Теория и методы проектирования пневмотрамбователей для уплотнения грунтов и смесей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.04, доктор технических наук Суворов, Дмитрий Григорьевич

• Суворов, Дмитрий Григорьевич
• доктор технических наук
• 1998

Оглавление диссертации доктор технических наук Суворов, Дмитрий Григорьевич

Введение.

1. Состояние вопроса и задачи исследования

1.1. Особенности уплотнения грунтов в промышленном и 21 гражданском строительстве

1.2. Грунтоуплотняющее оборудование для работы в стесненных условиях строительного производства.

1.2.1. Ручные машины для уплотнения грунтов первой зоны обратной засыпки

1.2.2. Средства механизации для уплотнения грунтов второй зоны засыпки

1.2.3. Уплотнение обратных засыпок глубоких пазух-щелей (зона 3) и пазух под трубопроводами (зона 4)

1.2.4. Общие требования к грунтоуплотняющим машинам для выполнения обратных засыпок в стесненных у оло в ичнх в«**«есо»«аоо»»е»»е** 4:

1.3. Основные направления научных исследований по уплотнению грунтов. . 4

1.4. Анализ исследований в области разработки теории и создания пневматических ударных машин

1.5. Задачи исследования

2. Разработка структурной классификации, вопросы стру- 89 ктурного анализа и синтеза УЖ и пневмотрамбовате

2.1. Проектирование структурных схем: пневматических ударных механизмов (ПУМ), символика и изображе

2.2. Анализ структурной схемы УПМ по операциям' внутреннего рабочего процесса машиш . ^

2.3. Предложения по структурной классификации УШ\/Г. . .' ЮЗ

2.4. Применение структурной классификации к анализу

2.5. Применение структурной классификации к синтезу

3. Вопросы динамики и совершенствования рабочего процесса пневмотрамбователей.

3.1. Разработка и описание базовых математических моделей пневматических трамбователей.

3.2. Экспериментальное исследование рабочего процесса пневматических трамбовок.

3.2.1. Рабочий процесс и технические характеристики поршневых УЕМ

3.2.2. Применение метода силовых, кинематических диаграмм при экспериментальном: исследовании УЕМ.

3.3. Совершенствование пневмотрамбователей н.а основе анализа осциллограмм рабочего процесса.

3.3.1. Улучшение энергетических показателей рабочего цикла машин

3.3.2. Рабочие циклы пневмотрамбователей с улучшенными вибрационными характеристиками

3.4. К определению расхода сжатого воздуха УЕМ

3.5. Некоторые зависимости, вытекающие из диаграмм рабочего процесса пневмотрамбователя.

3.5.1. Генерируемый импульс. . . . хб

3.5.2. Уравнения термодинамики да отдельных процессов д .¿«гл- X •*«.- «ввевеооаоввеовавоа»«

3.5.3. К расчету пневмоударного механизма по средним интегральным значениям давления сжатого воздуха в управляемых полостях.

4. Особенности технологического процесса уплотнения грунта пневматическими трамбователями.

4.1. Импульсные диаграммы грунтоуплотняющих машин со свободно падающей трамбующей плитой.

4.2. Ударное взаимодействие пневмотрамбователей с грунтомev*«eoee«o*ee*«eeeaeoo

4.2.1. Основные зависимости характеристик ударного взаимодействия с параметрами внутреннего рабочего цикла пневмотрамбователей

4.2.2. Некоторые результаты экспериментального исследования ударного взаимодействия пневмотрамбователя с грунтом

4.2.3. Сравнительная оценка эффективности уплотнения грунта шаботным и бесшаботным трамбователями

4.3. Рабочие характеристики и режимы уплотнения грунта бесшаботных пневмотрамбователей

5. Разработка принципиальных схем пневматических трам-бователей с управляющими устройствами (автоматами) в системе воздухораспределения.

5.1. Краткая история создания теоретических основ дискретных систем автоматики.

5.2. Основные понятия и предпосылки проектирования УПМ с управляющими устройствами-автоматами

5.3. Операции рабочего цикла УШ и графы последовательности их выполнения.

5.4. Узлы объектов управления УПМ

5.5. Объекты управления УБРЛ и их типовые математические модели.

5.6. Проектирование управляющего устройства - управляющего автомата и алгоритма функционирования системы управления воздухораспределением

5.6.1. Математическое представление управляющего устройства

5.6.2. Графы состояний УУ системы В.Р.У1Ж.

5.6.3. Установление внутренних состояний многотактных 247 автоматов

5.6.4. Разработка алгоритма функционирования системы управления воздухораопределением УЕМ.

5.7. Построение структурно-функциональной схемы АСУ воздухораспределением УПМ.

5.8. Алгоритм разработки структурно-функциональной схемы УПМ с АСУ воздухораспределением:

5.9. Техническое проектирование системы управления воздухораспределением' УПМ.

6. Вопросы конструирования грунто-уплотняющего оборудования для обратной засыпки на основе пневматических трамбователей.

6.1. Технологические предпосылки и обоснование параметрического ряда пневмотрамбователей . CU

6.2. Построение параметрического ряда пневмотрамбователей

6.3. Особенности конструкций подвески и манипуляторов, применяемых для трамбователей

6.4. Основные- этапы общей методики проектирования уплотняющего оборудования на базе пневмотрамбователей

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теория и методы проектирования пневмотрамбователей для уплотнения грунтов и смесей»

Актуальность темы

Отечественный п зарубеювын опит по i/.ехашшацни уплотнения грунтов обратной засыпки в строительстве показывает, что проведение этих работ вызывает значителыше трудности, так как они не могут быть выполнены грунтсуллотнптсльпю; •: i laniBHaj и общего назначения. , то связано с особенностью технологических процессов, которые сводятся к следующему:

- при выполнении обратных засыпок необходимо обеспечить сохранность возводимых и смонтированный елеыентов инженерных сооруыени' , что ограничивает силовые параметр;.! процесса ¿плот-нения ;

- работа ведется в стесненны;; и особостесненных условиях строительно-" пйэтцедка с рассредоточенными объез их п в ограниченных по размерам ш сложных по конфигурации рабочих зонах;

- норм:: плотное??., улонеиного прЖ засыпке грунта, дол ню быть достаточно высоки и составлять от макс иг:аль-но' стандартно;' плотности.

Подобные условия резко с ни. .ант проиаводательдать известных грунтрунлотентельнь::. юашин или делают их применение экономически нецелесообразным. Кеде уплотнение засыпного грунта из-за его просадки приводит к разрушению элементов зданию и соо-руменп'- и затрудняет их дальне пцп эксплуатации. Па ре: онтно-Еосстановителыше работы затрачиваются значительные деке: -и¡е средства, дефицитные материал:: и трудовые ресурсы» "о данный бывшего Юннстроя ОС"? стою.ости Только ремонтных материалов составляла свыше 1-го ылрд.руб в год. Годово- объе:. грунта при обратных засыпках по страна!. СНГ превышал I млрд.м3 Сданные |,:]7ГТ0:.тТГг). Анализ средств механизации t нрггленяемпх при уплотнении грунтов обратной засыпки показал, что они мало э./,ек-тивнн при работе с тяжелыми глинистыми грунтами и механизируют не более четверти всего объема работ в строительстве.

Перспективным направлением разработки оборудования для механизации уплотнения грунтов обратных засыпок является создание машин с непосредственны», и комбинированны-, воздействием активного ударного органа на грунт, к которым относятся пневматические бвещзботные трамбовки. Они прости по конструкции, долговечны и э^дективы при уплотнении различных по лФиконпеханическж; свойствам грунтов. применение их в строительстве сдерживается отсутствие! ) производства машин с необходшаши техноко-эконог и-ческими характеристиками, что, в свою очередь, не обеспечено теоретически обоснованными методами проектирования.

Как показали исследования, бес-шаботные пневматические тра-мбозателн с усовершенствованна:ми системами управления ьоздухора спре деле ниш реализм)т энергосберегающие циклы и и: еют широки." диапазон изменения генерируемого ударного импульса в предела:-: G,.¿10; сгсссбнк выполнять работу во всех зонах уплотнения обратных засыпок, предусматриваемых СЕнПами.

Зше изложенное подтверждает актуальность исследований по разработке теории методов расчета и основ конструирования, а так; ,е создания новых видов оборудования ,:щя уплотнения грунтов обратно: засыпки. ~ комплексе исследования направлены на репе-пне а,.лю- научно-техкиче см-" проблемы го повышению з:7",ективно-сти п устранении непроизводительных материальных и трудовых затрат е гра: далеком и промышленном строительстве при выполнении этого специального вида работ.

Исследования выполнены в соответствия с плакали НИР Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (до 1993 г. ШТС1Т им. 3.3.Куйбышева), совместными планами НИСГТ и битной: (г.? пмки, Носкобскож обл., 19сС г.), координационным планом Госкомитета по науке и тежике СССР* (Проблема С. 1.01.11. Постановление Госкомитета Совета 'инистров СССР по науке и технике И 39С от 05.II.76 г.), планами .ТИР, уИгтансир'УемЕпс из республиканского бюджета по едино:::/ заказ-наряду и "Грантам" комитета по высшей школе "ивн^тси России 1993 .1957 г.г.

Гель работы. Разработка .:: совершенствование теории, методов расчете и конструтсци' пневмоударных машин для уплотнения грунтов обратно": засыпки.

Идея работы состоит в использовании для уплотнения грунтов и обратно" засыпки н строительстве пневматических бе ста бот нш: тра: бователей с непосредственна! , комбинированны!: воздействие! ударного рабочего органа на обрабатываемую среду; г применении в Ш конструкцЕИ специальных воздухораспределитель::!:;, устройств с блока! и логического управления значптелън рхуч^Щащитпнет-гетическке и основные темшко-зкотго? ичестше показатели пневматически: ударных 3нлотг: теле -. ля достиме: пя поста .лек. о.' цели реализации идеи работы были определен:: следующие задгчи ьсследования:

I. Провести, анализ известных средств механизации для упло-тне: ш грунтов обратнш: засыпок, эта:" их совершенствования :. разработки коистр! сци , определить наиболее перспективные из них ж на примере пневматических ударных уплотнителе-":' выработать и обосновать общ- подход к проблеме создания высокой", ,ективкых грунто;.илотш:тельвнх машин для гражданского п прошшгенного строительства.

0. Получить математические модели пневматических ударных машин с трамбовщик рабочим органом и на их основе исследовать динамику л особенности рабочего 1~.:оцесс?, рекимы уплотнение грунт о: ■ е область :гх рг -::о: альт:х т ехнологичееких rape. етров, разработать рекомендации для совершенствований существующих и разработки новых более s Лективннх машин с улучшенными знет -гетическп: и технологически и: характеристиками.

3. Разработать методы проектирования ударно-пневматических механизмов с авто: атическл.к система;-." управления подачей ска-того воздуха в рабочие камеры с применением элементной базы промышгеннон пневмоавтоматики, предло. нть их cthv и^рну., клас-си ,ккацих, основ: анализа и синтеза, матей,аткчесыне : одели рабочих циклов> объектов управления, управляющих устройств, а так. .е алгорпт! построения их дункциоыальшх схе: .

4* Разработать и обосновать методику англитг." есксго проектирования ударных пневматических уплотнит елей -трамй оват,ел ef' для производства обратный заситск и на основе исследований иредлс-:штъ раз*;ерно-параметричесш^ ряд машин.

Методы г. с следования

3 диссертационной работе использован:., аналитические и эксперимент Ельни"е г етодк исследования. .Аналитические исследования проведены на основе обобщенных уравнен::" Лагранка второго ряда для систем с реакциями i еголо :•: связс", законов терм о динапике для тепломеханических систем, как совокупности твердых и термодинамических тел переменной пассы, основ теории механики грунтов и теории автоматических систем управления процессами, с ксперим ентальше исследования выполнены в лабораторных и производственных условиях с использованием современной измерительной аппаратам.

Научные результаты, защищаемые автором

Передача энергии грунту в процессеуплотнения пкевмотра-мбователем осуществляется комбинировании: силовым воздействие*, ударных и ударно-статических импульсов таким образом, что среднее интегральное значение силы импульсов, действующи'" па поршень-шток машины, равно алгебраическо:" суше сил тяжести корпуса машины и составляющей усилия нажатая, 7гр:.;:о*'*еьшо' к корпус:;.

2. 3 структуре рабочего цикла пневмотрамбователя для >-з разгона и выбега :.; : холостом и рабочем ходе поршня, кроме импульсов, обеспечивающих необходимое ускорение или замедление дай- вния поршня-штока входят и: пульсы, про т нво д е" с те ующи е разгону или выбегу, частичное или полное устранение которых обеспечивает повышение -энергии удара, машины в 1,3.1,5 раза. йнмоние вибрационных параметров гневмотрамбонателя в частности, на ОС.,.00''" наибольшего смещения корпуса, совершающего колебательное дарение в "плавающем" ре: пне, достигается за счет уменьшения величин разнонаправленных и равновелнеих импульсных пар суммарной диаграмма сил от с: :атого воздуха, тя: стп и усилия наматия, действующих на корпус за время, равное одному цикл;. гдя сохранения при ото:., энергии удара машины поло. птелънап щ.пульсная пара, действующая при рабсче: годе поршня, долг-ша быть уменьшена за счет преобразования |орш шпуль-сов (сокращения плеча пары), а не и:: абсолюты::' значений,

4. участке .пну ска сяатого воздуха ь т при холосто: - рабочем ходах прогзьодкгя переменного давления по времена является величпко-"" постоянно^, среднее значение которой при сетевою давлении 0,5 Mía составляет 4,5.1СС . -,8.ICC Па.с да с пабоче и 2,7.1С' Па. с для г. a?,iepií ::олостого хода, лри ято: ■ зав:— симош-п расхода г : дгрт.ого нгл пульса от давления опноыьа ;тся линейными уровне ля::: с опытными коэб'.дциентамы.

Представление пнегмоударпых механизмов в виде графических модзж*, отражающих структурные особенности воздухораспределительных систем, как систш с элементами силовых, управляющих к инЪрмг: .псиных устройств и раскрывающих г 'ноroíтзнцыо • тальиасть пх звеньев дает возможность применить при их проеткировакии ые-тоды теории мамин-автоматов и про: ьачленно- пневмоавтоматики, разрабатывать системы воздухораспределения с логическими блоками управления.

Достоверность научных положены, и рекомендаций диссертационной работы базируется на накопленном отечественном и зарубежном опыте аналитических и экспериментальных исследований, проектирования пневматических ударных машин и доказывается сходимостью и сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований; использованием общепринятых апробированных допущении при аналитическом исследовании пневмоударных систем; производственными испытаниями устройств, разработанных на основании проведенных исследовании.

Научная новизна исследований:

- получены экспериментальво-аналнтические зависимости между параметрами рабочего цикла бесшаботного пневмотрамбователя, его силон тяжести, усилием нажатия и механическими свойствами грунтов, вскрывающие особенности процесса уплотнения и определяющие рациональные ударные и ударно-статические режимы работы машины, включая с прониканием трамбующей плиты в грунт к образованием грунтового ядра;

- обоснованы методы и предложены технические решения повышения энергетических характеристик и улучшения вибробезопасности яяевмотрамбоват ел ей путем из; е нения рормы и величины импульсов сия, действующих на поршеньниток п корпус трймбователя за вр е:.я '-аз их движения при выполнении рабочего цикла;

- получена аналитическая зависимость для определения расхода воздуха, потребляемого пневмотрамбователем по; геометрическим и кинематическим параметра: его пневмоударного механизма, а так ме производной переменного давления г:о времени, которая на участках впуска сжатого воздуха в катерм рабочего и холостого ходов является величине- постоянна.;

- разработана структурная классификация пиевмоударных механизмов на основе предложенных графических подуле- , способствующая проектированию со егтипню: пневмо: дарн:.х машин и их воздухораспределительных сист и/ как объектов с автоматизировании:;! системами воздзм-юраспределения, для которых обоснован? грасры выполнения рабочих циклов, модели объектов управления,, ангорит; л:о-ектирования упраымыпощих устро ' сто (автоматов);

- обоснован размерно-царЕи.втриЧеск::. ряд харентерштих ппе-внотрамбователеп, вг^нона; в качестве основных параметров энергию удара и масс,, ударно-, части, принятых из ряда предпочтительных чисел 5, ради о малыше начальные скорости соударения плиты с грунте: и частоту ударов. Ряд позволяет упорядочить проектирование, изготовление и применение строительных пьшшотт а: -бователе-.

Личин!! вклад автора заключается; ь '¡ор'Г.^'Лировке идеи и цели работы, в выполнении теоертическнх и эксгергс енталькых исследований , обобщения результатов, разработке методик расчета и выбора параметров бее :аботпгх пневматических трамбователе'' с тра.диционн>л.;и п автоматизированными, включающие логические блок:: управления, во здухор аспре делит ельныт.ш. устрсСфтвехги; г создании структурно-" классификации пневмо; дарпых механизмов на основе структурных модуле" и признаков их воздухо-распределительннх устрохетв; разработке принципиальных схем :: конструкций ручных трамбовок ТТВ-7, ТП-45С2, внедренных в производство.

Практическое значение работы

Разработаны и апробирован; методы расчета паре: етров пневматических трамбовок и обеспечения зпбробе^оласшсти. 1; основе гетодикн лемат „равнения, связывающие ударны:' импульс генерируемых машине" и ее удельный ударный жшульс с параметрами зиергет; ческого рабочего цикла и свойствами грунта.

Приведены рекомендации по улучшению эиерегтпческих параметров рабочего цикла и он:м:енм амплитуды колебания корпу са маппиш за счет преобразования рормж п. пульсов результирующей силы от сжатого воздухе, воз действующе- на поршень-цилиндр за время цикла в отдельные базы движения.

Разработаны методы проектирования пневматических ударных уплотнителей с автомажированными системами управления подачей энергоносителя в управляемые полости машины, включающие структурах- классификацию, совокупность грамовых моделей рабочих процессов, объектов управления, функциональных схем, содержащих блоки логических элементов и позволяющих разрабатывать энергосберегающие воздухораопределительные устройства.

Предложены и разработаны перспективные пневыоударнйе механизмы, защищенные более двадцатью авторски:,;;! свидетельствами СССР м патентам. России, применение которых обеспечит создание высокоэсх j ективных средств механизации для уплотнения грунтов обратно й засыпки. ля бесшаботных грунтоуплотняющпх. к? щкн с активны., рабочим органом предложен способ построения их рабочих характеристик, по которнм определяются рациональные ре: :пмж у . i гения грунта и технологические процессы, обеспечивающие гарантированное качество уплотнения.

Показано, что в качестве логических устро"ств в системе управления во з духор а сир е дел еки ei могут быть использованы стандартные блоки, выполненные на струйных или мембранных элементах пневмоавтоматике, что снизит стоимость изготовления и обеспечит наде ность работ: пневмотражбователей, снабженных АС".

Реализация результатов работы

Результаты работы реализованы в вибробезопасных пневматических трамбовках ТИЗ-7, ИГТ-4502, серийно внедренных на предприятии ЯЧ-91/3, б. Ф>дуртско^ АССР.

Рекомендации и результаты исследования по структурно^ классификации анализу и синтезу пневмоударных механизмов, опозволяющие совершенствовать существующие п разрабатывать принципиально новые ударные устройства с пониженным расходот. воздуха, переданы для применения во ШЙШ.ЗТ г.Уимки, Московско-г области.

Основные положения и рекомендации диссертационной работы были использованы при проектировании штевматическо" бесшаботно* ударно" жашинн по договору, выполненному по единой: заказ-наря-тс СГГ1!) т*пЕ1тстерсгБЕ общего и профессионального образования Р' исследованиях, проводиных но конкурсу "Грантов" отого же "и-нлстерства. проба;,пн работ

Основные результаты, представленные в диссертации докладывались ;: были одобрены на научно-технических конференциях ЗТГАО С7ГГ67, 1968Г~972 Д9?СК .96 г.г.); Новосибирской областной ТШ{ IF О 1ГГА0 (1982, г.г,); на семинарах "Уплотнение грунтов в стесненных условиях строительства** Новосибирского ЩИ (1976, 1984 г.г.); на Всесоюзных научно-технических совещаниях "Основные направления технического уровня и качества ручных машин" (г.Даугавпилс, 1987,1985 г.г.); на технических совещаниях по внедрении грунтоуплотвятащей: машины 7 - СКБ "Отрсимеханизации" г,Владимир, объединения "Стро-'техника" Минстроя СССР (г.Уосква, 1376,1978 г.г.); на заочной всероссийской конференции по ру-пому механизированному инструменту (г.Новосибирск, 1993 г.); на международной конференции Московского строительного университета, май 1996 г.

Образцы новых пнезмоударных машин демонстрировались на ЗДНХ. и диссертант в числе др. соавторов разработок был награжден двумя бронзовыми медалями ВДШ. (1968, 1884 г.г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 55 работ, в том числе 36 в центральных журналах я тематических сборниках ИГА С и !£ГД СО РАН, подготовлено 15 научно-технических отчетов, связанных с выполнением планов НИР НГАС (до IS93 г. ШСИ пм.Р.Р.Г^унбыюева), совместных планов НГАО и ЗПШШИ (г.Г.ЬСКва, I98C г.); ПГАС и 00 АЕ ССОР (Новосибирск, 1974,1:977 г.г.); координационного плана Госкомитета по науке и технике ССОР (Проблема 0.21.01Д1* Постановление Госкомитета Совета Кинистров СССР по на~Tie и технике Г 390 от 5.II. 76 г.); планов ВИР, финансируемых из республиканского йдаета и выполняемых по единому заказ-наряду и "Грантах." комитета по высшей школе Миннауки России 1993.1933 г.г.

Получено 50 авторских свидетельств СССР и патентов Российской едерацпн на изобретения.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 303 наименований и приложения.

Заключение диссертации по теме «Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины», Суворов, Дмитрий Григорьевич

Результаты исследования типового привода распространены на теорию сложных приводов.

2. Рабочий цикл П.П. характеризуется циклограммой (диаграммой интервалов времени перемещения и остановки поршня). Рабочим циклом называется такой период работы П.П. после которого все элементы привода возвращаются в исходное положение. Время рабочего цикла привода состоит из суммы интервалов времени прямого и обратного ходов. Каждый из этих интервалов разделяется на следующие три интервала: ^ - время подготовительного периода- от начала переключения управляющего устройства до начала движения поршня; время движения поршня, в течение которого поршень пройдет весь заданный рабочий ход; 1з - время заключительного периода, в течение которого давление в рабочей полости увеличивается до требуемой величины.

3. Расчет сложных приводов ведется на основе базовых уравнений динамики в физических величинах и в безразмерной форме . Уравнение движения ^ - го (любого) поршня записываются в следующем виде: а\г ~ { /т^Ац J (1.42) где величина А - названа оператором сил. В составе оператора А^ силы действующие на поршень со стороны граничащих с поршнем полостей & и ] от сжатого воздуха, переменные силы линейно зависящие от перемещения и скорости поршня, постоянной сила полезного сопротивления, вес поршня и соединяемых с ним: частей, сила от атмосферного давления действующая на шток пор-, шня. Уравнение для определения давления в 1-й (любой) полости составляется с учетом её теплообмена с окружающей средой и утечек воздзгха. Начальный объём 1-й полости включает кровле собственного объема этой полости ("вредного пространства") так же объём: пневмопровода, соединяющего эту полость с распределителем или другой полостью. В уравнение введены операторы перемещения поршня, скорости поршня, прихода воздуха в [ -ю полость и оператор расхода воздуха I -й полости. Уравнение для определения температуры воздуха в I -й полости записывается в тех же операторах, что и для составления уравнения.давления. Процесс теплообмена отражен в уравнениях давления. Утечки сжатого воздуха учитываются операторами прихода и расхода воздуха в соответствующих полостях.

4. Для составления .уравнений, динамики сложного привода и доследующего их решения на ЭВМ разработан специальный алгоритм: для каждого привода составляется две матрицы, одна из которых называется матрицей размещения поршней в приводе, а вторая -матрицей связи полостей.

5. Значительное внимание уделено коммуникационным линиям для подачи и отвода энергоносителя, их расходным характеристикам и сопротивлениям.

6. Расчеты ведутся с использованием графиков, построенных с помощью данных, полз^ченных на ЭВМ для безразмерных параметров типового П. П. о

С началом массового применения вычислительной техники нового поколения в теории машин, ударного действия появились задачи, связанные с разработкой програмного обеспечения, программой базы задач динамики, термодинамики, неустановившегося движения газа в пневмоприводах, поиска оптимальных решений проектирования, достижения необходимой точности и снижения.затрат машинного времени. По мере расширения возможностей В.Т. усложнялись и углублялись физические и математические модели УЕМ, пакеты программ для их расчета. Модель пневматического молотка с виброизоляционным устройством в виде пружины предложена в работе /181/. Поведение механической модели описывается системой из четырех нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка, характеризующих движения инструмента, ударника, корпуса и рз^ко-ятки молотка. Результирующая сила от давления воздуха на корпус молотка, ударник и инструмент задается . с помощью блоков нелинейности на основании результатов индицирования различных конструкций пневматических молотков в лаборатории. Реализация ударных процессов осуществлялась специально разработанными дня этой цели электронно-релейными блоками. Модель работала в замедленном в 230 раз темпе, что позволяла визуально по экрану осциллографа анализировать каждый цикл колебания корпуса, рукоятки, инструмента и фотографировать наиболее характерные режимы. Применение экспериментальных диаграмм рабочих процессов молотков избавило от необходимости решать уравнения, связанные с движением и динамикой потоков воздуха, но ограничило область^ использования полученных результатов конкретными типами машин.

В работе /182/ на основе системы дифференциальных уравнений рабочего процесса пневматического молотка в безразмерной форме разработана электронная модель рабочего цикла. Рабочий процесс молотка разбивается на 8 характерных периодов. В первый период обратного хода начальное значение скорости поршня задается уравнением

Г) /дх ) = к (¿ц /ёГ )у , (1.43) где (с/ц /с/т ) - скорость отскока; к - коэффициент восстановления скорости;

- скорость поршня в начальный момент удара. Математическое описание рабочего процесса пневматических молотков включает в себя опытные расходные характеристики воздухораспределительных устройств и коэффициенты расхода воздуха через выхлопные окна. При электронном моделировании рабочих процессов использовались опытные кривые расходных характеристик, приближенно воспроизводимые нелинейными блоками ШИ. Расходные характеристики исследованных молотков имеют вид "монотонно возрастающих кривых, которые показывают, что ни в одном сечении воздухораспределительного тракта не достигается местная скорость звука. Эти кривые не могут быть сведены к расходным характеристикам единичного (эквивалентного) отверстия путем простого подбора множителя (коэффициента) расхода)". Этот вывод из анализа экспериментальных расходных характеристик пневматических молотков, полученных на специальном стенде, который обеспечивал удержание в определенном относительном положении подвижных деталей молотка, является существенным для понимания физической картины движения потока в системе воздухопро:водов машины. Оценка точности решений производилась для некоторых характерных величин рабочего цикла - энергии удара, максимального перемещения поршня, длительности цикла и т.д. Погрешность между экспериментальными значениями параметров и полученными при моделировании не превышала 2,5 .10%.

Методика моделирования динамики системы "человек-оператор-пневматическая машина.ударного действия-обрабатываемая порода" изложена в /183/. Математическая модель включала 13 уравнений, в том числе дифференциальные уравнения движения поршня-ударника, корпуса и руки человека-оператора, приведенных к безразмерному виду. В работе использованы результаты, полученные в /178,96/. На основе уравнений при варьировании значений отдельных параметров изучалась динамика системы на АВМ типа A-II0. Работа АВМ обеспечивалась специальным устройством управления. В основе программы автомата управления реализованного на блоках лежали условия применимости уравнений системы.

В /184/ отмечается малочисленность работ по исследованию внутренних процессов в пневматическом молотке с использованием ЭВМ, хотя с этим трудно согласиться. Указывается на работы /185,186/. Математическая, модель молотка включает четыре дифференциальных уравнения движения масс рзгкоятки, корпуса, поршня и инструмента и кинематические условия в форме dXl /â\ - Vi . Удары считаются мгновенными. Газодинамические процессы в воздушных трактах молотка принимаются достаточно быстрыми, поэтому теплообменные процессы не учитываются. Движение воздуха в каналах считается квазистационарным, волновые эффекты отсутствуют. К уравнениям движения добавляются зависимости, полученные из закона сохранения массы воздуха для рабочих полостей, а также полости, образованной между меньшей ступенью ударника и хвостовиком рабочего инструмента. Учитываются расходы в зазорах между ударником и цилиндром, пикой и буксой. Зная массу воздуха в I-той полости, определяется его плотность и затем давление. Решение уравне* ний ведется с помощью ЭВМ. В работе /187/ на примере пневмо-ударника П-ПО изложена методология проектирования пневмоударных з^стройств с помощью современных средств В.Т. "Многоаспектная " модель включает модели: геометрических параметров элементов пневмоударника в кривых второго порядка; рабочих циклов камер прямого и обратного ходов; газо- и термодинамики воздуховодных магистралей в широком диапазоне различных режимов течения; тепло- и массообмена сжатого воздуха; газодинамики перетечек энергоносителя по конструктивным зазорам скользящих поверхностей; кинематики и динамики поршня-бойка; газодинамики переходных процессов в течение времени удара бойка. Программа выполнена на языке программирования СИ и реализует выше перечисленные математические модели. Структзфа программы представлена следующими модулями: расчетом системы алгебраических и дифференциальных уравнений модели; представлением на дисплее средствами мультипликации эскизов деталей и сборочного чертежа; представлением синхронного движения элементов пневмоударника в заданном режиме замедления; расчетом.геометрии всей машины и ее функционально значимых элементов; представлением на дисплее особенностей воздушных магистралей на сборочном, чертеже с их абстрактными характеристиками (температура, градиенты давлений, скорость течения, плотность); расчетом функционирования машины в целом и ее технических характеристик при достижении установившегося режима работы; формированием: банка данных исходных и конечных результатов расчета и хранения их в специальных файлах. Обобщая содержание обзора, отметим, что в практике инженерного анализа УЩ к настоящему времени определились следующие группы моделей:

I. Физические (механические) модели. Природа оригинала и модели в этом случае одинаковы. Реализуются они, как правило, на основе теории подобия. К физическим моделям УБМ можно отнести опытные образцы машин, выполненные в условиях заводского производства и предназначенные для промышленных испытаний с целью получения информации о важнейших технико-экономических показателях машины и проведения "доводочных" работ. Экспериментальные образцы, в том числе масштабные и частные экспериментальные образцы, предназначенные для исследования как общих и частных задач в процессе создания машин. Разработка принципиально, новых конструкций, как правило, включает изготовление натурных моделей. Для их испытания, исследования применяются специально разработанные стенды. Изучаемые параметры фиксируются с помощью осциллограмм, в результате которых получают эмпирические формулы, значение отдельных параметров и коэффициентов в виде таблиц или графиков. Как обобщение подобных моделей можно рассматривать специальные стенды для моделирования /188,45/ и др. На первом из них моделируется рабочий процесс пневматических машин ударного действия. Запись и обработка диаграмм давления в рабочих камерах осуществляется по методике /189/. Для определения энергии и частоты ударов, длины рабочего хода ударника, а также других величин применен оптический метод /190/. На втором - процесс взаимодействия. ударного рабочего органа с грунтом. Основным достоинством этой группы моделей является высокая степень адекватности модели и натуры и изучаемых явлений. Недостатком же является ограниченность рассматриваемых параметров, числа возможных вариантов моделирования и режимов работы.

2. Математические модели - описание какого-либо явления (класса явлений) с помощью математической символики. Математическая модель, в которой отражено изменение рассматриваемого явления во времени, получила наименование динамической математической модели. Динамическими моделями УПМ являются дифференциальные уравнения движения материальной точки или системы материальных тел, а также уравнения процессов, происходящих в рабочих камерах машин, движения энергоносителя в силовых и управляющих сетях воздухораепределения и пр.

При оформлении математической модели важными являются два фактора: первый - это выбор физических, в частности, динамические, термодинамические и др. законов., на основе которых строится модель, и второй - это обоснование системы принятых допущений, ограничений и пр. Простые математические модели в своей механической части выполняются на основе первого закона Ньютона, общих законов механики движения материальной точки или системы материальных тел. В работе Р.Кэйе /95/ принят энергетический метод получения расчетных уравнений. К.К.Тупицын предложил математическую модель двухпоршне-вого , динамически уравновешенного пневмоударного.механизма /136/ на основе методов, разработанных да, виброударных систем /137/ с элементами теории подобия и размерностей.

Современная математическая модель УПМ или ПП включает: а. Расчетную схему механизма. б. Формализацию структуры механизма и системы подачи энергоносителя. в. Базовые уравнения (имеются ввиду однотипные уравнения, описывающие динамику отдельных элементов пневмомеханизмов и систем) в составе уравнения движения q -го звена механизма, уравнения давления газа в 1-той полости, уравнения темпе-раэуры газа в I-той полости, уравнения (условия) соударения.

Уравнения составляются с учетом некоторых общепринятых допущений: состояние газа подчиняется уравнению Клайперона, течение газа по каналам изэнтропическое и ввазистационарное, параметры газа по всему рабочему объему камер одинаковы, давление и температура в рабочих камерах связаны уравнением адиабаты /145,180,191,192,193/. Наиболее сложным для моделирования являются процессы энергомассопереноса в магистралях УПМ и пневмосистем. В работе /194/ магистраль для моделирования разбивается на участки с характерными сопротивлениями местными и по длине. Параметры потока на входе и выходе участков связываются соответствующими соотношениями. Методы исследования, решения математической модели разнообразны, но чаще используются численные методы с реализацией на ЭВМ, основное требование к которым, чтобы они были устойчивыми и сходящимися /195/. Аналитические методы в чистом.виде не применимы из-за нелинейности большинства уравнений. Отметим, что при разработке математических моделей многозвенных механизмов УПМ и ПП не используются уравнения движения механизмов с неголоном-ными связями - уравнения Лангранжа с неопределенными множителями и уравнения Аппеля, являющиеся универсальными при исследовании динамики машин.

3. В практике анализа механических систем применяются динамические модели /196/. Они могут быть результативно использованы для проектирования навесок и манипуляторов в случае, когда трамбователь является навесным оборудованием к тракторам и экскаваторам. Интерес представляет итерационный подход к динамическому расчету машин, когда последовательно усложняются исследуемые динамические модели с использованием решений, найденных на предшествующих этапах. Так можно последовательно перейти от жесткой динамической модели механической системы к зшругой, от одномерной к многомерной или к модели с распределенными параметрами. В работе /183/ построена ди-намичесая модель для исследования системы "человек- оператор - пневматическая машина ударного действия - обрабатываемая порода". Модель реализована на АВМ типа "A-II0".

4. Электронные (машинные) модели, которые реализуются вычислительными машинами на основе математического описания оригинала. При электронном моделировании исходным переменным ставятся в соответствии так называемые машинные переменные. Ими могут быть электрические напряжения, как это имеет место в аналоговых вычислительных машинах (АВМ), или кодовые комбинации - в цифровых вычислительных машинах (ЦВМ). В зависимости от применяемых машин различают машинное (электронное) моделирование на АВМ, ЦВМ и аналога - цифровое, или гибридное моделирование с одновременным использованием АВМ и ЦВМ /197/. . Примеры таких моделей широко известны в области исследования УПМ и ПП /181,182*198,199,200/.

5. Модели для оценки 'эффективности УПМ, отдельных их рабочих процессов и оптимизации параметров.

Экономико-математические модели строятся с применением принципов квалиметрии и образуют иерархическую систему, уровень модели в которой определяется числом входящих в нее анализируемых показателей. Модели наиболее высокого уровня включают совокупности взаимосвязанных выражений с экономическими, эксплуатационными и техническими показателями, позволяющими комплексно осуществлять оценку среда - машина - оператор /201/.

Метода оптимизации параметров применительно к пневматическим устройствам разработаны А.М,Ашавским /202/, Г.В.Крей-нииым, М.А.Прониной /203/ и др. В частности в последней работе рассматривается задача оптимизации рабочего процесса у к ударной машины на заданном интервале времени Т=21 ,

Л —"I включающим период выхода машины на заданный режим. За критерий качества процесса принят суммарный показатель ^ = ¿^Хп X,- характеристика качества процесса на -ом интервале, к - общее число ударов за время Т , зависящее от параметров машины. Задача решается комбинированным использованием различных оптимизационных процедур, принятых в теории оптимального управления.

Анализ расчетных моделей

- Динамика пневмоударного механизма машин изучается на базе общих уравнений динамики и теоремы изменения количества движения системы материальных тел, а так же уравнений газо- и термодинамики для переменной массы сжатого воздуха, как энергоносителя управляемых полостей рабочего цилиндра.

- исследования динамических процессов машин на основе составления уравнений Лагравжа и уравнений их обобщающих для случая неголономных связей как универсальный метод изучения многомассовых систем (ударник, корпус, рабочий инструмент, подпружиненная рукоятка и пр.), не нашли применения в исследованиях УПМ.

- Вопросы классификации и структурного строения УПМ рассматриваются без учета их специфики как объектов с автоматической системой управления распределением энергоносителя. В основу формальных классификаций положены конструктивные или функциональные признаки элементов пневмоударного механизма и воздухо-распределения.

- В части работ /16,104,108,122/ отмечаются недостатки клапанных, золотниковых и др. воздухораспределительных устройств, излагаются отдельные методы их расчета, но отсутствует единый подход к проектированию воздухораспределительных систем как автоматических систем управления потоками сжатого воздуха, не используются для их разработки достижения промышленной пневмоавтоматики.

- Немногочисленные работы по исследованию поршневых машин с непосредственным воздействием ударного звена на обрабатываемую среду, в том числе пневмотрамбователей, не отражают ряд особенностей их внутреннего рабочего процесса и технологического в целом, в частности не изучены достаточно полно рабочие характеристики машин, определяющие режимы уплотнения.

- При разработке моделей термодинамических процессов, происходящих в рабочих камерах и воздушных магистралях УПМ, используются в различном сочетании общепринятые допущения: состояние газа подчиняется уравнению Клайперона, течение газа по каналам является изэнтропическим и квазистационарным, давление и температура в рабочих камерах связаны уравнением адиабаты, политропы и др.

1.5. Задачи исследования

Аналитический обзор средств механизации по уплотнению, грунтов обратной засыпки в строительстве, анализ исследований по теории и применению грунтоуплотняющих машин, пневматических -ударного действия, а также изучение проблем строительного комплекса России позволили в качестве основной цели предлагаемого исследования выбрать проблему создания научных основ проектирования б'есшаботных пневматических трамбователей с непосредственным: воздействием ударного механизма на грунт. Решение проблемы представляет теоретическую базу дяя разработки и усовершенствования высокопроизводительного оборудования, в частности, пнев-мотрамбователей, для производства трудоемких и сложных технологических процессов по уплотнению грунтов обратной засыпки. Для достижения цели сформулированы и поставлены следующие задачи:

1) разработать основы структурного анализа и синтеза пневмоуда-рных механизмов как механических устройств, включающих автоматизированную систему управления подачей энергоносителя;

2) разработать структурную классификацию, основанную на понятии структурного модуля и графической модели пневмоударного механизма ;

3) экспериментально установить особенности рабочего энергетического цикла бесшаботного пневмотрамбователя, определить пути и средства его совершенствования, получить зависимости для определения ударного импульса генерируемого машиной через параметры ее рабочего цикла;

4) разработать принципиально новые схемы ударных механизмов (шаботных, бесшаботных, с подвижным' шаботом, двухмассовых с инерционной массой) для применения их при конструировании пневмо- и электротрамбователей, их математические модели и определить область применения;

5) дать сравнительную оценку техническим показателям процесса уплотнения грунта для шаботного (с посредственным силовым воздействием) и бесшаботного (с посредственным силовым воздействием ) пневмотрамбователей;

6) экспериментально исследовать ударное взаимодействие рабочего органа пневмотрамбователя с уплотняемым' грунтом, установить закономерности взаимодействия и его силовые факторы, а также влияние их на технологические параметры процесса уплотнения грунта;

7) разработать метод построения рабочих характеристик пневмотрамбователей для оценки их технологических качеств и установления режимов уплотнения грунта;

8) разработать основы проектирования пневмотрамбователей с логическими управляющими устройствами - автоматами в системе подачи энергоносителя;

9) обосновать принципы построения и применения размерно-параметрического ряда пневмотрамбователей, предназначенных для уплотнения грунтов обратной засыпки в строительстве.

2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНОЙ КЛАССИФИКАЦИИ, ВОПРОСЫ СТРУКТУРНОГО АНАЛИЗА И СИНТЕЗА' УПМ И ПНЕВМОТРАШОВАТМЕЙ

Многочисленные и разнообразные конструкции ударных пневматических механизмов и машин представлены как в обширной патентной литературе, так и в отдельных сборниках, рекламных проспектов, альбомах и пр. /204,205,206,207,208/. Достаточно полно разрабатывались и вопросы классификации УПМ. Так в монографии Л.В.Арнольда /16/ дана классификация машин по технологическому признаку и классификация пневматических ударных инструментов по конструктивным и эксплуатационным признакам. В диссертации Г.И.Кусницина /209/ представлена наиболее полная классификация воздухораспределительных систем УПМ по пяти признакам, среди которых последовательность осуществления цикла работы сжатого воздуха и вид связи между'ударником и распределительным органом имеют особое значение для характеристики устройства. Детальная классификация динамических и конструктивных признаков ПУМ,способ их кодирования в виде структурных формул разработаны в /210,211,212/. В работе /97/ В.М.Васильевым впервые дана классификация воздухораспределительных устройств по признаку пневмосилового управления регулирующим органом!.

Воздухораспределительные устройства подразделены, на четыре класса: устройства, у которых управление клапанами осуществляется давлением сжатого воздуха рабочих полостей цилиндра непосредственно: 'воздействующих на. клапан; згстройства, у которых управление клапаном, осуществляется давлением сжатого воздуха на дополнительную площадку клапана (в период рабочего хода), полость которой постоянно сообщается с воздухоприём-" ной камерой через радиальный дросселирующий зазор и давлением сжатого воздуха рабочих полостей; устройства, у которых управление клапаном осуществляется давлением сжатого воздуха рабочих полостей и давлением сжатого воздуха на дополнительные площадки клапана, поступающего по системе каналов из воздухоприемной камеры; и устройства, у которых управление регулирувдим органом осуществляется давлением сжатого воздуха рабочих полостей и давлением сжатого воздуха на дополнительные площадки фланца, поступающего по системе каналов из полостей рабочих камер. К последнему классу отнесены золотниковые воздухораспределителвные устройства и ударные механизмы с "золотником на поршне" (бесклапанное воздухораспределение). Такая классификация представляет определенный интерес, но не охватывает все виды возможных воздухораспределительных устройств. Нет чёткого подразделения функционального назначения обратной связи от ударного узла к воздухораспределительному органу. Нет разграничения роли обратной связи как "сигнала" в системе и как источника питания сервопривода распределителвного органа. Классификация /213/ была предложена на основе ГОСТ 16436-70 "Машины ручные пневматические и электрические. Термины и определение" с дальнейшей конкретизацией подгрупп машин по семи отличительным признакам'. Разработка основ теории проектирования воздухораспределения . как автоматизированных систем привела к необходимости создания регулярных методов структурного анализа и синтеза пневматических ударных механизмов (ПУМ), а также структурной классификации. Это определялось следующими факторами: а у УПМ состоит из механизмов с многофункциональным назначением отдельных звеньев и вскрыть эту многофункциональность можно только применяя развернутые графические структурные схемы. б) По определению /209/ под воздухораспределительным устройством следует понимать систему взаимосвязанных подвижных и неподвижных деталей, изменяющих направление движения воздуха во время работы УПМ и систему воздухоподводящих и отводящих каналов, являющуюся неотъемлемой частью воздухораспределения, что также требует графического изображения устройства при структурном его исследовании. в) Рассматривая УПМ как автоматизированные объекты, необходимо иметь возможность определять не только силовую сеть энергоносителя, но и каналы информационной связи и работы самой АСУ, что затруднительно без графической структурной схемы механизма. г) Структурная схема должна давать информацию о порядке, последовательности выполнения операций рабочего цикла машины, т.е. включать программу АСУ и звено-носителя этой программы

2.1. Проектирование структурных схем пневматических ударных механизмов (ПУМ), символика и изображение

В табл. 2.1. представлены условные обозначения для выполнения структурных схем /35/. Предлагаемые в таблице условные изображения в пояснениях не нуждаются. Все они выполнены с учетом стандартных изображений по ГОСТ 2721-68, ГОСТ 2782-68 и ГОСТ 2.784-70.

Способ построения схем покажем на примерах. На рис., 2.1а дана принципиальная схема молотка с золотниковым распределительным устройством и его пневматическая схема. Цилиндр I с -ударником 2 на пневмосхеме представлены под номером I. Удар- .