Стасюк Віктор Михайлович

УДК 621.929.7 (62-85)

ПНЕВМАТИЧНИЙ ПРИВОД ВИКОНАВЧИХ ОРГАНІВ УДАРНИХ

МАШИН ІЗ МЕХАНІЧНИМ ЗВ’ЯЗКОМ ПОРШНЯ-УДАРНИКА З

ВПУСКНИМИ ЕЛЕМЕНТАМИ

Спеціальність 05. 02. 03 – Системи приводів

Атореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вінниця – 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому національному технічному університеті

(ВНТУ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Пономарчук Анатолій

Федосійович, Вінницький національний технічний

університет, професор кафедри теплогазопостачання.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Берник Павло

Степанович, Вінницький державний аграрний

університет, завідувач кафедри автоматизації та

комплексної механізації технологічних процесів;

кандидат технічних наук, доцент Пішенін Володимир

Олексійович, Вінницький національний технічний

університет, доцент кафедри металорізальних верстатів

та обладнання автоматизованих виробництв.

Провідна установа: Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут”, кафедра

гідропневмоавтоматики та гідравліки, Міністерство

освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться “2011 2003 р. о 14 годині на

засіданні спеціалізованої вченої ради К 05. 052. 03 у Вінницькому

національному технічному університеті (21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе,

95, ГУК, ауд. 210).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Вінницького

національного технічного університету (21021, м. Вінниця, Хмельницьке шосе,

95, ГУК)

Автореферат розісланий “1010 2003 р.

Учений секретар спеціалізованої

вченої ради К 05. 052. 03 О. В. Дерібо

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У виконавчих органах ударних машин найчастіше використовуються клапанні та безклапанні пневматичні приводи. Клапанні приводи, як правило, конструктивно простіші, технологічніші та надійніші в експлуатації, однак для них властиві значні непродуктивні витрати стисненого повітря внаслідок безперервного подавання його в камери на протязі робочого циклу. Безклапанні приводи характеризуються невисокою енергоємністю робочого процесу (завдяки ефективному використанню енергії розширення стисненого повітря в робочому циклі), однак експлуатаційна надійність їх значно нижча. Це спричиняється тим, що тіла поршня-ударника і пневмоциліндра ослаблені значною кількістю концентраторів напруг - каналами та виточками для підведення стисненого повітря до робочих камер.

На величину однієї з основних робочих характеристик ударних машин - енергію ударів, тип вибраного привода впливає неістотно і вона залишається меншою порівняно з випадками використання у виконавчих органах гідравлічних приводів. Тому створення надійного в експлуатації пневматичного привода для виконавчих органів ударних машин, який забезпечував би отримання високої енергії ударів при помірних витратах стисненого повітря є актуальною задачею.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є продовженням досліджень імпульсних пристроїв з пневмоприводом для інтенсифікації технологічних процесів будівельних, гірничих та інших виробництв, які виконувались у Вінницькому національному технічному університеті за завданням державної науково-технічної програми (№ Держ. реєстрації теми 0195U025140). Тема роботи відповідає напрямку наукової діяльності кафедри теплогазопостачання Вінницького національного технічного університету.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є створення надійного в експлуатації пневматичного привода для виконавчих органів ударних машин, який забезпечує отримання високої енергії ударів при помірних витратах стисненого повітря.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- виконати детальний аналіз конструктивних схем і особливостей принципів дії клапанних та безклапанних пневмоприводів виконавчих органів ударних машин (як конструктивно простіших, технологічніших і надійніших в експлуатації порівняно з іншими) з метою виявлення найбільш раціональних технічних рішень для їх подальшої реалізації в об’єкті досліджень;

- розробити на базі знайдених рішень конструктивну схему пневматичного привода для виконавчих органів ударних машин;

- розробити комплексну математичну модель робочого процесу запропонованого пневмопривода для дослідження його динаміки;

- з метою виявлення раціональних величин конструктивних параметрів запропонованого пневмопривода дослідити залежність від них енергії та частоти ударів, а також ходу поршня-ударника і тривалості робочого циклу;

- провести експериментальні дослідження ударного вузла з розробленим пневмоприводом і встановити адекватність їх результатів теоретичним;

- розробити науково-обгрунтовану методику проектного розрахунку запропонованого пневматичного привода.

Об’єкт досліджень. Об’єктом досліджень є пневматичний привод виконавчих органів ударних машин.

Предмет досліджень - пневматичний привод ударного вузла з механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження робочого процесу пневмопривода з механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами виконані методом математичного моделювання, чисельними методами диференціального і інтегрального аналізу та комп’ютерного моделювання. Застосовані методики базуються на класичних наукових положеннях теоретичної механіки, теорії пневматичних приводів, методах математичного аналізу і прикладної математики, а також на результатах проведених наукових досліджень в області пневматичних приводів виконавчих органів ударних машин.

Експериментальні дослідження проводились з метою перевірки достовірності результатів теоретичних досліджень. Натурні випробування та експерименти проводились електро-вимірювальним способом із застосуванням сучасних приладів тензометрії, які мають достатню точність і необхідні частотні характеристики. Для обробки результатів експериментальних досліджень і оцінки їх достовірності використані методи математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше запропоновано здійснювати вмикання впускних елементів пневматичного привода виконавчих органів ударних машин за рахунок механічного зв’язку між ними і поршнем-ударником;

- вперше розроблено комплексну математичну модель робочого процесу пневматичного привода з механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами, в основу якої покладено розподіл робочого циклу на окремі періоди - фази з певними початковими і граничними умовами, що описуються системами нелінійних диференціальних рівнянь, котрі враховують рух поршня-ударника, фізичні процеси в робочих камерах привода та взаємодію поршня-ударника з робочим інструментом;

- вперше розроблена спрощена математична модель робочого циклу запропонованого пневматичного привода, яка дозволяє визначати величини робочих характеристик на етапі попередніх розрахунків без застосування ЕОМ;

- вперше виявлено і досліджено залежності енергії та частоти ударів, а також ходу поршня-ударника і тривалості робочого циклу від конструктивних параметрів привода з механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами;

- вперше знайдено діапазони конструктивних параметрів привода з механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами, в яких забезпечується отримання високих значень енергії ударів при помірних витратах стисненого повітря.

Практичне значення одержаних результатів:

- розроблена конструктивна схема пневматичного привода для виконавчих органів ударних машин, яка за рахунок механічного зв’язку між поршнем-ударником і впускними елементами забезпечує гарантоване виникнення коливально-го руху поршня-ударника на етапі запуску привода, стійкий ударно-вібраційний режим роботи та ефективне використання енергії розширення стисненого повітря в робочому циклі;

- розроблена методика проектного розрахунку запропонованого привода, яка дозволяє створювати конструкції аналогічних пристроїв за заданими технічними характеристиками;

- спроектований і виготовлений експериментальний зразок ударного вузла з пневмоприводом із механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами, під час експериментальних досліджень якого відмов в роботі не спостерігалось;

- розроблене програмне забезпечення для розрахунку комплексної математичної моделі робочого процесу запропонованого привода, яке може використовуватись в інженерній практиці для створення аналогічних пневматичних пристроїв;

- привод із механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами прийнято до впровадження у ВАТ “Електротермометрія” і ВАТ “Луцький автомобільний завод”, яким передані методика проектного розрахунку привода, програмне забезпечення і експериментальний зразок ударного вузла з розробленим приводом;

- методика проектного розрахунку пневматичного привода з механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами впроваджена в навчальний процес при викладанні дисциплін “Гідроприводи та пневмоприводи” у Луцькому державному технічному університеті та “Будівельні машини” у Рівненському державному технічному університеті (на сьогодні Українському державному університеті водного господарства та природокористування).

Особистий внесок здобувача. Результати досліджень отримані автором самостійно. Постановка задач і аналіз результатів виконані спільно з науковим керівником. У роботі [9] автором запропоноване обладнання для автоматизації роботи стенда; у роботі [10] автору належить ідея застосування періодичного механічного зв’язку між поршнем-ударником і впускними клапанами.

Апробація результатів дисертації. Основні результати теоретичних та експериментальних досліджень доповідались, обговорювались і були схвалені на: міжнародному семінарі “Реологічні моделі та процеси деформування пористих і композиційних матеріалів” (м. Луцьк, 1999 р.); першому науковому симпозіумі “Сучасні проблеми інженерної механіки” (м. Луцьк, 2000 р.); науково-технічному семінарі за проблемою “Применение низкочастотных колебаний в технологических целях” (г. Ростов-на-Дону, Россия, 2000 г.); науково-методичній конференції “Інноваційні технології навчання в технічному університеті” (м. Луцьк, 2000 р.); п’ятому міжнародному симпозіумі українських інженерів - механіків у Львові (м. Львів, 2001 р.); третій міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми економії енергії” (м. Львів, 2001 р.); науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Луцького державного технічного університету (м. Луцьк, 1999 - 2002 р.); науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу та співробітників Вінницького національного технічного університету (м. Вінниця, 1999 - 2001 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 14 друкованих робіт, в т. ч. 9 статей у фахових журналах і збірниках наукових праць, 1 патент на винахід, а також тези доповідей на симпозіумах, семінарах, конференціях.

Обсяг та структура дисертації. Дисертаційна робота викладена на 159 сторінках і містить 54 рисунки та 4 таблиці. Список використаних джерел складається з 168 найменувань. Додатки становлять 110 сторінок, містять 1 рисунок і 1 таблицю.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, висвітлений її зв’язок із науковими напрямками; сформульована мета роботи та задачі, які потрібно розв’язати для її досягнення; визначена наукова новизна отриманих результатів, а також наведені дані про їх практичну цінність, особистий внесок здобувача і апробацію результатів роботи.

У першому розділі виконано:

- огляд приводів виконавчих органів ударних машин;

- аналіз конструктивних схем і принципів роботи ударних вузлів із різними типами пневматичних приводів;

- огляд і аналіз методів розрахунку пневматичних приводів виконавчих органів ударних машин.

Встановлено, що:

- пневматичний привод широко використовується у виконавчих органах ударних машин завдяки наступним його перевагам: простоті конструктивного виконання, невисокій вартості, невеликій вазі на одиницю ударної потужності, експлуатаційній надійності в несприятливих умовах, високій швидкості спрацювання, відсутності особливих вимог до герметичності, безкоштовності і необмеженості запасу робочого тіла;

- серед пневматичних приводів найбільшого поширення у виконавчих органах ударних машин набули клапанні та безклапанні як конструктивно простіші, технологічніші і надійніші в експлуатації порівняно з золотниковими та комбінованими;

- капанні приводи надійніші в експлуатації порівняно з безклапанними, однак забезпечується це за рахунок значних непродуктивних витрат стисненого повітря. Відомі конструктивні удосконалення механізму впуску та системи повітророзподілу, спрямовані на їх зменшення, приводять до ускладнення конструкції привода і зменшення його надійності;

- безклапанні приводи більш енергоощадні порівняно з клапанними, що досягається (з метою використання енергії розширення стисненого повітря) значним ускладненням конструкцій їх основних деталей - поршня-ударника і пневмоциліндра, на поверхнях яких виготовляються повітророзподільні виточки, а в тілах - повітропідвідні канали. Перераховані конструктивні елементи є концентраторами напруг. Вони ослаблюють тіла поршня-ударника (найбільш навантаженої деталі привода) та пневмоциліндра, загрожують небезпекою їх руйнування в процесі експлуатації і знижують надійність та довговічність ударного вузла в цілому;

- на величину однієї з основних робочих характеристик ударних машин - енергію ударів, тип вибраного привода (клапанний чи безклапанний) впливає неістотно і вона залишається меншою порівняно з випадками використання у виконавчих вузлах гідравлічних приводів;

- створення простих за конструкцією пневматичних приводів для виконавчих органів ударних машин, які забезпечували б їх високу надійність і довговічність в експлуатації (та їх безвідмовність під час запусків зокрема) без погіршення технічних показників і зростання витрат стисненого повітря є актуальним науковим завданням.

Виконано аналіз розвитку наукових основ дослідження динаміки пневматичних приводів та методів їх розрахунку. Відзначено роль у створенні нових конструкцій пневмоприводів, дослідженні їх робочих процесів і розробці методів їх розрахунків таких провідних вчених, як Б.В. Суднішніков, К.К. Тупіцин, О.Д. Алімов, Н.Н. Єсін, Г. В.Перельцвайг, К. В.Герц, А.Ф. Пономарчук.

На основі зроблених висновків сформульовані мета дисертаційної роботи та задачі, які потрібно вирішити для її досягнення.

У другому розділі з метою вибору раціональної конструктивної схеми пневматичного привода для виконавчих органів ударних машин виконано кількісний порівняльний аналіз клапанних і безклапанних приводів за відносними показниками їх конструкцій і питомими енерговитратами.

За результатами аналізу сформульовані вимоги, дотримання яких дозволяє поєднати переваги клапанного і безклапанного розподілу стисненого повітря в одній конструкції привода, та побудовані діаграми порівняльних показників раціональності конструкцій приводів. Запропоновано конструктивну схему пневматичного привода (рис. 1), яка

забезпечує їх гарантоване вмикання на завершальних фазах робочого циклу при вертикальному або похилому положеннях привода. Описано принцип роботи запропонованого пневматичного привода, виконано обгрунтування вибору раціональних величин його основних параметрів.

Третій розділ присвячений теоретичним дослідженням динаміки робочого процесу пневматичного привода з механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами.

Виконано аналіз закономірностей функціонування запропонованого пневмопривода; визначено умови, дотримання яких забезпечує виникнення та існування стійких періодичних коливань (ходів) поршня-ударника.

Розроблено комплексну математичну модель робочого процесу пневмопривода з механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами, в основу якої покладено розподіл робочого циклу на окремі періоди - фази з певними початковими і граничними умовами, що описуються системами нелінійних диференціальних рівнянь, котрі враховують рух поршня-ударника, фізичні процеси в робочих камерах привода та взаємодію поршня-ударника з робочим інструментом (розрахункова схема для I фази зображена на рис. 2).

На рис. 2: , - відповідно діаметр і маса поршня-ударника; - тиск повітря в камері Б на I фазі робочого циклу; , - тиск стисненого повітря в камері А відповідно на початку і в кінці I фази; , , - фактична площа прохідного перерізу робочого вікна відповідно впускних елементів 4, 5 і випускних отворів 6; - хід поршня-ударника; - відстань, на яку переміщується поршень-ударник за I фазу; , , , - відповідно початковий і кінцевий об’єм камери холостого чи робочого ходу на I фазі; - сила опору рухові поршня-ударника на I фазі; , - фіктивна координата відповідно камери холостого і робочого ходу; - переміщення поршня-ударника; , - температура повітря відповідно в магістралі та атмосфері біля випускних отворів.

Під час складання комплексної математичної моделі прийняті такі основні припущення: швидкоплинні термодинамічні процеси зміни стану повітря в робочих камерах відбуваються без теплообміну з навколишнім середовищем і прийняті адіабатними; термодинамічні процеси, які відбуваються на окремій фазі робочого циклу (за елементарний період часу) розглядаються як квазістаціонарні; тиск і температура стисненого повітря в магістралі є постійними величинами; величина абсолютного тиску в магістралі становить 0,5 МПа, що дозволяє розглядати стиснене повітря як ідеальний газ; стінки пневмоциліндра і виготовлених в ньому каналів (для розподілу стисненого повітря з магістралі) та отворів для випускання відпрацьованого повітря абсолютно жорсткі; часом спрацювання клапанів впускних елементів і тривалістю удару знехтувано як величинами малого порядку; вплив ударної взаємодії на швидкість поршня-ударника враховується коефіцієнтом відскакування; втрати тиску повітря в зовнішніх з’єднаннях і внаслідок перетікання незначні, що дозволяє їх не враховувати; маса клапанів впускних елементів незначна і нею знехтувано. З врахуванням наведених припущень визначено умови, дотримання яких забезпечує виникнення та існування стійкого коливального руху поршня-ударника.

Для підвищення точності комплексної математичної моделі в рівняннях руху поршня-ударника в якості дисипативних сил шкідливого опору враховані сили в’язкого і сухого тертя:

де - коефіцієнт, який залежить від діаметра поверхні тертя рухомого елемента; lП - довжина поршня-ударника; v - середня лінійна швидкість переміщення поршня-ударника; - середній коефіцієнт кінематичної в’язкості повітря; - зазор між циліндричною поверхнею поршня-ударника і дзеркалом пневмоциліндра.

Втрати енергії стисненого повітря внаслідок його тертя в стінки каналів та камер, під час стискання та розширення струменя тощо враховані в математичній моделі коефіцієнтом витрат , визначеним за відомою залежністю

,

де - відношення тиску в середовищі, в яке надходить газ, до тиску в середовищі, з якого він витікає; - коефіцієнт сумарних втрат.

В загальному випадку комплексна математична модель робочого процесу пневматичного привода з механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами має вигляд

де , - тиск стисненого повітря відповідно в камері А і Б на і-й фазі робочого циклу; F - площа поперечного перерізу поршня-ударника; - сила опору рухові поршня-ударника (результуюча всіх сил опору за винятком сили, створеної стисненим повітрям в камері стискування) на і-й фазі. Згідно прийнятих припущень: ; , - зміна тиску відповідно в камері А і Б на і-й фазі; - показник політропи (z - порядковий індекс); , , - ефективна площа прохідного перерізу робочого вікна відповідно впускних елементів 4, 5 і випускних отворів 6; K - коефіцієнт (); R - газова стала; , - витратна функція термодинамічного процесу відповідно для камери холостого чи робочого ходу на і-й фазі робочого циклу; k - показник адіабати; , - тиск стисненого повітря відповідно в камері холостого і робочого ходу на завершенні і-ї фази; - відстань, на яку переміщується поршень-ударник за і-у фазу.

На базі відомого чисельного методу Рунге-Кутта 4-го порядку розроблено алгоритм і програму розв’язання рівнянь комплексної математичної моделі на ЕОМ, які забезпечують автоматичне об’єднання окремих фаз робочого циклу і ударну взаємодію поршня-ударника з інструментом в єдиний робочий процес. Виконані чисельні дослідження комплексної математичної моделі, в результаті яких встановлені залежності енергії та частоти ударів, а також ходу поршня-ударника і тривалості робочого циклу від конструктивних параметрів привода з механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами: відстаней , між осями впускних елементів і випускних отворів (рис. 1); кута фасок поршня-ударника; компенсаційних об’ємів робочих камер; діаметрів робочих вікон впускних елементів; діаметрів випускних отворів. Знайдено діапазони конструктивних параметрів привода, в яких забезпечується отримання високих значень енергії ударів при помірних витратах стисненого повітря.

На основі виконаного аналізу результатів чисельних досліджень розроблена спрощена математична модель робочого циклу пневмопривода, яка має наближений характер і дозволяє визначати величини робочих характеристик на етапі попередніх розрахунків без застосування ЕОМ.

Четвертий розділ присвячений експериментальним дослідженням пневматичного привода з механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами, які проводились з метою перевірки його роботоздатності та оцінки достовірності основних результатів теоретичних досліджень. В процесі досліджень на експериментальному стенді з напівавтоматичним керуванням виконувалось тензовимірювання і осцилографування тисків в камерах робочого та холостого ходів розробленого пневмопривода, вимірювання величини переміщення поршня-ударника, а також отримання на сталевій стрічці кулько-вих відбитків (при різних величинах конструктивних параметрів привода , , ), призначених для визначення по їх діаметрах величини енергії ударів.

В розділі наведено детальний опис експериментального стенда, принципу його дії, а також апаратури і приладів, які використовувались в процесі досліджень для вимірювання величин параметрів робочого циклу і отримання кулькових відбитків. Розроблені тарувальні графіки тензодавачів тиску, реохордного давача переміщення поршня-ударника, а також механізму для отримання кулькових відбитків експериментального стенда.

За результатами експериментальних досліджень виконано детальний аналіз збільшеного суміщеного зображення ділянки осцилограми робочого процесу привода з раціональними величинами його основних конструктивних параметрів (визначеними аналітичним шляхом при дослідженні комплексної математичної моделі) та осцилограм робочих процесів приводів із змінними параметрами , , . Побудовані графіки залежностей енергії ударів, їх частоти, а також ходу поршня-ударника від змінних конструктивних параметрів.

Порівняльний аналіз результатів теоретичних і експериментальних досліджень показав, що відхилення переміщень поршня-ударника не перевищувало 0 - 4,2%, тисків в камері холостого ходу 0 - 6,8%, тисків в камері робочого ходу 0 - 5,6%, частоти ударів 1,17 - 10,86%, енергії ударів 1,09 - 6,7% при систематичній похибці оброблювання результатів вимірів тиску 5,34% і переміщення поршня-ударника 7,87%. Отримані результати дозволяють вважати розроблену комплексну математичну модель адекватною реальному приводу, результати її аналітичних досліджень достовірними, а прийняті при її складанні припущення правомірними.

Експериментальні дослідження засвідчили високий рівень експлуатаційної надійності запропонованого привода - незалежно від величин змінних конструктивних параметрів режим його роботи характеризувався як стійкий ударно-вібраційний і жодної відмови під час роботи та багаторазових запусків не спостерігалось.

У п’ятому розділі розроблена методика проектного розрахунку привода з механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами, розглянуті перспективи та результати його впровадження.

Суть методики полягає в наступному: за вибраними згідно з відомими рекомендаціями величинами основних вихідних характеристик визначається маса, основні конструктивні параметри та хід поршня-ударника; на основі залежностей, отриманих за результатами чисельних досліджень комплексної математичної моделі привода з механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами, визначаються величини основних конструктивних параметрів привода; за формулами спрощеної математичної моделі визначають-ся величини основних параметрів робочого циклу і вихідних характеристик.

Розділ завершується наведенням даних про впровадження основних результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

1. Виконано детальний аналіз конструктивних схем і особливостей принципів дії клапанних та безклапанних пневматичних приводів виконавчих органів ударних машин та їх порівняльний аналіз за критеріями експлуатаційної надійності та енергоощадності. Встановлено, що клапанні приводи надійніші в експлуатації, однак для них властиві значні непродуктивні витрати стисненого повітря. Безклапанні приводи більш енергоощадні, але значна кількість концентраторів напруг ослаблює тіла поршня-ударника і пневмоциліндра та істотно зменшує їх експлуатаційну надійність і довговічність.

Сформульовані вимоги, дотримання яких забезпечує створення надійного в експлуатації пневмопривода і отримання високих значень енергії ударів при помірних витратах стисненого повітря.

2. Розроблена конструктивна схема пневматичного привода для виконавчих органів ударних машин, яка за рахунок механічного зв’язку між поршнем-ударником і впускними елементами забезпечує гарантоване виникнення коливального руху поршня-ударника на етапі запуску привода, стійкий ударно-вібраційний режим його роботи та ефективне використання енергії розширення стисненого повітря в робочому циклі.

3. Розроблена комплексна математична модель робочого процесу пневматичного привода з механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами, в основу якої покладено розподіл робочого циклу на окремі періоди - фази з певними початковими і граничними умовами, що описуються системами нелінійних диференціальних рівнянь, котрі враховують рух поршня-ударника, фізичні процеси в робочих камерах привода та взаємодію поршня-ударника з робочим інструментом. Розроблені алгоритм і програма її розв’язку на ЕОМ, які забезпечують автоматичне об’єднання окремих фаз робочого циклу і ударну взаємодію тіл в єдиний робочий процес. Виконані чисельні дослідження комплексної математичної моделі.

4. Встановлені залежності енергії та частоти ударів, а також ходу поршня-ударника і тривалості робочого циклу від конструктивних параметрів запропонованого пневмопривода: відстаней між осями впускних елементів і випускних отворів, компенсаційних об’ємів робочих камер, кута фасок поршня-ударника, діаметрів робочих вікон впускних елементів та діаметрів випускних отворів.

5. Знайдено діапазони конструктивних параметрів привода з механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами, в яких забезпечується отримання високих значень енергії ударів при помірних витратах стисненого повітря.

6. Розроблена спрощена математична модель робочого циклу запропонованого пневмопривода, яка дозволяє визначати величини робочих характеристик на етапі попередніх розрахунків без застосування ЕОМ.

7. Експериментальні дослідження засвідчили високий рівень експлуатаційної надійності пневматичного привода з механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами - незалежно від величин змінних конструктивних параметрів режим його роботи характеризувався як стійкий ударно-вібраційний і жодної відмови під час роботи та багаторазових запусків не спостерігалось.

8. Високий ступінь узгодженості результатів теоретичних і експериментальних досліджень - залежностей параметрів робочого циклу і робочих характеристик (енергії і частоти ударів, а також ходу поршня-ударника) від конструктивних параметрів привода (відстаней між осями впускних елементів і випускних отворів та кута фасок поршня-ударника) підтверджує адекватність розробленої комплексної математичної моделі реальному приводу з механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами, а використані під час її складання припущення - прийнятними і достатніми.

9. Розроблена методика проектного розрахунку пневматичного привода з механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами, яка дозволяє створювати конструкції аналогічних пристроїв за заданими технічними характеристиками.

Основні положення дисертації викладені в роботах:

1. Стасюк В.М. Розробка та аналіз приводу пневмоударного вузла // Наукові нотатки. (Луцький державний технічний університет). - 2000. - №6. - С. 206 - 212.

2. Стасюк В.М. Расчет конструктивних параметров пневматического отбойного молотка // Вибрации в технике и технологиях. (Вінницький державний сільськогосподарський інститут). - 2000. - №2. - С. 62 - 63.

3. Стасюк В.М. Розроблення і дослідження приводу виконавчого вузла пневматичної машини ударної дії // Машинознавство. (Національний університет “Львівська політехніка”). - 2000. - №8. - С. 40 - 43.

4. Стасюк В.М. Дослідження приводу пневмоударного вузла з механічним зв’язком поршня та впускних клапанів // Наукові нотатки. (Луцький державний технічний університет). - 2000. - №7. - С. 247 - 254.

5. Стасюк В.М. Результати експериментальних досліджень пневмоударного вузла з кінематичним зв’язком між поршнем та повітророзподільними клапанами // Вісник Рівненського державного технічного університету. - 2000. - №3 (5). Частина 2. - С. 23 - 29.

6. Стасюк В.М. Аналіз клапанних систем повітророзподілу приводів пневматичних машин ударної дії // Наукові нотатки. (Луцький державний технічний університет). - 2001. - №9. - С. 250 - 255.

7. Стасюк В.М. Дослідження умов виникнення і існування стійкого коливального процесу в приводі з кінематичним зв’язком елементів системи повітророзподілу // Вісник українського державного університету водного господарства та природокористування. - 2002. - №4 (17). - С. 331 - 339.

8. Стасюк В.М. Дослідження ударної взаємодії поршня і робочого інструмента у приводі з кінематичним зв’язком елементів системи повітророзподілу // Наукові нотатки. (Луцький державний технічний університет). - 2002. - №10. - С. 180 - 190.

9. Пономарчук А.Ф., Пономарчук І.А., Стасюк В.М. Стенд для випробування машин ударної дії // Вибрации в технике и технологиях. (Вінницький державний сільськогосподарський інститут). - 2000. - №2. - С. 56 - 57.

10. Пат. 38035А Україна, МПК7 Е21С 3/24. Пневмоударний пристрій / А.Ф. Пономарчук, В.М. Стасюк, І.А. Пономарчук (Україна). - Заявл. 19.05.2000; Опубл. 15.5.2001, Бюл. №4.

11. Стасюк В.М. Шляхи підвищення питомої потужності пневмоударника // Матеріали міжнародного семінару “Реологічні моделі та процеси деформування пористих і композиційних матеріалів” - Луцьк: ЛДТУ. - 1999. - С. 40 - 41.

12. Стасюк В.М. Дослідження залежності робочих характеристик виконавчого вузла пневматичної машини ударної дії від конструктивних параметрів його приводу // Тези доповідей першого наукового симпозіуму “Сучасні проблеми інженерної механіки”. - Луцьк: ЛДТУ. - 2000. - С. 53.

13. Стасюк В.М. Енергоощадний привід на основі кінематичного зв’язку поршня-ударника і двох повітророзподільних клапанів // Збірник матеріалів III Міжнародної науково-практичної конференції “Проблеми економії енергії”. - Львів: Національний університет “Львівська політехніка”. - 2001. - С. 136 - 137.

14. Стасюк В.М. Комбінована система повітророзподілу приводів пневматичних машин ударної дії // Тези доповідей п’ятого міжнародного симпозіуму українських інженерів-механіків у Львові. - Львів: Національний університет “Львівська політехніка”. - 2001. - С. 86.

АНОТАЦІЇ

Стасюк В.М. Пневматичний привод виконавчих органів ударних машин із механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05. 02. 03 - системи приводів. - Вінницький національний технічний університет, м. Вінниця, 2003.

Дисертація присвячена теоретичному узагальненню і вирішенню наукової задачі створення та дослідження високонадійного в експлуатації пневматичного привода для виконавчих органів ударних машин, який забезпечує отримання високої енергії ударів при помірних витратах стисненого повітря. Розроблена нова конструктивна схема такого привода, основана на використанні механічного зв’язку між поршнем-ударником і впускними елементами. Створена комплексна математична модель робочого процесу запропонованого привода та виконані її чисельні дослідження. Проведені експериментальні дослідження підтвердили достовірність результатів теоретичних досліджень. Розроблена методика проектного розрахунку пневматичного привода з механічним зв’язком поршня-ударника з впускними елементами.

Ключові слова: пневматичний привод, поршень-ударник, впускні елементи, механічний зв’язок.

Стасюк В.М. Пневматический привод исполнительных органов ударных машин с механической связью поршня-ударника с впускными элементами.

Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05. 02. 03 - системы приводов. - Винницкий национальный технический университет, г. Винница, 2003.

Диссертация посвящена теоретическому обобщению и решению научной задачи создания и исследования высоконадежного в эксплуатации пневматического привода для исполнительных органов ударных машин, который обеспечивает получение высокой энергии ударов без увеличения расхода сжатого воздуха.

В работе проведен анализ преимуществ и недостатков существующих пневматических приводов исполнительных органов ударных машин с позиции их эксплуатационной надежности и энергосбережения, на основании которого разработана новая конструктивная схема пневмопривода, обеспечивающая сочетание в нем преимуществ клапанного и бесклапанного распределения сжатого воздуха по рабочим камерам. За счет периодической механической связи поршня-ударника с впускными элементами гарантируется их включение на последних фазах рабочего и холостого ходов поршня-ударника, что обеспечивает надежность запуска и устойчивость режима работы предложенного пневматического привода, а также рациональное использование энергии расширения сжатого воздуха в его рабочем цикле.

Определены и исследованы условия возникновения и существования устойчивого колебательного процесса в приводе. Разработана комплексная математическая модель рабочего процесса привода, в основании которой лежит разделение рабочего цикла на отдельные периоды - фазы с определенными начальными и граничными условиями, которые описаны системами нелиней-ных дифференциальных уравнений, учитывающих движение поршня-ударника, физические процессы в рабочих камерах привода и взаимодействие поршня-ударника с рабочим инструментом. Для повышения точности комплексной математической модели в уравнениях движения поршня-ударника в качестве диссипативных сил вредного сопротивления движению учтены силы сухого и вязкого трения. Потери энергии сжатого воздуха вследствие его трения о стенки каналов и камер, при сдавливании и расширении потока и т. д. учтены в комплексной математической модели коэффициентом расхода. Созданы алгоритм и программа решения комплексной математической модели численным методом на ПЭВМ, которые обеспечивают автоматическое объединение отдельных фаз рабочего цикла и ударное взаимодействие тел в единый рабочий процесс.

Результаты аналитических исследований комплексной математической модели позволили определить зависимости выходных характеристик: энергии и частоты ударов, хода поршня-ударника, а также длительности рабочего цикла от конструктивных параметров привода: расстояний между осями впускных элементов и выпускных отверстий, компенсационных объемов рабочих камер; угла фасок поршня-ударника; диаметров рабочих окон впускных элементов и диаметров выпускных отверстий. Определены диапазоны конструктивных параметров привода с механической связью поршня-ударника с впускными элементами, в которых обеспечивается получение высокой энергии ударов при умеренном расходе сжатого воздуха.

Разработана упрощенная математическая модель рабочего цикла, которая позволяет определять значения рабочих характеристик на этапе предварительных расчетов без использования ПЭВМ, что удобно в инженерной практике.

Приведены результаты исследования ударного узла с приводом с механической связью поршня-ударника с впускными элементами на экспериментальном стенде. Исследования проводились путем тензоизмерений и осцилографирования давлений в рабочих камерах и измерения перемещений поршня-ударника при различных значениях конструктивных параметров привода. Выполненный анализ данных экспериментальных исследований подтверждает достоверность результатов теоретических исследований и правомочность принятых при этом допущений. Проведенными экспериментами подтверждена высокая степень эксплуатационной надежности пневматического привода с механической связью поршня-ударника с впускными элементами - независимо от значений изменяемых конструктивных параметров во время испытаний он работал в устойчивом ударно-вибрационном режиме и отказов во время многочисленных запусков не наблюдалось.

Разработана методика проектного расчета конструктивных размеров и предварительного определения параметров рабочего процесса пневматического привода с механической связью поршня-ударника с впускными элементами, которая позволяет создавать конструкции аналогических устройств за задаными техническими характеристиками. Полученные с ее помощью рациональные значения конструктивных параметров целесообразно использовать при моделировании на ЭВМ.

Ключевые слова: пневматический привод, поршень-ударник, впускные элементы, механическая связь.

Stasyuk V.M. Pneumatic drive of executive unites of machines of percussion function with the mechanical tie of percussion piston and admission elements. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05. 02. 03 - systems of drives. - Vinnytsia National Technical university, Vinnytsia, 2003.

The thesis deals with theoretical generalization and solution of a scientific problem of creation and research of highly reliable pneumatic drive for machines of percussion function, which ensures receiving of high energy of blow with moderate expense of compressed air. The new constructive diagram of such drive is designed. It is based on the use of periodical mechanical tie between the percussion piston and two admission elements. The conditions which ensure its reliable start and stable rate of work are determined. Complex and simplified mathematical model of the operational cycle of the proposed drive is performed. The numeral outcomes of analytical researches, which one are obtained on computer, are affirmed experimentally. The technique of design calculation of parameters of the suggested drive with mechanical tie of the percussion piston with admission elements is designed.

Key words: pneumatic drive, percussion piston, admission elements, mechanical tie.

Підписано до друку 08.10.2003 р. Формат 29.7 x 42 1/4

Наклад 100 прим. Зам. № 2003-155

Віддруковано в комп’ютерному інформаційно-видавничому центрі

Вінницького національного технічного університету

м. Вінниця, Хмельницьке шосе, 93. Тел.: 44-01-59