Формирование упругих волн в волноводах при ударе по ним полукатеноидальными бойками тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Жуков, Иван Алексеевич

• Жуков, Иван Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Жуков, Иван Алексеевич

Введение.

1 Ударные системы технологического назначения, основы теории удара и постановка задач исследования.

1.1 Ударные системы технологического назначения.

1.2 Известные методы решения задач о продольном ударе.

1.2.1 Теория Ньютона.

1.2.2 Модель Герца.

1.2.3 Волновая теория Сен-Венана (метод Даламбера).

1.2.4 Методы операционного исчисления.

1.2.5 Графодинамический метод.

1.3 Обоснование зависимости производительности ударных систем от формы ударного импульса. Рационализация ударного импульса

1.4 Постановка задач исследования.

2 Поиск и обоснование форм бойков ударных механизмов, генерирующих в волноводе ударный импульс оптимальной формы.

2.1 Поиск форм бойков, генерирующих в волноводе ударный импульс оптимальной формы.

2.2 Сущность геометрии бойков полукатеноидальной формы.

2.2.1 Разработка метода образования видов полукатеноидальных бойков ударных механизмов.

2.2.2 Поиск уравнения, описывающего катену в новой, повернутой системе координат.

2.2.3 Пример построения полукатеноидальных бойков с различными характеристиками.

2.3 Обоснование конструкций бойков, обладающих эффектом бойков полукатеноидальной формы.

2.3.1 Основные требования к конструкции соударяющихся деталей

2.3.2 Практическая реализация полукатеноидальных бойков.

2.4 Аналитическое исследование формирования ударного импульса в полубесконечном стержне при ударе по нему бойком полукатеноидальной формы.

2.4.1 Постановка задачи.

2.4.2 Представление задачи в области изображений.

2.4.3 Решение уравнения смещения сечений полукатеноидального бойка при продольном ударе.

2.4.4 Решение уравнения смещения сечений стержня при продольном ударе.

2.4.5 Определение ударного импульса в полубесконечном стержне при ударе по нему бойком полукатеноидальной формы.

2.4.6 Пример построения первой волны ударного импульса, генерируемого бойком полукатеноидальной формы.

Выводы по главе 2.

3 Исследование генерирования упругих волн в полубесконечном стержне полукатеноидальными бойками численным методом.

3.1 Основы численного метода расчета ударных импульсов.

3.2 Алгоритм компьютерной программы для исследования формирования ударного импульса в стержне бойками различных форм.

3.3 Оценка качества решения задач о формировании ударных импульсов численным методом.

3.4 Исследование генерирования упругих волн в полубесконечном стержне бойками полукатеноидальной формы с помощью ЭВМ

3.5 Сравнительный анализ результатов исследований генерирования упругих волн в волноводах бойками полукатеноидальной формы, полученных аналитически и численным методом.

Выводы по главе 3.

4 Экспериментальное исследование генерирования в волноводе ударных импульсов полукатеноидальными бойками. Об использовании результатов работы в промышленности.

4.1 Постановка задач экспериментального исследования полукатеноидальных бойков. Описание опытных образцов.

4.2 Экспериментальный стенд.

4.3 Требования, предъявляемые к аппаратуре, и характеристика применяемой аппаратуры.

4.4 Экспериментальное исследование генерирования упругих волн в волноводе полукатеноидальными бойками.

4.5 Об использовании результатов работы в промышленности.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование упругих волн в волноводах при ударе по ним полукатеноидальными бойками»

Ведущей отраслью промышленности Кузбасса является добыча угля и железной руды, в которой занято сравнительно большое количество населения области. Объем добычи непрерывно растет в результате освоения новых месторождений и расширения производственной мощности предприятий. Извлечение и переработка твердых полезных ископаемых, строительство подземных сооружений, добыча строительных материалов сопряжены с необходимостью разрушения больших объемов горных пород, исчисляемых в России миллиардами кубических метров в год. В горнодобывающей отрасли создаются разнообразные машины и механизмы, разрушение горных пород связано с большими затратами труда, времени, энергии и денежных средств. В настоящее время большой объем горной массы перерабатывается буровзрывным способом, одной из главных операций которого является операция бурения шпуров и скважин, которая представляет собой весьма трудоемкий и тяжелый цикл горнопроходческих работ при добыче полезных ископаемых. Вследствие этого вопросы совершенствования буровой техники весьма актуальны и имеют важное народнохозяйственное значение.

Наибольший эффект разрушения достигается при ударном воздействии на горную породу, именно на этом принципе строятся многие горные машины, в частности машины, используемые для бурения шпуров и скважин.

Актуальность совершенствования ударных систем технологического назначения связана со значительными экономическими выгодами, заключающимися в увеличении производительности буровых работ и уменьшении энергозатрат на бурение.

В настоящем исследовании ставятся и решаются задачи, связанные с проблемой повышения эффективности разрушения горной породы ударными воздействиями. В работе ставится задача о создании рациональной конструкции бойка, генерирующего в волноводе ударный импульс такой формы, при которой достигается максимальная передача энергии ударной системы разрушаемому объекту. Обосновываются способ образования и конструкции новых бойков, защищенные патентами Российской Федерации. Теоретические выводы проверяются физическим экспериментом.

Целью работы является поиск и обоснование рациональной конструкции бойков ударных механизмов, аналитическое и экспериментальное решение задачи о формировании упругих волн в волноводах при ударе по ним полукатеноидальными бойками.

Идея работы заключается в увеличении значения коэффициента передачи энергии, а, следовательно, и в увеличении производительности ударных систем технологического назначения путем подбора целесообразных форм бойков.

Методы исследования основаны на использовании

• известных положений теории удара;

• решений задач о продольном соударении стержней с использованием одномерной волновой теории Сен-Венана и графодинамического метода;

• математических принципов метода операционного исчисления;

• приемов конструирования деталей машин.

Научные положения, выносимые на защиту:

• Обоснование возможности существенного повышения эффективности разрушения горных пород ударными системами путем использования новых форм бойков ударных механизмов, а именно выполненных в виде полукатеноидов вращения.

• Способ образования полукатеноидальных бойков с использованием в виде образующих участков катены (цепной линии), рассматриваемой в осях, повернутых относительно исходных осей на различные углы.

• Аналитическое решение задачи об ударе по волноводам полукатеноидальными бойками с использованием теории Сен

Венана и интегрального преобразования Лапласа. 6

• Компьютерная программа поиска форм ударных импульсов ступенчатыми бойками, аппроксимирующими заданные криволинейными образующие бойков.

• Результаты экспериментального исследования по установлению форм ударных импульсов, генерируемых в волноводе полукатеноидальными бойками.

Достоверность и обоснованность научных положений и результатов обеспечена тем, что выполненные аналитические исследования основываются на классических положениях одномерной волновой теории удара, на известных законах механики и теории упругости. При решении частных задач в работе используются методы операционного исчисления, графодинамический метод теории удара и обоснованный физический эксперимент.

Научная новизна работы заключается в

• разработке способа образования видов полукатеноидальных бойков ударных механизмов;

• определении условий и законов формирования упругих волн в волноводе при ударе по ним полукатеноидальными бойками;

• разработке компьютерной программы, позволяющей решать задачу о генерировании волновых ударных импульсов в стержневой системе и оценивать результаты с высокой степенью точности;

• разработке принципиально новой конструкции бойка ударного механизма в биметаллическом исполнении.

Практическая полезность. На разработанные способ образования видов полукатеноидальных бойков ударных механизмов и конструкцию бойка ударного механизма в биметаллическом исполнении получены патенты РФ на изобретения. Разработанный способ образования полукатеноидальных бойков ударных механизмов внедрен на ОАО «Завод Универсал» г. Новокузнецка, занимающийся проектированием и производством гидравлических молотов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VIII, IX, X, XI, XII, XIII студенческих конференциях по секции теории механизмов, динамики и прочности машин, СибГИУ, г. Новокузнецк, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004 гг.; Юбилейной научно-практической конференции молодых исследователей Кузбасса «Шаг в будущее - 50 лет КузГТУ», Кемерово, 2000г.; 9-ой Международной научно-практической конференции «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-9-2003)», Улан-Удэ, Байкал, 2003г.; XXIV Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 80-летию со дня рождения академика В. П. Макеева, Государственный ракетный центр «КБ им. академика В. П. Макеева», Межрегиональный совет по науке и технологиям, Миасс, 2004г.; пятнадцатой научно-практической конференции по секции механики и машиностроения, СибГИУ, Новокузнецк, 2004г.; встрече руководителей и специалистов промышленных предприятий с рационализаторами и изобретателями, Администрация Кемеровской области, Клуб директоров машиностроительных предприятий, Кузбасская торгово-промышленная палата, КузбассРИЦ, Кемерово, 2005г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных статей, получено 2 патента РФ на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 61 наименование, 4 приложений. Основной текст изложен на 132 машинописных листах и поясняется 45 рисунками и 2 таблицами.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Жуков, Иван Алексеевич

Основные результаты проведенных исследований заключаются в следующем:

1. Теоретически и экспериментально показана возможность увеличения производительности ударных систем технологического назначения путем применения бойков рациональных форм без изменения других параметров.

2. В результате анализа различных форм ударников показано и обосновано, что бойки полукатеноидальной формы генерируют в волноводе ударный импульс оптимальной для разрушения обрабатываемой среды формы.

3. Составлена компьютерная программа, позволяющая решать задачу о генерировании волновых ударных импульсов в стержневой системе и оценивать результаты с высокой степенью точности.

4. Разработана конструкция бойков, которые обладают эффектом катеноида и могут использоваться в современных ударных механизмах.

Найдено теоретическое решение, определяющее форму ударного импульса в волноводе, генерируемого бойками полукатеноидальной формы.

Разработанная конструкция экспериментального стенда, подобранная измерительная аппаратура, разработанная методика экспериментального исследования генерирования упругих волн деформации в стержневой системе позволяют достаточно глубоко изучать форму ударного импульса в зависимости от формы ударяющего тела.

Выполнено экспериментальное исследование генерирования упругих волн в волноводах при ударе по ним полукатеноидальными бойками. Теоретические и экспериментальные результаты имеют удовлетворительную сходимость, что свидетельствует о пригодности аналитического и численного методов для расчета параметров ударных импульсов.

Заключение

Операция бурения шпуров и скважин представляет собой весьма трудоемкий цикл горнопроходческих работ при добыче полезных ископаемых. Наибольший эффект разрушения достигается при ударном воздействии на горную породу, именно на этом принципе строятся многие горные машины, в частности машины, используемые при проведении буровых работ. Вследствие этого, проблема совершенствования ударных систем технологического назначения, заключающаяся в увеличении производительности и уменьшении энергозатрат на бурение, весьма актуальна и имеет важное народнохозяйственной значение.

В настоящем исследовании решается проблема повышения эффективности разрушения горной породы ударными импульсами.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Жуков, Иван Алексеевич, 2005 год

1. Дворников JI. Т., Жуков И. А. Биметаллический ударник. В кн.: XXIV Российская школа по проблемам науки и технологий, посвященная 80-летию со дня рождения академика В. П. Макеева. Тезисы докладов. - Миасс: МСНТ, 2004. - 165 с.

2. Дворников JI. Т., жуков И. А. Боек ударного механизма. В кн.: Инновации и изобретения года: материалы регионального конкурса. -Кемерово, 2005.-80с.

3. Список докладов автора на научных конференциях

4. Жуков И. А. Обоснование формы ударяющего тела для машин ударного действия. VIII студенческая конференция по секции теории механизмов, динамики и прочности машин. СибГИУ. Новокузнецк,23.24 марта 1999г.

5. Жуков И. А. Теоретические обоснования форм ударяющих тел для машин ударного действия. Юбилейная научно-практическая конференция молодых исследователей Кузбасса «Шаг в будущее 50 лет КузГТУ». Кемерово, 17-18 февраля 2000г.

6. Жуков И. А. Основные теоретические предпосылки к изучению проблемы продольных колебаний при ударе. IX студенческая конференция по секции теории механизмов, динамики и прочности машин. СибГИУ. Новокузнецк, 22-23 марта 2000г.

7. Жуков И. А. К вопросу о нахождении форм волн деформации встержне при ударе по нему катеноидальным бойком. X студенческая конференция по секции теории механизмов, динамики и прочности машин. СибГИУ. Новокузнецк, 26-27 марта 2001г.

8. Жуков И. А. Алгоритм компьютерного исследования формирования ударного импульса в стержнях при ударе по ним катеноидальным бойком. XI студенческая конференция по секции теории механизмов, динамики и прочности машин. СибГИУ. Новокузнецк, 23 апреля 2002г.

9. Жуков И. А. Использование катеноидальных бойков в ударных системах технологического назначения. 9-я Международная научно-практическая конференция «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС-9-2003)». Улан-Удэ, Байкал, 23-25 сентября 2003г.

10. Жуков И. А. Аналитическое исследование формирования ударного импульса в стержне при ударе по нему полукатеноидом вращения. XIII студенческая конференция по секции теории механизмов, динамики и прочности машин. СибГИУ. Новокузнецк, 27-28 апреля 2004г.

11. Ю.Жуков И. А. Об аналитической разрешимости задачи продольного удара по волноводу катеноидным бойком. Пятнадцатая научно-практическая конференция по секции механики и машиностроения. СибГИУ. Новокузнецк, 28-29 июня 2004г.

12. Алабужев П.М., Стахановский Б.Н. К теории соударения стержней равного сечения и одинакового материала с упругими торцами сферической формы, Физико-техничес-кие проблемы разработки полезных ископаемых, 1966. № 3, стр. 63-68.

13. Александров Е.В., Флавицкий Ю.В., Хомяков Ю.В., Определение импульсов напряжения при продольном соударении упругих стержней произвольной геометрической формы, Краткий научный отчет Института горного дела им. А.А.Скочинского, Москва, 1965, 38 стр.

14. Алимов О. Д., Дворников Л. Т. Бурильные машины. М., «Машиностроение», 1976 г.

15. Алимов О.Д., Манжосов В.К., Еремьянц В.Э. Удар (распространение волн деформаций в ударных системах). Москва, "Наука", 1985. -360 стр.

16. Алимов О.Д., Шапошников И.Д., Дворников Л.Т., Исследование эффективности формы ударного импульса при вращательно-ударномбурении шпуров, Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, Новосибирск, 1971, № 5.

17. А. с. №1265038. Боек. Дворников JI. Т., Федотов Г. В. Бюл. №39,1986.

18. А. с. №1357215. Боек. Дворников JI. Т., Мясников А. А., Федотов Г. В. Бюл. №45, 1987.

19. А. с. №1362572. Боек. Дворников JI. Т., Федотов Г. В. Бюл. №48,1987.

20. А. с. №1391873. Модульный боек. Дворников Л. Т., Мясников А. А., Федотов Г. В. Бюл. №16, 1988.

21. А. с. №1489980. Боек. Дворников JI. Т., Федотов Г. В., Логушова О. В. Бюл. №24, 1989.

22. А. с. №1551543. Боек ударного механизма. Дворников Л. Т., Александров Л. Н., Федотов Г. В. Бюл. №11, 1990.

23. А. с. №1743842. Ударный механизм. Дворников Л. Т., Анохин. А. В., Федотов Г. В. Бюл. №24, 1992.

24. А. с. №906110. Боек. Дворников Л. Т., Мясников А. А. 1981.

25. А. с. №999394. Боек. Дворников Л. Т., Мясников А. А. 1982.

26. А. с. №999395. Боек. Дворников Л. Т., Мясников А. А., Тагаев Б. Т. 1982.

27. Батуев Г. С., Голубков Ю. В., Ефремов А. К., Федосов А. А. Инженерные методы исследования ударных процессов. М., «Машиностроение», 1977.

28. Бегагоен И. А., Дядюра А. Г., Бажал А. И. Бурильные машины. (Расчет, конструкции, долговечность). М., изд-во «Недра», 1972.

29. Бегагоен И. А., Бойко А. И. Повышение точности и долговечности бурильных машин. М: Недра, 1986.

30. Бейтмен Г., Эрдейи А., Таблицы интегральных преобразований, том 1, Преобразования Фурье, Лапласа, Меллина (Серия «Справочная математическая библиотека»), Москва, «Наука», 1969. 344 с.

31. Большая Советская энциклопедия. Третье издание. Том 29. Москва, 1978.

32. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. Изд. перераб. М.: Наука, 1980.

33. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. Изд. 10-е. М.: Наука, 1973.

34. Дворников Л.Т., Тагаев Б.Т., К вопросу о влиянии формы бойков ударных механизмов на эффективность разрушения горных пород, Известия Академии наук Киргизской ССР, 1981, № 6, стр. 16-21.

35. Дворников Л.Т., Тагаев Б.Т., Мясников А.А., Увеличение производительности машин для бурения шпуров в крепких горных породах, Известия высших учебных заведений, Горный журнал, 1984, № 11, стр. 61-66.

36. Дворников Л.Т., Шапошников И.Д., Исследование импульсов, генерируемых бойками различной формы, Сборник "Исследование узлов буровых установок", Фрунзе, 1972, стр. 64-70.

37. Диткин В. А., Прудников А. П. Операционное исчисление. Учеб. пособие для втузов. Изд. 2, доп. М., «Высшая школа», 1975.

38. Дьяконов В. П. Maple 7. Учебный курс. СПб.: «Питер», 2002. - 672 с.

39. Дьяконов В. П. Maple 9 в математике, физике и образовании. Изд-во «Солон-Прессс», 2004г. 688 с.

40. Еремьянц В. Э. Расчет ударных процессов в машинах. Часть 1. Модели продольного соударения тел с дискетными параметрами и их анализ. Учебно-методическое пособие / Кыргызско-Российский Славянский университет. Бишкек, 2001.

41. Жуковский Н. Е. Полное собрание сочинений. Том 1. Общая механика. Москва, 1937г.

42. Зегжда С.А. Продольное соударение двух систем стержней, Механика твердого тела, 1969. № 4, стр. 133-143.

43. Иванов К. И., Варич М. С., Дусев В. И., Андреев В. Д. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. Изд. 2, перераб. М., «Недра», 1974.

44. Иванов К.И., Манзиенко Г.Г., Ушков Н.Н., Андреев В.Д., Ерушин В.Е., Экспериментальное исследование формы поршня перфораторов, Горный журнал, 1968, № 8, стр. 42-43.

45. Кильчевский Н. А. Динамическое контактное сжатие твердых тел. Удар. Киев: Наукова думка, 1976.

46. Корн- Г., Корн Т., Справочник по математике. (Для научных работников и инженеров. Определения, теоремы, формулы). Москва, «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1977. 832 с.

47. Малышев Б.М. Измерение продолжительности удара, Вестник московского университета, 1952. № 5, стр. 3-12.

48. Манжосов В. К. Моделирование процесса преобразования продольной волны деформации на границе разнородных участков стержня с сосредоточенной массой. Вестник УлГТУ, г. Ульяновск, 4/2002.-71-85 стр.

49. Манжосов В. К. Продольный удар сосредоточенной массы по полуограниченному стержню с упругой прокладкой в ударном сечении. Вестник УлГТУ, г. Ульяновск, 3/2001. 77-85 стр.

50. Мигиренко Г. С., Ефграфов В. Н., Рыков А. А., Хон В. Ф. Ударные стенды для испытания малогабаритных изделий. — Икутск: Изд-во Икут. ун-та, 1987.

51. Модели удара в стержневых системах: методические указания / Сост. В. К. Манжосов. Ульяновск: УлГТУ, 1998. 60с.

52. Мясников А. А. Обоснование рациональной конструкции механического генератора волн продольных колебаний машин ударного действия для разрушения горных пород. Автореферат канд. дисс. Фрунзе, 1982.

53. Обработка металлов резанием. Справочник технолога. Изд. 3-е, под ред. Г. А. Монахова. М., «Машиностроение», 1974. — 600 с.

54. Открытие №13. Александров. Е. В. Бюл. №7, 1964.

55. Патент №2041792. Боек. Дворников JI. Т., Прядко Ю. А., Гудимов С. Н. Бюл. №23, 1995.

56. Патент №2137595. Ударник бурильной машины. Дворников JI. Т., Прядко М. Ю. Бюл. №26, 1999.

57. Пчелкин Б.К., Специальные разделы высшей математики. (Функции комплексного переменного. Операционное исчисление). Учебное пособие для втузов. Москва, «Высшая школа», 1973. 464 с.

58. Стахановский Б.Н., Приближенный метод определения времени, коэффициента восстановления, силы и передачи энергии присвободном прямом ударе тел, Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1971, № 1, стр. 70-83.

59. Таборкин Г. Я. Динамика взаимодействия соударяемых тел и передача внутренней механической энергии в средах деталей машин. Автореферат докт. дисс. Калуга, 2002.

60. Тагаев Б. Т. Поиск путей увеличения эффективности ударного разрушения горных пород при бурении. Канд. дисс. Фрунзе, 1985.

61. Тарг С. М. Краткий курс теоретической механики. М: Высш. Шк., 1986.

62. Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. -М.: Наука, 1972.,

63. Труды Американского общества инженеров-механиков, Конструировапние и технология машиностроения (Transactions of the ASME, Series В, Journal of Engineering for Industry), 1977. № 1.

64. Труды Американского общества инженеров-механиков, Конструирование и технология машиностроения (Transactions of the ASME, Series В, Journal of Engineering for Industry), 1977. № 3.

65. Труды Американского общества инженеров-механиков, Конструирование и технология машиностроения (Transactions of the ASME, Journal of Mechanical Design & Journal of Engineering for Industry), 1978.-№ 2.

66. Шапошников И. Д. Исследование волновых ударных импульсов с целью повышения эффективности работы вращательно-ударных механизмов бурильных машин. Канд. дисс. Фрунзе, 1969.

67. Шпигельбурд И.Я., Атапин В.Г. Продольные и крутильные колебания прямолинейных стержней с учетом внутреннего трения материала, Вопросы динамики механических систем виброударного действия, НЭТИ. Новосибирск, 1980. - стр. 98-110.