Динамика ударных систем молотов с промежуточным телом и молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу

Актуальность проблемы. Появление нового класса машин ставит перед исследователями, проектантами, изготовителями и эксплуатационниками целый ряд новых задач, среди которых одной из первых стоит задача определения места (производственной ниши) новых машин среди уже известных, имеющих аналогичное назначение (задача 2). Для установления этого места необходимо в первую очередь выявить набор и границы определяющих параметров машин нового класса (задача 1), провести сравнение их с параметрами существующих машин, после чего появляется возможность отграничить область максимально эффективного применения новых машин.

Именно такая ситуация сложилась в конце 60-х годов с появлением первого из высокоэнергетических молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу, впервые в мире созданного в Сибирском отделении РАН под руководством академика Б. В. Войцеховского и предназначенного для разрушения крепких породоподобных материалов (ППМ). Под такими материалами в данной работе понимаются материалы склонные к хрупкому разрушению при ударном воздействии (большинство горных пород крепостью свыше шести единиц по шкале профессора М. М. Протодьяконова, бетоны, чугуны, некоторые полупродукты и отходы металлургического производства и т. п.).

Решение двух вышеназванных задач возможно только при сравнительном анализе с существующими машинами аналогичного назначения. Сравнение должно проходить по главным техническим показателям машины (для ударных машин таковым является энергия удара) и технико-экономическим показателям (для молотов этого класса это способность и эффективность разрушения определенных объектов). В настоящей работе проводится сравнительный анализ двух разновидностей ударных систем высокоэнергетических гидропневматических навееных молотов — с промежуточным телом и с непосредственным ударом по разрушаемому материалу. Однако вид и конструкция привода ударника в контексте данного исследования не являются определяющими и не рассматриваются.

Ударная система практически всех навесных молотов для разрушения ППМ, выпускаемых ведущими мировыми производителями, состоит из ударника и инструмента (пики), длина которого, обычно, не более чем вдвое превышает длину ударника, а объем ППМ, который необходимо разрушить при воздействии этой системы, по своим линейным размерам сравним с длиной ударника, следовательно время распространения напряженного состояния в разрушаемом материале сравнимо с временем воздействия упругой волны со стороны рабочего торца инструмента.

Появление молотов типа молота СОАН-2 (высокоэнергетического молота с непосредственным ударом по разрушаемому материалу) поставило на повестку дня вопрос о разграничении областей использования таких молотов и молотов с промежуточным телом, а также вопрос о возможности замены молотов одного типа молотами другого. Возникла необходимость сравнения принципиальных особенностей воздействия на разрушаемый материал высокоэнергетического удара через волновод (пику) и непосредственного удара инструментом, являющимся, фактически, частью ударника.

Одним из главных способов исследования показателей машины нового класса является построение и сравнительное исследование (по отношению к уже существующим машинам) физико-математической модели основных процессов ее взаимодействия с обрабатываемым материалом.

Цель и задачи исследования

Диссертация посвящена выявлению областей наиболее эффективного применения навесных молотов, имеющих ударную систему с промежуточным телом, и молотов с ударной системой, наносящей удар непосредственно по разрушаемому материалу.

В работе ставились следующие задачи исследования:

1) изучение характерных особенностей и различий ударных силовых импульсов, воздействующих на разрушаемый материал, для молотов с промежуточным телом и высокоэнергетических молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу и влияния их параметров на формирование и распространение трещин в разрушаемом материале;

2) установление эффективных пределов энергии удара для молотов с промежуточным телом и высокоэнергетических молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу;

3) выявление критериев оптимизации параметров ударной системы для молотов с промежуточным телом и высокоэнергетических молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу;

4) получение пригодных для использования в инженерных расчетах зависимостей, связывающих показатели высокоэнергетических молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу и параметров разрушаемого материала;

5) изучение работы отдельных узлов молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу с целью повышения их надежности и долговечности.

Методы исследования.

Применен комплексный метод, включающий аналитический обзор и обобщение известного опытатеоретические разработки с использованием методов механикиматематическое моделирование ударных процессов с целью установления рациональных соотношений между основными безразмерными параметрами ударных системстатисгические исследования размерных рядов молотов, выпускаемых ведущими мировыми производителями, сравнение параметров удара, полученных теоретически и при испытании реальных машин в натурных условиях.

На защиту выносятся:

— результаты исследования физико-математической модели ударной системы молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу, позволяющие выполнять проектный расчет ударной системы высокоэнергетических молотов с учетом параметров ППМ;

— результаты исследования физико-математической модели тормоза прострела ударника, позволяющие обеспечить долговечность и безотказность работы этого узла;

— соотношения, пригодные для инженерного расчета ударных систем молотов;

Достоверность научных положений обоснована:

— анализом ситуации, сложившейся в мире с производством и проектированием молотов для разрушения крепких породоподобных материалов;

— статистическими исследованиями параметров размерных рядов навесных молотов, выпускаемых ведущими мировыми производителями, на основе корреляционного и регрессионного анализа;

— анализом общепринятой математической модели ударной системы молотов с промежуточным телом;

— сопоставлением параметров удара полученных при исследовании предлагаемой модели ударной системы высокоэнергетического молота с непосредственным ударом по разрушаемому материалу с результатами, полученными в натурных экспериментах;

— использованием полученных результатов при проектировании высокоэнергетических молотов с ударной системой с непосредственным ударом по разрушаемому материалу для промышленного применения в металлургическом и горном производстве.

Научная новизна и практическая ценность заключается в следующем:

— предложена физико-математическая модель ударной системы молота с непосредственным ударом по разрушаемому материалу, позволяющая производить проектный расчет ударной системы высокоэнергетических молотов с учетом параметров разрушаемого материала;

— предложена и исследована физико-математическая модель тормоза прострела ударника, с обоснованием характеристики этого узла, обеспечивающей долговечность и безотказность его работы;

— получены соотношения, пригодные для инженерного применения при проектировании ударной системы с промежуточным телом;

Личный вклад автора заключается в следующем:

— Предложена физико-математическая модель ударной системы молота с непосредственным ударом по разрушаемому материалу.

— Показано превалирующее влияние времени удара на эффективность разрушения ППМ высокоэнергетическим ударом.

— Определены рациональные границы наращивания энергии удара молотов с промежуточным телом (верхняя граница) и нижняя граница молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу, показана преемственность этих систем при наращивании энергии удара,.

— Обоснован рациональный выбор соотношений размеров ударника и инструмента при наращивании энергии удара молотов с промежуточным телом.

— Предложены формулы для инженерного расчета при проектировании ударных систем молотов с промежуточным телом и молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу.

— Предложена и исследована физико-математическая модель гидравлического тормоза прострела молота с непосредственным ударом по разрушаемому материалу, методика ее расчета, алгоритм и программа выбора оптимальных параметров.

— Определены области наиболее рационального использования молотов с промежуточным телом и высокоэнергетических молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу.

— Участие в поисково-конструкторских работах над высокоэнергетическими молотами с непосредственным ударом по разрушаемому материалу: М100 (участие в выборе конструктивной схемы, проектировании, испытании и внедрении) и М100ХЛ (проектирование и руководство проектом).

Практическая реализация. С использованием полученных результатов спроектирован и изготовлен молот с непосредственным ударом по разрушаемому материалу М100ХЛ, принятый в эксплуатацию Гурь-евским карьероуправлением объединения «Сибруда». Программы предварительного расчета молота и расчета тормоза ударника неоднократно использовались в процессе проектирования молотов с промежуточным телом и высокоэнергетических молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу сотрудниками КТИ гидроимпульсной техники СО РАН.

Теоретические и экспериментальные данные, представленные в диссертации, базируются на 18-летнем опыте автора в области исследования, проектирования, изготовления и внедрения в промышленность высокоэнергетических молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу. За участие в разработке и внедрении в промышленность молота М100 автор награжден Бронзовой медалью ВДНХ СССР. Автор считает своим приятным долгом высказать благодарность Л. А. Митину, В. В. Митрофанову, В. М. Корневу за существенную помощь в обсуждении направлений и результатов исследования, В. Л. Истомину за настойчивое подталкивание к написанию данной работы, а также соратников по конструкторской работе: Фадеева П. Я., Фадеева В. Я., Кулагина Р. А., Ермилова Н. П. и многих других.

Апробация исследований. Изложенные в диссертации результаты обсуждались на конференции «Обработка материалов импульсными нагрузками» (Новосибирск, 1990) и на Третьем западносибирском региональном семинаре по теории механизмов и машин (Новосибирск, 1998).

Публикации.

В процессе работы над молотами автором лично и в соавторстве с сотрудниками опубликовано более 100 работ, как в нашей стране так и за рубежом, часть из которых, непосредственно связанных с теоретическим осмыслением ударных систем, приведена в библиографическом списке диссертации. Основными работами автора по данному вопросу следует считать работы [49, 50,60−64].

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 159 страницах основного машинописного текста содержит 27 рисунков и 9 таблиц.

Список литературы

включает 132 наименования. В приложения включены данные экспериментальных замеров, программы машинных расчетов и другие материалы.

4.4. Выводы и перспективы исследований.

На основании изложенного можно заключить:

1. Высокоэнергетические молоты с непосредственным ударом по разрушаемому материалу не эффективны при разрушении малогабаритных объектов, эта область применения в основном останется за молотами с промежуточным телом.

2. Областями наибольшей эффективности высокоэнергетических молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу следует признать: а) разрушение крупногабаритных объектов из крепких материалов на поверхности земли (карьеры, металлургическое производство, строительство) — б) отбойка крепких горных пород при проходческих работах (проходка.

140 выработок на горнодобывающих предприятиях, строительство тоннелей транспортного и хозяйственного назначения).

И если в первой из названных областей уже началось промышленное использование высокоэнергетических ударных машин, то вторая еще ждет своего освоения. Особенно перспективным следует признать разрушение крепких пород посредством молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу при прокладке транспортных и хозяйственных коммуникационных тоннелей неглубокого заложения в городских условиях. В этом случае взрывная отбойка породы становится особенно сложной в связи с возможностью сейсмического воздействия на здания и сооружения, расположенные на поверхности земли вблизи строящегося тоннеля.

Дальнейшие исследования сводятся к следующему: -Дополнительные исследования отдельных узлов молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу (например, узла демпфирования отклонений ударника при косом ударе, узла сочленения молота с базовой машиной), построение физико-математических моделей этих узлов и доведение расчетных формул до уровня инженерного применения.

— Анализ влияния отдельных конструктивных решений узлов молотов на их надежность и долговечность, выявление наиболее перспективных направлений в проектировании этих узлов.

— Анализ сочетаемости различных схем механизмов взвода ударника как с конструкцией самой ударной системы, так и с гидросистемой базовой машины.

— Анализ материалов, предназначенных для создания ударных систем (как самого ударника, так особенно инструмента), выявить специфические требования к материалам и заготовкам, влияние на долговечность системы способов обработки ее элементов при изготовлении (особое внимание необходимо уделить способам поверхностного и объемного упрочнения).

— Для молотов, применяемых в проходческих комбайнах, разработка средств контроля и управления технологическим процессом с целью создания безлюдной технологии проходки выработок в крепких породах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Разделение прочных естественных и искусственных материалов нашло широкое применение в ряду технологических процессов горного, строительного, металлургического и некоторых других производств. Наблюдается постоянное совершенствование применяемой в этих целях техники и в том числе навесных гидравлических молотов. Бурное развитие производства и широкое распространение гидравлических молотов с относительно высокой энергией удара стимулировалось, с одной стороны, появлением гидрофицированных машин с достаточно мощными и надежными источниками жидкости высокого давления, а с другой — широкой потребностью в оборудовании, способном дробить достаточно крупные объекты из крепких горных пород и породоподобных материалов.

Однако развитие научных знаний (по крайней мере, в отдельных областях) отстает от потребностей практики, а постоянное наращивание энергии удара вновь создаваемых молотов с промежуточным телом достаточно быстро достигло своего рационального потолка.

Появление нового класса машин — высокоэнергетических молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу, с одной стороны, ознаменовало прорыв в область более высоких энергий удара, а с другой, потребовало нового осмысления вопросов, связанных с ударным взаимодействием стержневых систем с разрушаемым материалом.

В настоящей работе:

1. Исследованиями физико-математической модели доказано и статистическими исследованиями подтверждено, что молоты с промежуточным телом по энергии удара практически достигли своего верхнего рационального предела, и дальнейшее ее наращивание для молотов этого типа по многим причинам становится нерациональным.

2. Получены научно обоснованные соотношения, пригодные для инженерного применения при проектировании ударной системы с промежуточным телом.

3.Предложена и исследована физико-математическая модель ударной системы молота с непосредственным ударом по разрушаемому материалу, адекватно описывающая процессы, происходящие во время удара.

4. Показано превалирующее влияние времени удара на эффективность разрушения ППМ высокоэнергетическим ударом.

5. Получены научно обоснованные зависимости, учитывающие параметры разрушаемого материала при проектном расчете молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу.

6. Установлены критерии подобия ударных систем для молотов с промежуточным телом и высокоэнергетических молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу.

7. Показано, что подобие ударных систем молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу возможно только с учетом свойств материала, подвергаемого разрушению.

8. На основе предложенной физико-математической модели тормоза прострела ударника разработана методика расчета, алгоритм и программа выбора оптимальных параметров тормозной системы молота с непосредственным ударом по разрушаемому материалу.

9.Определены области наиболее рационального использования молотов с промежуточным телом и высокоэнергетических молотов с непосредственным ударом по разрушаемому материалу.

Вместе с тем, значительное число вопросов, особенно связанных с молотами с непосредственным ударом по разрушаемому материалу и настоятельно требующих своего решения, осталось за границами настоящего исследования.

Решение таких задач может и должно происходить параллельно с внедрением высокоэнергетических молотов в различные отрасли производства, их конструктивным совершенствованием. С этой целью необходимо шире вести маркетинговые исследования, проводить поиск предприятий, готовых освоить серийное производство таких машин.

Только высокое качество проработки всех этапов жизненного цикла, начиная от научных исследований и кончая сервисным обслуживанием серийно выпускаемой продукции, может обеспечить молотам с непосредственным ударом по разрушаемому материалу высокую конкурентоспособность и устойчивый рынок сбыта для предприятий, их выпускающих.