существенный вклад в изучение рабочего процесса и вибрации пневматических ручных машин ударного действия внесли научные коллективы, возглавляемые П.М. Алабужевым [93-96], О.Д. Алимовым [97-98], В.Ф. Горбуновым [19].
Весомый вклад в прикладную теорию ударных систем и экспериментальные разработки, относящиеся к пневматическим ручным машинам ударного действия со сниженной вибрацией, внесли Е.В. Александров, Б.В. Соколинский [65, 66].
Заслуживают внимания исследования, проводимые научным коллективом под руководством A.M. Ашавского по автоматизации процесса проектирования силовых импульсных систем, в частности, пневматических. Ими решались вопросы аналитического проектирования: выбор конструктивной схемы (структурный синтез) и расчет параметров конструктивной схемы (динамический синтез) [67, 68]. Известный практический и теоретический вклад внесли Б.Г. Гольдштейн, И.В. Николаев, А.А. Гоппен: оптимизация параметров ручных машин ударного действия, разработка и исследования многих типов ручных машин, разработка ГОСТов на ручные рубильные, клепальные, отбойные, строительные молотки и ломы, вопросы научного прогнозирования и создания экспериментальной базы по исследованию ручных машин [5, 69-71].
Систематизация основных, дополнительных и уточняющих признаков пневмоударных механизмов ударника
В разделе внимание уделено ознакомлению с дополнительными динамическими и конструктивными признаками средств впуска, запуска, резервирования, задержки в ПУМ. В виду ограничений по объему описание и анализ особенностей признаков, информация о них перенесена в прил. П2.
Рассмотрение указанных признаков покажет потенциальные возможности дросселей впуска как элемента, способного обеспечить формирование силового импульса рабочего цикла нетрадиционных форм, и реализации которых при помощи подвижных элементов в виде клапанов, золотников, ударника - золотника, ударника - клапана и т.п. сопряжены со значительными техническими сложностями.
Отмеченные признаки подразделяются на две группы: независимые (П2.5) и зависимые (П2.6) от положения ударника.
Особенности независимых признаков - средств: впуска в рабочие камеры, наддува, запуска, резервирования, задержки впуска дополняют классификацию [27] без нарушения ее методологических принципов построения.
Независимые признаки средств впуска и наддува рассматривались в работах [100, 113, 137], кратко описаны и представлены в табл. ГОЛ, П2.2
Признаки средств рассматривались в работе [193], где отмечена необходимость их учета в рабочем процессе и в описании физико - математической модели ПУМ. Указанные признаки представлены в табл. П2.3.
Признаки средств резервирования ПУМ и ДПУМ описаны в работах [134, 187, 193, 200] и информация о них представлена в П2.5. Здесь отметим, что признаки средств впуска, запуска , перепуска, задержки могут быть выполнены простейшими конструктивными элементами, например, в виде круглого канала - отверстия.
Отметим также, что признаки средств задержки, перепуска и др. могут быть оформлены собственными классификациями. Например, на основании работ [88, 188], а также применительно к механизму [205], составлена классификация средств задержки табл. П2.4.
Зависимые от положения ударника признаки ранее рассматривались в работах [147, 215] и их краткое описание представлено для признаков выпуска воздуха из рабочих камер в табл. П2.5, для признаков средств перепуска с учетом [27, 187] представлены отдельной классификацией табл. П2.6, так и частной, учитывающей развитие только конструктивных признаков - табл. П2.7.
Особенности признаков форсажа рассмотрены в работах [88, 106, 107, 213 - 215]. Признаки средств форсажа определены с использованием термина описанного, например в работе [216]. Как в основном тексте, так и приложении П2.6 отмечено, что указанный признак достаточно просто выполняем в ДПУМ [88, 106, 107, 213 - 215] и весьма сложнее в клапанных ПУМ и золотниковых ПУМ [48, 49]. В табл. П2.8 приведены конструктивные признаки средств форсажа, а рис. П2.13 и ГО. 14 иллюстрируют простейшее их исполнение. ПУМ дроссельного типа с буферным циклом [217] предопределил разработку частной классификации табл. П2.9, а исполнение механизма проиллюстрировано на рис. ГО. 15.
Наличие развернутых дополнительных конструктивных признаков позволяет в ДПУМ реализовать различные по очертаниию диаграмм рабочие циклы, упоминаемые ранее [40], как теоретически возможные.
В приложении П2.7 изложены основные требования к ручным машинам типоразмерного ряда, которые охватывают требования рассмотренные ранее [29, 100]. Отмечается параллельный или последовательный порядок размещения узлов в общей структурной схеме машины. Рассматриваются вопросы отказов элементов механизма или потери им необходимых функциональных свойств.
Раздел написан с использованием материалов, опубликованных в монографии [27]. Подразделы 2.3.1 и 2.3.2 посвящены анализу и синтезу пневмоударных механизмов, а 2.3 - синтезу пневматических машин ударного действия с центральной воздухоподводящей подвижной трубкой, материалам в которых частично были опубликованы и представлялись в авторской квалификационной кандидатской диссертации [100].
Классификация основных признаков пневмоударных механизмов по динамическим и конструктивным признакам, а также их индексация (табл. 2.2), позволяют дать компактное описание любой из известных схем ПУМ в виде формулы. Признаки, указанные в классификации, относятся к любой из расчетных полостей (камер) ПУМ. Поэтому общую структурную формулу простейшего пневмоударного механизма с одним ударником и камерами форсажа можно записать в виде двух строк друг под другом, где верхняя строка содержит индексы признаков, относящихся к камерам, обу словливающим рабочий ход ударника, а нижняя строка - индексы признаков камер, обусловливающих его холостой ход [27].
Структурные формулы и краткое описание характерных схем дроссельных ПУМ [218 - 222] представлены в прил. 2.
Как уже отмечалось выше, анализ объекта, как совокупности признаков, требует знания свойств основных признаков, что предопределяет конструктивное исполнение самого объекта и его качества. При этом совокупности признаков могут образовать новые качества объекта.
Устойчивость, надежность и достаточность значений параметров рабочего цикла
Пневмоударный механизм (ПУМ) при эксплуатации в производственных условиях должен обеспечивать энергетические параметры, близкие к заданным даже при неблагоприятном воздействии на него таких внешних факторов, как положение в пространстве, запыленность, отрицательная температура окружающего воздуха, непостоянство усилия подачи и. т.д. Постоянство заданных параметров обеспечивается устойчивостью движений его ударника и распределителя.
Последнее и определяет физический смысл понятия устойчивости рабочего процесса ПУМ при разных внешних условиях.
Теоретические вопросы исследования устойчивости и решение определяющих ее задач выполнены в [241]. Прикладные вопросы использования указанных решений изложены в доступной технической литературе, например в [242]. Поскольку рабочий процесс ПУМ описывается дифференциальными уравнениями, математический анализ устойчивости сводится к исследованию свойств решений этих уравнений.
Анализируя принципиальные особенности рабочего процесса ДПУМ и ДПУМ(Т), решения задач устойчивости сводятся к решению только уравнения движения ударника. При этом принимается необходимым и достаточным условие устойчивого или неустойчивого его движения.
В принципе задачу об устойчивости ПУМ можно решать, рассматривая движение ударника как движение материальной точки, находящейся под действием сил, определяемых силовой функцией R(t) [40]. Движение точки описывается, например, разностными уравнениями [241].
Отметим, что в практике исследования устойчивости систем автоматического регулирования используются алгебраические критерии Гур-вица, Льенара - Шипара и Рауса, частотный и амплитудно-фазовый критерий Михайлова и Михайлова - Найквиста [243].
Применительно к Д11УМ и ДПУМ(Т) вопрос об устойчивости можно рассматривать на примере движения ударника, так как другие подвижные воздухораспределители отсутствуют. Движение исследуется в функции времени и давления воздуха в камерах рабочего и холостого ходов, которые формируют силовой импульс ударника. При этом нелинейность кр - /фс, і) и кх = /фс, t) сводится к одному линейному уравнению движения ударника второго порядка или к двум - первого. Если перемещение x{t), то с присоединением возмущения к(і) получим х = х{к, t). (4.1)
Для доказательства устойчивости движения при рассмотрении дифференциальныйх уравнений A.M. Ляпунов [241] установил достаточность сходимости рядов для всех вещественных значений функций системы независимых решений, определенных начальными условиями:
Если функции xs отыскиваются в виде рядов, расположенных по степеням параметра /л, то для определения коэффициентов в этих рядах получают системы дифференциальных уравнений, которые интегрируются посредством квадратур. Таким образом, если рассматривать уравнение движения ударника в ДПУМ и ДПУМ(Т), его можно свести к решению уравнения вида d2x ,, ч -—= до, (4.2) at где /І - малый параметр (-1); р - ограниченная, непрерывная периодическая функция / с вещественным положительным периодом. Если уравнение (4.3) заменяется системой линейных уравнений — = fjpx, at dx , dt dx[ dt то получим характеристическое уравнение (4.3) = q2 2Aq + l = 0, (4.4) x
Этим и доказывается устойчивость или неустойчивость периодического движения ударника в ДПУМ и ДПУМ(Т).
При расчете рабочего процесса ДПУМ и ДПУМ(Т) на ЭВМ отыскивается не просто решение, определяющее устойчивое движение ударника, но и устанавливается сочетание параметров, наиболее полно удовлетворяющее конкретным требованиям. При таком подходе к исследованию ДПУМ и ДПУМ(Т) отпадает необходимость в отдельной постановке задачи его устойчивости. В работе [240] приведен пример, указывающий на устойчивость ДПУМ(Т). Введем обозначения на рисунках; Т, tp, tx - время цикла рабочего и холостого ходов ударника; кр кх - давление воздуха в камерах рабочего и холостого ходов; и, х- скорость и перемещение ударника. На рис. 4.2 показаны результаты моделирования рабочего процесса ДПУМ(Т), математическое описание которого выполнено в виде системы дифференциальных уравнений [100]. Решение дано в виде графиков изменения основных параметров с начала «запуска» механизма в работу. Как видно из иллюстраций ДПУМ(Т) уже в 4-м - 5-м циклах выходит на устойчивый рабочий режим.
Отметим, что устойчивость механической системы еще не определяет ее рационального построения. Это можно проиллюстрировать рабочим процессом перепуска ДПУМ(ПТ) со случайными размерами перепускного канала, выполненного на трубке, и объемами управляемых камер (рис. 4.3а). Как видно из диаграмм давления, участки перепуска выражены более четко для камеры рабочего хода за время рабочего хода и для камеры холостого хода за время холостого хода, но менее четко на других участках перепуска. На рис. 4.36 представлена настройка ДПУМ(ПТ) при рациональном объеме камеры рабочего хода. Несовершенство этой настройки ДПУМ(ПТ) видно по характеру изменения давления в камере холостого хода, размеры которой случайны. Результаты исследования энергетических параметров ДПУМ(ПТ) с указанными настройками показали более низкие их значения в сравнении с рациональной настройкой (рис. 4.4).
Из приведенных иллюстраций (рис. 4.3а, б) видна стабильная повторяемость формы диаграммы давления, что характеризует устойчивость рабочего цикла, однако, как указывают приведенные примеры, сама устойчивость еще не является доказательством рациональности конструкции или энергетических параметров ДПУМ.
Правильно выбранные структурные и кинематические схемы ДПУМ должны определять надежность и экономичность работы машины, обусловливать рациональные параметры - энергию и частоту ударов, расход энергоносителя - с минимально возможными вибрацией и шумом, иметь возможно меньшее усилие подачи, а также простую и технологичную конструкцию.
Многообразие возможных вариантов механизмов и машин можно проследить по их динамическим и конструктивным признакам [27], пользуясь которыми можно синтезировать ДПУМ(Т), который будет удовлетворять конкретным технологическим и эксплуатационным требованиям, например, по надежности. В данной работе оценка надежности ДПУМ(Т) проводится с учетом структурных, наиболее обобщенных признаков табл. 2.1 (раздел 2) машины.
Давление, температура, расход воздуха и показатель процесса в рабочих камерах дроссельного пневмоударного механизма
В соответствии с поставленными задачами исследований, примем в качестве критериев [256]: - съем мощности с единицы площади ударника sN=N/(pQuySy); (5.1) - удельный расход воздуха qG=GIN; (5.2) - амплитуду перемещения корпуса хк=т] /тк; (5.3) - звуковое давление воздуха на выпуске 153 Wp=20\g(pe-pa). (5.4)
В (5.1) - (5.4) обозначены: N- ударная мощность; р0 - давление воздуха в сети; иу - предударная скорость ударника; Sy - площадь диаметрального сечения ударника; G - расход воздуха за цикл; rf = (1 - (FH /(p0S)))(2my (l + ky)2N/ ip0S - коэффициент пропорциональности между подводимой и отводимой энергией к корпусу, вызывающей его перемещение [66, 256]; ту, тк - масса ударника и корпуса; FH - сила нажатия на корпус; / - частота ударов; ку - коэффициент отскока ударника от инструмента; рв = (2/3)((р0 -рс) + (р2с +Ърс р0)т) - давление воздуха в начале выпуска из камеры [66], полученное из выражения зависимости для среднего давления рс по пути ударника [226]; ра - атмосферное давление.
Исследования рабочего процесса ДПУМ показали, что для оценки баро- и термодинамических процессов на инженерном (прикладном) уровне, можно воспользоваться параметрами, поясняющими причину и следствие кинетики процессов во времени и пространстве. Для указанных целей приняты закономерности изменения параметров: - давления воздуха Р =Р«),Р =рЮ; (5-5) - расхода воздуха G, = G(t); (5.6) - температуры и удельных теплоємкостей 0 0(t),cpi=c(t),c„=c(t)i (5.7) - удельной энтропии процесса (5.8) - показателя процесса nt=n{t). (5.9)
В (5.5) - (5.9) обозначены: pt - давление воздуха в камере с объемом Vti ві - температура воздуха в камере; cpi, cvi - удельные теплоемкости воздуха в камерах соответственно при р const и V const St - энтропия процесса в камере; щ - показатель процесса (политропа); t - время.
Перечисленные параметры и зависимости (5.7) - (5.9) заимствованы из известных источников [234, 235, 257], рассчитывались по отдельным программам. Исходными данными для указанных расчетов служили параметры, полученные при решении систем уравнений, описывающих рабочий процесс ДПУМ (5.6) - (5.12) с соответствующими ограничениями.
Так, расчет термодинамических параметров и построение зависимостей (p-V), (S-0) осуществлялись по следующим уравнениям: (5.11)
В (5.10) - (5.12) обозначены: cp{px),cv(px),Sp{px),Sv{px) - удельные теплоемкость и энтропия соответственно для камер рабочего и холостого ходов при постоянном давлении и при постоянном объеме; п(рх) - показатель процесса для камер рабочего и холостого ходов.
Расход воздуха подсчитывался по зависимостям (2.12) и (2.14), а показатель процесса (политропа) по зависимости (2.3) и сопоставлялся с зависимостями (2.4) и (2.5).
Контроль решений системы (2.6) осуществлялся сближением (±10%) результатов расчета расхода воздуха по (2.12) и (2.14), а соответствие параметров (5.5) - (5.7) и (5.9) - по графическому представлению функции ху= x(t), которое «накладывалось» на временные зависимости других параметров одновременно.
Отметим, что для ДПУМ(ФНТ) графическое представление функции xy=x(t) тождественно представлению V=V(t), поскольку суммарный объем камер рабочего хода сохранялся при варьировании объемами Vn6 и Уфн, то есть при Хпб -const и „ const, выполнялось условие X=const. Здесь отметим, что при Ху = 0: Ур=Унр+Упб+Уфн (5.13) где Vn6 - объем камеры на участке пневматического буфера; VHp - объем камеры на участке наддува при рабочем ходе. При этом имеют место физические ограничения: приху (Ер-Ly)Vp= Vn6\ щкху {Ер -Ly)Vp= Упб+Кфн; Ер, Ly - величина участка габаритного хода и длина ударника.
Зависимости в изменениях давления воздуха в камерах наддува рабочего и холостого ходов в данном разделе обсуждаются в объеме тенденций изменения рассматриваемых зависимостей баро- и термодинамики ДПУМ(Т). Зависимости во времени для давления воздуха рр =p(t), температуры вр=6(ї), расхода Gp=G{t), удельных теплоємкостей cpp=cp(t), cvp=cv(t), а также показателя процесса пр=п{і) в камерах ДПУМ(Т) представлены на рис. 5.1 (для камеры наддува холостого хода) и на рис. 5.2 (для камеры наддува рабочего хода) осциллограммами моделирования рабочего процесса. Указанные зависимости совмещены с графиком пути движения ударника (зависимость xy=x(t)) и принципиальной схемой ДПУМ(Т) с отметками его характерных участков движения. Зависимость xy=x(t) является также взаимоконтролирующей для других параметров, изменяющихся во времени. Представленные машинные осциллограммы соответствуют условиям: ро= 0,6 МПа.
На осциллограммах обозначены: tp, tx, Т- время рабочего, холостого ходов и полное время цикла; рр, рх - давления воздуха в камерах наддува рабочего и холостого ходов; $Р6Л - температура в камерах наддува рабочего и холостого ходов; срр, cvp, срх, cvx - соответственно удельные теплоемкости воздуха по давлению и объему для камер наддува рабочего и холостого ходов; пр, пх, - показатель процесса в камерах наддува рабочего и холостого ходов. На графических зависимостях xy=x(i) цифрами обозначены характерные точки цикла, значения соответствующих параметров в которых представлены в прил. П5, табл. П5.1-5.10.
Текущие значения параметров и их графические зависимости полученные также для ро= 0,4; 0,5; 0,6; 0,7 МПа хорошо корреспондируются между собой.
Рабочий процесс в камере наддува холостого хода на примере 4-го цикла настройки ДПУМ(Т) при ро=0,6 МПа, рассматривается также в прил. П5.
В установившемся режиме после соударения ударника с инструментом, рабочий цикл повторяется: ударник начнет совершать очередной холостой ход, обусловленный импульсом отскока и давления воздуха в камере наддува холостого хода. Изменение давления воздуха px(t) (рис. 5.4) на участке 0-2 соответствует достаточно интенсивному (от 0,515 до 0,300 МПа), а затем более резкому (до 0,100 МПа) расширению воздуха в камере наддува с объемом Vx, при одновременном поступлении воздуха из сети через выпускной дроссель с проходным сечением сох. При этом тенденция изменения 6x{f) аналогична: снижение с 425 К до 330 К, а затем до 250 К. В начале движения ударника расход воздуха из сети Gx{t) возрастает до максимально возможного (Gx(t) рис. 5.1, табл. П5.3). Таким образом, при снижении px(t) и 6x{t) с увеличением объема Vx и расхода воздуха Gx{t) обусловливается колебание удельных теплоємкостей C(pV)x при срх = cvx (cpx(f), cvx{t) рис. 5.1, табл. П5.4).
