Обоснование параметров и разработка дроссельного пневматического ударного механизма для замены трубопроводов водоотведения

Актуальность темы

Бестраншейные методы замены подземных водо-отводящих коммуникаций в России и за рубежом обусловлены ведением работ на ограниченных участках городских территорий, включающих транспортные магистрали, различного назначения строительные объекты и площадки, а также высокой стоимости проведения работ траншейными методами, которые могут оказаться неоправданными по экономическим расходам на восстановление территорий городского ландшафта. Устройство траншей в некоторых случаях (пожарои взрывоопасные объекты) просто недопустимо.

Учитывая, что на территории Российской Федерации ежегодной замене подлежат около 16 ООО километров сетей водоотведения, становится очевидно, что решением проблемы своевременной замены трубопроводов водоотведения может быть только 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. № 1 940 009 360 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 барои термодинамической модели дроссельной пневматической машины ударного действия для технологических процессов в строительном комплексе» (№ 9821−4- 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 барои 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 ударного механизма с камерой форсажа холостого хода и центральной возду-хоподводящей трубкой машины ударного действия для бестраншейной замены трубопроводов водоотведения с улучшенными эргономическими, техническими, 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.

Задачи исследования.

1. Обоснование направлений совершенствования существующих средств механизации для реконструкции инженерных коммуникаций водоотведения.

2. Выбор и обоснование принципиальной схемы пневматического ударного механизма.

3. Исследование взаимозависимостей параметров рабочего процесса пневматического ударного механизма.

4. Определение рациональных соотношений энергетических параметров рабочего процесса и уточнение методики инженерного расчета пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода.

5. 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 опытовтеоретические разработки с использованием методов механикиматематическое и физическое моделирование рабочего процесса пневматического ударного механизма с целью установления рациональных соотношений между энергетическими и геометрическими параметрамиэкспериментальные 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:

1. 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%.

2. 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 съема мощности с единицы площади ударника до 14%, а также уменьшение удельного расхода воздуха до 22%, 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 обоснована:

— 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 воз-духораспределения (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 №№ 2 301 890, 2 327 872, 2 336 989, 2 336 990) принципиальных схем дроссельных пневматических ударных механизмов с управляемым перепуском воздуха между рабочими камерами и дроссельных пневматических ударных механизмов с камерой форсажа холостого хода и подвижной центральной трубкой воздухоподвода;

— в разработке системы уравнений, описывающих рабочий процесс дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода с подвижной центральной трубкой воздухоподвода;

— в установлении взаимозависимостей и закономерностей между основными энергетическими параметрами и геометрическими соотношениями между объемами рабочих камер, площадями проходных сечений дросселей впуска, форсажа и выпуска воздуха из камер;

— в разработке аналитических и графических зависимостей для инженерного расчета основных геометрических параметров дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода и подвижной центральной трубкой воздухоподвода в диапазоне до трех порядков изменения энергии единичного удара, приемлемого для конкретных условий эксплуатации 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 ударного действия для реконструкции систем водо-отведения 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 ударного механизма с камерой форсажа холостого хода переданы предприятиям:

— Рубцовский филиал ОАО НПК «Уралвагонзавод» .

2. Результаты работы внедрены в учебный процесс для студентов специальности 270 113 «Механизация и автоматизация строительства» .

Апробация работы. Результаты исследований обсуждались и были одобрены на международных и всероссийских НТК и научных семинарах в Самарском ГАСУ, Омской автодорожной академии (СибАДИ), Новосибирском ГАСУ, Рубцовском филиале АлтГТУ.

Публикации. По материалам диссертации опубликована 21 научная работа, 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.

Выводы.

1. Физические эксперименты выполнялись при работе пневматического молота с ДПУМ (ФХ) при давлении воздуха 0,5- 0,6 и 0,7 МПа, подводимого к предкамере молота. Оценка результатов измерений энергии удара, частоты ударов, расхода воздуха при изменении соотношений геометрических размеров а=сор/юх, Х=Ур/Ух, которые определяли базовые размеры и являлись основными для методики инженерного проектирования молота и были достаточны для установления критериев по удельному расходу воздуха и удельному съему ударной мощности с единицы диаметральной площади сечения ударника.

2. Значения по энергии удара рассчитывались по диаграммам давления воздуха в камерах рабочего и холостого ходов. Максимальное расхождение в характерных точках диаграмм для камеры рабочего и холостого хода не превышали 2,5 и 3,0% в сравнении с численными значениями, полученными при моделировании.

3. Результаты исследований показали расхождение по энергии удара до 3,5%, по частоте до 3%, по расходу воздуха до 10%, что находится в пределах погрешности приборов и обработки измерений, т. е. в пределах систематической и методической ошибки.

4. Методика инженерного расчета ДПУМ (ФХ) содержит варианты табличных значений параметров и графические представления взаимозависимостей базовых параметров и размеров, дающие возможности проектировать отдельные результаты расчетов, которые выполнены и предложены в приложении П. З, П. 4 для изменении энергии ударов от 100 до 1000 Дж, частоты ударов от 10 до 16 Гц, скорости соударения от 8 до 15 м/с, для давлений воздуха, подводимого к молоту от 0,25 до 0,8 МПа.

Заключение

.

В диссертационной работе решена актуальная научно — техническая проблема, приведены научно обоснованные технические решения, использование которых вносит значительный вклад в развитие экономики страны, заключающийся в разработке высокоэффективных и надежных дроссельных пневматических ударных механизмов с камерой форсажа холостого хода для пневматической машины ударного действия с необходимой структурой ударной мощности, как основной машины комплекта для реконструкции систем водоотведения бестраншейным методом на любые приемлемые для эксплуатации в городских условиях проходные сечения труб.

В работе получены следующие новые результаты:

1. Разработаны новые принципиальные схемы дроссельных пневматических ударных механизмов с камерой форсажа и подвижной центральной трубкой (патенты РФ №№ 2 301 890, 2 327 872, 2 336 989, 2 336 990) воздухоподвода, позволяющие качественно и количественно улучшить рабочий цикл механизма;

2. Разработаны и исследованы математические модели настроек механизма с различными соотношениями геометрических параметров с учетом форсажа холостого хода, направленных на совершенствование энергетических параметров дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода;

3. Установлены рациональные соотношения геометрических размеров и энергетических параметров дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа, позволяющие получать увеличение удельного съема мощность с единицы диаметральной площади ударника и снижение удельного расхода воздуха:

— диапазон рациональных соотношений объемов Ух камеры холостого ходаикамеры Гфх форсажа — Гх/Уфх= 3. 5- площадей проходных сечений дросселей впуска шфп из предкамеры в камеру форсажа и дросселя впуска сохп.

В камеру холостого хода — <хф= шфп/сохп=8.10- площадей проходных сечений юхф впуска и выпуска из камеры форсажа и дросселя шфп впуска из предкамеры в камеру форсажа холостого хода — афх= шхф/шфп==5. 7, координат С начала впуска воздуха из камеры форсажа в камеру холостого хода и #х начала выпуска воздуха в атмосферу из камеры холостого хода — у=С/#х=0,2. .0,5;

— при ку = 0,1.0,4 в диапазоне отношений у = 0,2.0,4 обуславливает устойчивый рациональный режим работы и приводит к увеличению энергии единичного удара на 19,38% частоты ударов на 5,13%, удельного съема мощности с единицы площади ударника на 14,86%, снижению удельного расхода воздуха на 22,44%, расхода воздуха на 2,66%;

4. Разработана методика инженерного расчета дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа и подвижной центральной трубкой воздухоподвода и рекомендации позволяют рассчитать основные геометрические размеры механизма с любым сочетанием энергетических параметров, при заданном ограничении по удельному расходу воздуха;

5. Установлено, что применение отечественного оборудования с применением дроссельного пневматического ударного механизма с камерой форсажа холостого хода, позволит сэкономить время и затраты на замену и реконструкцию коммуникаций водоотведения;

6. Создан экспериментальный образец пневматического молота с дроссельным пневматическим ударным механизмом с камерой форсажа холостого хода и центральной подвижной трубкой. Молот не имеет аналогов в РФ и за рубежом. По металлоемкости на единицу ударной мощности молот выгодно отличается от зарубежных аналогов и не уступает отечественным образцам.