Теоретические основы расчетов конструкции

2.3 Теоретические основы расчетов конструкции

2.3.1 Анализ движения поршня

Конструирование гидравлического отбойного молотка предполагает расчет конструктивных параметров, обеспечивающих выполнение требований к эксплуатационным характеристикам, изложенных в техническом задании. При соблюдении этих конструктивных параметров гидравлический отбойный молоток способен обеспечить требуемую энергию удара и частоту ударов.

Следует особо подчеркнуть, что гидравлический отбойный молоток выдает энергию удара и частоту ударов за счет возвратно-поступательного движения поршня в пределах фиксированного хода. С внутри корпуса цилиндра. При этом фиксированном ходе поршень совершает непрерывный цикл: ускорение на обратном ходе → замедление на обратном ходе (торможение) → скорость на обратном ходе падает до нуля → ускорение на рабочем ходе → достижение точки удара с максимальной скоростью в _m → удар по хвостовику зубила (передача энергии удара) → остановка, начало следующего цикла. Этот фиксированный ход С называется ходом поршня; он является важной основой для определения габаритных размеров корпуса цилиндра.

Поршень совершает возвратно-поступательное движение внутри корпуса цилиндра. Начиная с точки удара, он ускоряется на обратном ходе до достижения максимальной скорости обратного хода в _мо , после чего начинает замедляться из-за переключения клапанов; скорость быстро снижается с в _мо в ноль — поршень останавливается в верхней мёртвой точке. Ход, который проходит поршень, называется обратным ходом. В этот момент, поскольку клапан всё ещё находится в исходном положении, поршень начинает ускоряться на рабочем ходе до тех пор, пока не достигнет точки удара. Когда поршень соприкасается с хвостовиком бошка, его скорость достигает максимального значения — так называемой максимальной ударной скорости поршня в _m . Ход, который проходит поршень от верхней мёртвой точки до соприкосновения с хвостовиком бошка, называется рабочим ходом. Очевидно, что обратный ход и рабочий ход должны быть равны.

Для более глубокого изучения теории проектирования гидравлических отбойных молотков полезно сначала понять закономерности изменения скорости поршня, давлений в различных полостях, а также распределения и изменения расхода рабочей жидкости в процессе работы. Причины и направления изменений рабочих параметров гидравлического отбойного молотка в процессе эксплуатации показаны на рис. 2-4.

p ₀— давление предварительной зарядки азотом аккумулятора; Q — расход жидкости, подаваемый насосом в гидравлический отбойный молоток; Q ₁является расходом на всасывании аккумулятора (+) и расходом на нагнетании (−); Q ₂является расходом на всасывании (+) и расходом на нагнетании (−) передней полости поршня, при этом Q = Q ₁ + Q ₂. Q ₃является расходом на всасывании (+) и расходом на нагнетании (−) задней полости поршня; p является давлением в системе.

На рис. 2–4 показан поршень в начале обратного хода. Расход насоса Q поступает в систему; одна часть ( Q ₂) поступает во фронтальную полость поршня и обеспечивает его обратный ход, в то время как из задней полости масло сливается в бак ( Q ₃); другая часть ( Q ₁) поступает в аккумулятор и сжимает азот, поэтому давление в системе p начинает расти от предварительного давления зарядки аккумулятора p ₀и непрерывно возрастает по мере того, как Q ₁поступает в систему. Движение гидравлического отбойного молотка, основанное на рабочем состоянии поршня, в общем случае можно разделить на три стадии, описанные ниже:

(1) Ускорение поршня на обратном ходе

Поршень начинает обратный ход из точки удара. По мере того как насос непрерывно подаёт поток, давление в системе p ↑ → скорость поршня в ↑ → Q ₂↑ → Q ₁↓ → Q ₃↑, и масло продолжает сбрасываться в бак. Поскольку скорость поршня в ↑ → Q ₂↑ → Q ₁↓, пока не достигнет значения Q ₁= 0. Характерной особенностью этого периода является в ↑ и p ↑. Когда Q ₁= 0, возникает точка перегиба: давление p перестаёт возрастать, однако скорость поршня продолжает увеличиваться (поскольку движущая сила для обратного хода поршня по-прежнему существует). После этой точки перегиба, поскольку в ↑, подача насоса Q уже не может удовлетворить потребность в расходе жидкости для движения поршня, т. е. Q ₂ > Q . Чтобы удовлетворить расходную потребность передней полости поршня, аккумулятор должен теперь выпускать масло для компенсации недостатка подачи насоса. Согласно принципу баланса расходов, Q ₂ = Q + Q ₁; в этот момент Q ₁— это расход масла, вытекающего из аккумулятора в переднюю полость поршня, до тех пор пока в ↑ до в = в _мо , клапан переключается, и поршень входит в фазу замедления при обратном ходе.

(2) Замедление поршня при обратном ходе

Во время обратного хода, поскольку переднее плечо поршня прошло обратное отверстие, клапан переключается и меняет направление силы, действующей на поршень; движущая сила прикладывается к поршню в противоположном направлении, и поршень начинает замедляться до тех пор, пока в = 0. Обратный ход завершён; поршень достиг верхней мёртвой точки и прошёл полный ход С , готовый к началу рабочего хода.

(3) Рабочий ход поршня

Когда скорость поршня снижается до в = 0, сила, действующая на поршень, меняет направление, поэтому скорость поршня в также меняет направление — от «+» на «−». Затем поршень начинает ускоряться во время рабочего хода под действием изменённой силы. В начальный момент ускорения при рабочем ходе скорость поршня исходит из значения в = 0, в этот момент расход масла поршнем Q ₃= 0; весь расход насоса Q поступает в аккумулятор, Q ₁ = Q , Q ₂= 0. По мере увеличения скорости рабочего хода в ↑ → Q ₃↑ → Q ₁↓ → Q ₂(−)↑. Следует отметить, что поскольку площадь передней полости A ₂меньше площади задней полости A ₁, согласно принципу баланса потоков, должно выполняться условие Q ₃ = Q ₂ + Q − Q ₁, с в ↑ и Q ₁↓, пока не достигнет значения Q ₁= 0. Это означает, что в ↑; в этот момент весь расход насоса Q полностью подаётся в заднюю полость поршня, т.е. Q ₃ = Q , Q ₁= 0, однако скорость поршня в еще не достигла максимальной скорости в _m . Поршень продолжает ускоряться; подача насоса Q уже не может удовлетворить потребность, поэтому аккумулятор начинает компенсировать поток, т.е. Q ₃ = Q + Q ₁(−), пока поршень не ударится в хвостовой конец боека при максимальной скорости в _m . В момент удара скорость поршня резко становится в = 0, и поршень передаёт ударную энергию В во внешнюю среду, завершая один рабочий цикл.

Поскольку подача/отбор жидкости из аккумулятора Q ₁меняется, давление в системе p также изменяется соответствующим образом. При зарядке аккумулятора, Q ₁= '+', давление в системе p ↑; когда аккумулятор разряжается во внешнюю среду, Q ₁= '−', давление в системе p ↓. Другими словами, рабочий процесс гидравлического отбойного молотка всегда сопровождается изменениями давления в системе. Когда в аккумулятор закачано максимальное количество масла, давление в системе достигает своего максимума. Когда поршень достигает точки удара, аккумулятор отдаёт максимальное количество масла — это момент минимального давления в системе. Следовательно, с момента запуска гидравлического отбойного молотка до достижения им стационарного режима работы его рабочее давление в системе p всегда циклически колеблется между максимальным давлением p _макс и минимальным давлением p _мин , и совершенно невозможно, чтобы оно оставалось постоянным и неизменным. На рис. 2-5 показаны изменения всех параметров системы при работе гидравлического отбойного молотка.

Рис. 2-5 Изменение параметров системы в процессе работы гидравлического отбойного молотка [Условные обозначения: штриховка = зарядка аккумулятора; двойная штриховка = разрядка аккумулятора; белый цвет = расход масла поршнем]

Описанный выше рабочий процесс показывает, что изменение рабочих параметров является весьма сложным — речь идёт о нелинейной системе. Это создаёт значительные трудности для углублённого теоретического анализа и исследований. Фактически, именно это является одной из главных причин того, что теоретические исследования гидравлических отбойных молотков отстают от развития продукции.

2.3.2 Современное состояние теоретических исследований

Исследователи по всему миру в целом применяют два различных технических подхода к теоретическим исследованиям гидравлических ударных устройств (гидравлических отбойных молотков): исследования, основанные на теории линейных систем, и исследования, основанные на теории нелинейных систем.

1) Исследование, основанное на теории линейных систем, предполагает постоянство силы, действующей на поршень, линейное увеличение скорости поршня с равномерной скоростью и игнорирование ряда влияющих факторов; на этой основе строится линейная математическая модель для теоретических исследований. Данный метод исследования очевидно прост и позволяет решать некоторые практические задачи, однако он недостаточно точен и сопровождается существенными погрешностями.

2) Исследование, основанное на теории нелинейных систем, использует нелинейные дифференциальные уравнения высокого порядка для описания закономерностей движения гидравлического отбойного молотка и обеспечивает более точное описание кинематики и динамики поршня гидравлического отбойного молотка. Такое нелинейное исследование отличается большей точностью по сравнению с линейным, однако по-прежнему опирается на ряд допущений. Хотя оно позволяет более точно выявить некоторые физические явления, связанные с гидравлическим ударом, его решение затруднено, интерпретация результатов непроста, а получить решения возможно лишь численными методами с использованием компьютерных вычислений, что делает его неудобным в практическом применении.

Помимо этих двух подходов, авторы после многих лет целенаправленных исследований предложили Теорию проектирования с использованием абстрактных переменных для гидравлических горных отбойников (гидравлических ударных механизмов). С помощью теории проектирования с использованием абстрактных переменных можно получить аналитические решения для гидравлических горных отбойников, что позволяет глубоко раскрыть внутренние закономерности движения гидравлического горного отбойника и обеспечить теоретическую основу для технических инноваций со стороны пользователей.

Методологический подход к проектированию гидравлических отбойных молотков на основе теории абстрактных переменных: признание нелинейности рабочих параметров гидравлического отбойного молотка, но применение эквивалентного преобразования силы для линеаризации нелинейной системы, что позволяет исследовать её методами линейных систем и получать аналитические решения. Рабочие и конструктивные параметры гидравлических отбойных молотков, определённые данным методом, отличаются высокой точностью, а расчёты — простотой. Теория проектирования гидравлических отбойных молотков на основе абстрактных переменных будет подробно рассмотрена в последующих главах.