Обґрунтування параметрів вібропоглинаючого пружно-дисипативного демпфера гідромолота

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ імені Ігоря Сікорського»

БОВКУН ДАНИЛО СЕРГІЙОВИЧ

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ ВІБРОПОГЛИНАЮЧОГО ПРУЖНО-ДИСИПАТИВНОГО ДЕМПФЕРА ГІДРОМОЛОТА

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня магістра

2018р.

Робота виконана на кафедрі «Електромеханічне обладнання енергоємних виробництв» Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Сліденко Віктор Михайлович

Захист відбудеться 24 червня 2018 р. о 14:00 на кафедрі Електромеханічні обладнання енергоємних виробництв Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» за адресою: м Київ, вул. Борщагівська 115, ауд. 206.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національний технічний університету України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського».

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

гідромолот solidworks вібрація

Актуальність теми. В процесі будівництва тунелів та підземних споруд використовується спосіб руйнування гірських порід за допомогою механічних пристроїв, а саме гідромолота.

Гідромолоти стали невід'ємною частиною сучасної промисловості. Перевагами таких машин є універсальність, здатність руйнувати міцні матеріали при малій масі і габаритах, які обумовлюють їх високу мобільність. Застосування таких машин у вугільній, гірничорудній, будівельній, металообробній та інших галузях промисловості дозволяє механізувати багато трудомістких технологічних процесів і збільшити в 1,5-2 рази продуктивність у порівнянні з ручною працею при одночасному підвищенні якості робіт.

Під час утримання гідромолота, його переміщення, забезпечення силової дії на інструмент та інших функцій на конструкцію установки постійно діє вібрація корпусу гідромолота. Тому актуальною проблемою при розробці гідромолотів є зменшення вібраційної дії на машину. Тому актуальною задачею є зменшення шкідливої вібраційної дії гідромолота на обладнання машини.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є обґрунтування параметрів пружно-дисипативного демпфера для гідромолота для віброзахисту робочого обладнання.

Задачі

1. Провести аналіз методів зменшення вібрації імпульсних виконавчих органів та методів аналітичних і експериментальних досліджень.

2. Розробити конструктивну та розрахункову схеми, а також математичну модель функціонування пружно-дисипативного демпфера гідромолота.

3. Дослідити на міцність елементи гідромолота за допомогою програмного середовища SolidWorks.

4. Провести статистичне моделювання процесу функціонування гідромолота.

Методи дослідження включають в себе:

аналіз умов та методів зменшення вібрацій імпульсних виконавчих органів в будівельній галузі;

використання методів прикладної математики, що реалізовані за допомогою комп'ютерних програм;

застосування законів теоретичної та будівельної механіки, планування експериментів та статистичного моделювання.

Наукова новизна - вперше розроблено структурну, функціональну та математичну моделі вібропоглинаючого пружно-дисипативного демпфера, який відрізняється від відомих структурою з паралельно встановлених пружних та пружно-дисипативних елементів з можливістю послідовного підключення в процес коливання.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, додатків. Основна частина дисертаційної роботи викладена на 101 сторінках комп'ютерного набору і містить 45 рисунки і 15 таблиць. Повний обсяг дисертації складає 114 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мету, задачі, об'єкт і предмет досліджень, наукова ідея.

У першому розділі, на основі аналізу наукових публікації та монографій, проведено аналіз інформації періодичних видань монографій, що дає змогу систематизувати існуючі теоретичні методи зменшення вібрацій, та зробити крок для пошуку нових ідей підвищенням продовження терміну служби машини.

Проаналізувавши наведену в розділі інформацію обрано ефективний спосіб зменшення вібрацій в корпусі гідромолота та на обладнання машини, який створюється за допомогою пружно-дисипативного демпфера.

Найбільш близьким за технічною суттю є відомий «Гідроциліндр з демпфером», (патент на корисну модель UA 33162, F16F5/00, 11.08.2008), який задовольняє вимоги для реалізації методу.

На основі наведеної інформації сформовано задачі для дослідження: розробка структури дослідження та встановлення оптимальних параметрів функціонування гідромолота з пружно-дисипативним демпфером.

У другому розділі розроблена методика аналітичних та експериментальних досліджень. Метою дослідження є проектування експериментальної схеми установки та розробка плану експерименту.

Експериментальна установка складається з формуючого агрегату та комплексів вимірювально-реєструючої апаратури.

Вимірювальне обладнання представляє собою такі вимірювально-реструючи блоки: блок діагностування рівня шумів, блок діагностування рівня вібрації, блок випробування пружин, індукційний датчик переміщення, блок вимірювальної апаратури.

За допомогою стенду можливо дослідження перспектив розвитку пристроїв, що використовуються в гірничодобувній галузі.

У третьому розділі наведено рівняння руху одномасової моделі та його інтегрування.

Векторного рівняння статики:

(1)

де, - переміщення , k - коефіцієнт дисипації, - частота власних коливань дифузору, - прискорення зовнішнього навантаження.

(2)

Загальний розв'язок (1), як відомо, складається із загального розв'язку однорідного рівняння

і частинного розв'язку, тобто

xзаг(1) =xзаг(2)+xчаст(1);

Коефіцієнт дисипації:

Рівняння переміщення демпфера має вигляд:

(3)

Частота власних коливань системи з дисипацією:

(4)

Рівняння переміщення демпфера матиме вигляд:

(5)

Загальний розв'язок правої частини:

(6)

Частковий розв'язок неоднорідного рівняння:

(7)

Графічна інтерпретація представлена на рис. 2 і 3

Рисунок 2 - Графік затухаючих коливань

Рисунок 3 - Графік гармонічних незатухаючих коливань зовнішнього навантаження

Графічна інтерпретація загального розв'язку представлена на рис. 4.

Рисунок 4 - Графіки складових перехідного процесу

У четвертому розділі наведене дослідження моделі за допомогою модуля Simulation програмного середовища SolidWorks для визначення міцнісних характеристик моделі при різних процесах. Поставлені задачі: розробити віртуальну модель деталі у середовищі SolidWorks із завданням її фізичних властивостей; дослідити процес ударної взаємодії бойка с інструментом, визначити міцнісні характеристики ударних мас при генерації ними ударного навантаження; дослідити на міцність приводного пристрою гідромолота при нагнітанні рідини до пневмоакумулятору; дослідити на міцність тарільчасті пружини та за допомогою отриманих результатів зробити висновок щодо раціонального вибору складання пакетів пружин.

На рис. 3 зображено графік залежності напруження у верхній точці інструмента в залежності від часу під час ударного навантаження. Як видно з рис. 3 найбільше напруження складає 165 МПа у момент часу, який відповідає 210 мікросекунді.

Рисунок 5 - Зміна напруження в часі

Моделювання показало, що в напруження по Мізесу не перевищують межу текучості, тобто деталь витримує прикладене до неї навантаження. Максимальне переміщення ділянок деталі склало 1,5 мм. Найбільша деформація відбувається в місці контакту з породою та площею контакту одного елемента з іншим. Система бойок-інструмент витримує прикладене до нього ударне навантаження з запасом міцності 1,6.

Дослідження на міцність пакетів тарільчатих пружин

Результати досліджень показали, що максимальне значення напруження складає 154 МПа, а максимальна відносна деформація - 0,058см. Отримані при дослідженні результати моделювання дозволяють зробити висновки про запас міцності та небезпечні перерізи, в яких напруження не перевищує межу текучості матеріалу.

Дослідження на міцність приводного пристрою

Зарядка акумулятора пов'язана з політропічним стисненням газу в акумуляторі за рахунок зменшення об'єму акумулятора.

Результати дослідження показали, що найбільші механічні напруження спостерігаються при мінімальному об'ємі акумулятора - точка гідроудару. Максимальне значення напруження складає 15 МПа, а максимальна відносна деформація - 0,09мм. Приводний пристрій витримує прикладене до нього ударне навантаження з запасом міцності 5,68, тому необхідно зменшити товщину стінки корпусу гідромолота для зменшення вартості виготовлення.

У п'ятому розділі наведено статистичне моделювання процесу функціонування гідромолота з пружно-дисипативним демпфером. В результаті виконання цього розділу було описано випадкові величини n і , наведено повні математичні аналоги відповідних випадкових величин.

Визначено характер розподілу випадкових величин та знайдені їх числові характеристики.

Побудовані характеристики розподілів, суміщені з гістограмами, побудованими на основі статистичного ряду.

Знайдена ймовірність попадання показника політропи в задані межі присвячено дослідженню розрахунків енергії заряду акумулятора.

ВИСНОВКИ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ

У дисертації, поставлено і вирішено актуальне науково-прикладне завдання, яке полягає в обґрунтуванні можливості та ефективності використання гідромолота з вібропоглинаючим пружно-дисипативним демпфером. При цьому за результатами виконаної роботи та відповідно до поставлених завдань можна зробити такі висновки:

1. Аналізом літературних і патентних джерел встановлено, що метод зменшення вібраційної дії гідромолота на робочі вузли маніпулятора базової машини за допомогою вібропоглинаючого пружно-дисипативного демпфера є одним із ефективних способів.

2. Розроблено конструктивну та розрахункову схеми, а також математичну модель функціонування вібропоглинаючого пружно-дисипативного демпфера, що дозволяє реалізувати режим ефективного віброгасіння і реалізувати симетричний опір наближений до характеристики кубічної параболи.

3. Проведено розрахунки на основі математичної моделі для одномасової системи гідромолота. Задаючись вхідними даними, такими як частота власних коливань зведеної маси ?=21.08 рад/с, жорсткість с=789,5кН/м, кругова частота зовнішніх коливань ?1=18.84 рад/с, яка відповідає частоті ударів гідромолота f=4 Гц було розраховано коефіцієнт дисипації k=1,36 рад/с та максимальна амлітуда 0,025 м та побудовано графіки складових перехідних процесів.

4. Досліджено віртуальну модель гідромолота з пружно-дисипативним демпфером за допомогою модуля Simulation програмного середовища SolidWorks, проведено дослідження ударного навантаження при взаємодії бойка з інструментом показали, що найбільші механічні напруження спостерігаються на 210 мікросекунді ударної взаємодії бойка з інструментом у верхній частині інструменту та витримує прикладене до нього ударне навантаження з запасом міцності 1,6; досліджено на міцність корпус приводного пристрою і проаналізовано, що при максимальному тиску корпус може витримувати прикладене дане навантаження з запасом міцності 5,68, тому необхідно зменшити товщину стінки корпусу гідромолота для зменшення вартості виготовлення; досліджено на міцність збірку пакетів тарільчастих пружин, що показали найбільші механічні напруження спостерігаються на кромках пружин та було вибрано найбільш раціональну збірку пакетів, що витримує прикладене до нього навантаження з запасом міцності 1,2.

5. Проведене статистичне моделювання процесу функціонування гідромолота, було описано випадкові величини показник політропи n і декремент затухання . Визначено характер розподілу випадкових величин та знайдені їх числові характеристики. Побудовані характеристики розподілів, суміщені з гістограмами. Знайдена ймовірність попадання показника політропи в задані межі . Знайдена ймовірність попадання коефіцієнта дисипації в задані межі

6. Розроблено експериментальну схему установки для дослідження роботи пристрою в лабораторних умовах та підібрано реєструвально-вимірювальну апаратуру, виконано практичні рекомендації щодо планування та проведення дослідження.

АНОТАЦІЯ

Бовкун Д.С. Обґрунтування параметрів вібропоглинаючого пружно-дисипативного демпфера гідромолота.

Дисертація на здобуття наукового ступеня магістра за спеціальністю 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка спеціалізації - Електромеханічні та мехатронні системи енергоємних виробництв.

Дисертація присвячується обґрунтування ефективності застосування пружно-дисипативного демпфера в конструкції гідромолота, навісного на маніпулятор гірничої машини, для зменшення шкідливої вібраційної дії реакції віддачі.

Обрано ефективний спосіб поглинання енергії віддачі для гідромолота, що створюється за допомогою використання пружно-дисипативного демпфера. Була описана методика аналітичних та експериментальних досліджень процесів гідромолота. Розроблена модель експериментального стенду установки.

Визначено характер розподілу випадкових величин (нормальний розподіл для випадкової величини n та показниковий розподіл для ) та знайдені їх числові характеристики.

Обґрунтовано параметри вібропоглинаючого пружно-дисипативного демпфера. Розроблені конструктивна, розрахункова схеми та математична модель функціонування демпфера, що дозволяють реалізувати режим ефективного вібропоглинання і симетричний опір наближений до характеристики кубічної параболи.

ABSTRACT

Bovkun D.S. Substantiation of the parameters of the vibrating absorbing elastic-dissipative damper of the hydraulic hammer.

Thesis for a Master's Degree in specialty 141 Electricity, electrical engineering and electromechanics of specialization - Electromechanical and Mechatronic systems of power-intensive industries.

The dissertation is devoted to the substantiation of the efficiency of the use of an elastic-dissipative damper in the construction of a hydraulic hammer mounted on a manipulator of a mining machine to reduce the harmful vibrational effect of the reaction of impact.

An effective way of absorbing the return energy for a hydraulic hammer is created, which is created by using an elastic-dissipative damper. The methodology of analytical and experimental studies of the hydro-milling processes was described. The model of the experimental stand of the installation is developed.

The character of the distribution of random variables (the normal distribution for the random variable n and the index distribution for) are determined and their numerical characteristics are found.

The parameters of the vibration absorbing elastic-dissipative damper are substantiated. The design and calculation schemes, the mathematical model of the damper functioning, which allow to realize the regime of effective vibration absorption and the symmetrical resistance close to the characteristic of a cubic parabola, are developed.

Размещено на Allbest.ru