Борьба с вибрацией в пневматических машинах


Весьма актуальной является проблема борьбы с вибрацией в ручных машинах (перфораторах, сверлах, отбойных молотках и др.), поскольку этими виброопасными инструментами пользуется наиболее многочисленная группа подземных рабочих в угольной промышленности. Поэтому исследовательские работы Института горного дела им. А.А. Скочинского были направлены в первую очередь на борьбу с вибрацией в ручных машина, ударного и вращательного действий. Для отбойных молотков и перфораторов требовалось снизить виброскорость на рукоятке в 5—8 раз, уменьшить в 2 раза необходимое усилие натяжения, снизить массу машины без уменьшения ее производительности и экономичности. Для горних сверл задача била несколько уже и заключалась в снижении виброскорости на рукоятках и корпусах, в местах контакта оператора с машиной.

В начальной стадии работ по снижению вибрации был использован принцип «защитной массы на упругом основании», когда часть машины, прежде всего ее рукоятка, соединяется с корпусом упругой связью. В этом направлении били достигнуты определенные успехи, однако виброзащитные устройства оказывались громоздкими, вследствие чего масса и без того тяжелой машины еще больше увеличивалась, а конструкция усложнялась.

В то же время в ИГД нм. А.А. Скочинского проводились исследования процессов удара, которые привели к установлению д-ром техн. наук Е.В. Александровым ранее неизвестных закономерностей в явлении удара. На основе открытия, зарегистрированного в Государственном реестре открытий СССР 24 декабря 1962 г. под № 13 с приоритетом 30 октября 1957 г. («Бюллетень изобретений и товарных знаков», 1964, № 7) сформировалось направление в снижении вибрации машин ударного действия, в принципе отличное от прежнего, ориентированного исключительно на виброзащитные устройства. Это открыло реальную возможность снижения вибрации собственно машины, а роль виброзащитного устройства стала вспомогательной и в основном свелась к фильтрации отраженных волн относительно высокой частоты, возникающих на корпусе отбойного или бурильного молотка. Использование установленных закономерностей позволило уменьшить массу ударника без снижения коэффициента передачи энергии удара инструменту при сохранении его массы, что в свою очередь дало возможность уменьшить площадь поперечного сечения цилиндра машины и одновременно силу, возмущающую колебания корпуса. Таким образом, снижение вибрации корпуса машины произошло за счет двух одновременно действующих факторов.

Первая партия отбойных молотков с облегченными ударниками "катушечной" формы и уменьшенным диаметром ствола была испита на в I960 г. Результаты шахтных испытаний полностью подтвердили правильность нового направления.

Была рассмотрена трехмассная схема (рис. VII.15, а). Для упрощения задачи возмущающая сила на корпусе (рис. VII.15,б) была представлена в виде синусоидальной нагрузки эквивалентного действия. Эквивалентный переход от реальной диаграммы осуществлялся по уравнениям:
Борьба с вибрацией в пневматических машинах

где Y1 и Y2 — соответственно положительный и отрицательный импульсы возмущающих сил, действующие на корпус.

Величины Y1 и Y2 могут быть выражены через известные параметры машины:

где М0 — энергия единичного удара; Ах — энергия холостого хода ударника; Аот — энергия отскока ударника; Fн и Fу — площадь поперечного сечения соответственно инструмента и ударника.

Закон движения рукоятки и корпуса представлен общим уравнением механики:

Решение системы уравнений о общем виде позволило установить закон изменения во времени смещений рукоятки х1 и корпуса х2, а также закон изменения скорости рукоятки х1 и корпуса х2 во времени:


В этих уравнениях r — собственная частота колебании системы «корпус—рукоятка», соединенной упругим элементом,

v1 и v2 — скорость соответственно рукоятки и корпуса при t=0 (начальные условия).

Установившийся режим работы характеризуется условием

Отсюда следует, что снижение необходимого усилия нажатия, обеспечивающего установившийся (и более производительный) режим работы, можно достичь уменьшением в первую очередь массы ударника m и энергии отскока.

Из условия b больше Q0 после преобразований получаем:

Из анализа выражений для скорости корпуса машины и рукоятки следует:

- колебания корпуса и рукоятки складываются из колебаний «высокой» частоты, равной частоте работы ударной машины, и колебаний «низкой» частоты, равной частоте собственных колебаний системы «корпус—рукоятка» с упругим элементом;

- введение между корпусом и рукояткой упругого элемента снижает ее вибрацию по «высокой» частоте в (w2/r2 - 1) раз, что отвечает существующим теориям виброизоляции. Вместе с тем, это увеличивает вибрацию корпуса на основной «высокой» частоте в (1 + m2/m1 w2/w2-r2) раз, что для некоторых конструкций может привести к снижению производительности.

Снижение колебаний корпуса может быть осуществлено только за счет уменьшения амплитуды возмущающей силы а, т. е, за счет уменьшения импульса Y1, воспринимаемого корпусом и соответствующего импульсу ударника mv0 (v0 — скорость ударника перед ударом).

Уменьшение импульса достигается за счет снижения массы ударника. Дли сохранения энергии единичного удара необходимо увеличить скорость удара. Поскольку импульс Y1 = mv, энергия A0 = mv2/2, уменьшение массы ударника в Vn раз требует увеличения скорости удара в Ул, а импульс при этом уменьшается в Vn раз. В этом случае амплитуда возмущающей силы а также уменьшается в Vn раз, а следовательно, во столько же раз уменьшается скорость смешения корпуса x1. Снижение массы ударника позволяет бороться с вибрацией в источнике ее возникновения, а также уменьшать возмущающую силу, действующую на корпус.

Практически это достигается одновременным уменьшением диаметра цилиндра в такой степени, чтобы сохранить энергию и частоту ударов. Снижение вибрации на корпус путем уменьшения массы ударника и диаметра цилиндра снижает требования к виброзащитному устройству и уменьшает необходимое усилие нажатия.

Таким образом, были намечены основные пути борьбы с вибрацией в машинах ударного действия:

- снижение массы ударника и повышение скорости удара;

- применение виброзащиты легкого типа.

Увеличение скорости соударения v0 потребовало совершенно нового подхода к теории удара. Использование волновой теории удара позволило создать конструкции ударников, допускающих скорость соударения 16—18 м/с.

Все эти научные рекомендации были осуществлены на практике при создании взамен молотков М09П и М010П вибробезопасных отбойных молотков М06П и МО7П (рис. VII.16), выпускаемых с небольшими изменениями о конструкции ствола с 1970 г. Ударник — катушечной формы с двумя поясками диаметром 32 мм. Диаметр средней и носовой части равен диаметру хвостовика пики и составляет 24 мм. Благодаря такой конструкции ударник имеет массу 396 г вместо 690 г у молотка M09II того же типоразмера и скорость соударения с пикой 14 м/с, что позволило уменьшить импульс силы, действующий на корпус, в 1,3 раза. Для уменьшения пикового давления в рабочей камере в конце холостого хода ударника в верхней части ствола предусмотрена амортизационная камера. Это дало возможность уменьшить пик давления с 5,5 кгс/см2 (у молотка МО9П) до 4,9—5 кгс/см2, что не превышает сетевой. При этом также снизился возмущающий импульс силы.

Уменьшение диаметра цилиндра с 38 до 32 мм позволило снизить необходимое усилие нажатия на молоток с 39 до 20 кгс. Этот комплекс конструктивных мер снизил вибрацию корпуса в 3—6 раз (в зависимости от частоты октавной полосы). Форма ударника, приближающегося к стержню равного сечения, уменьшила величину воспринимаемого корпусом отраженного ударного импульса.

Дальнейшее снижение вибрации на рукоятке до требовании ГОСТ 17770—72 было осуществлено простым виброзащитным устройством в виде кольца из микропористой резины, устанавливаемым между рукояткой молотка и корпусом. Геометрические параметры трубчатого воздухораспределительного устройства с радиальным перемещением клапана позволили получить удельный расход сжатого воздуха 1,05 м3/л. с.*мин.

Техническая характеристика пневматических отбойных молотков МО6П и МО7П в сравнении с молотками М09П и МО10П при рабочем давлении 5 кгс/см2 и расходе сжатого воздуха 1,25 м3/мин дана в табл. VII.3, а их виброхарактеристика — в табл. VII.4.

Измерение вибрации производилось при силе нажатия на молоток 20 кгс согласно ГОСТ 17770—72.


Данные табл. VII.3 и VII.4 соответствуют характеристике усредненной по показаниям пяти молотков.

Таким образом, с созданием пневматических отбойных молотков МО6П и МО7П была полностью решена важная проблема снижения вибрации до требования санитарных норм. При этом одновременно была уменьшена масса молотка на 25%, увеличена ударная мощность, снижен удельный расход воздуха, т. е. существенно улучшены гигиенические и эксплуатационные характеристики машин.

Научные и технические решения по борьбе с вибрацией, успешно осуществленные о конструкциях отбойных молотков, были в дальнейшем использованы при создании ручного вибробезопасного перфоратора с пониженными усилием нажатия и уровнем шума. Это позволило получить с применением серийного виброзащитного устройства уровень вибрации D пределах санитарных норм при бурении с рук и усилии нажатия 20 ктс. Уровень шума был снижен на 2—3 дБ по общему уровню.

Уменьшение необходимого усилия на перфоратор обеспечило стабильный режим работы в реальных условиях бурения, что увеличило скорость бурения на 20—30%. Масса перфоратора была снижена на 4 кг.

Исследования вибрации ручных горных сверл показали, что основным источником является начальная кривизна буровой штанги. Уменьшение начального прогиба буровой штанги до 1—1,5 мм снижает в 2—3 раза вибрацию сверла, что позволяет затем при использовании виброзащитных устройств сравнительно простой конструкции снизить до санитарных норм вибрацию на рукоятках и корпусе сверла. Испытания разработанных на этой основе конструкций пневматических и электрических сверл с отделенными рукояткой и тыльной стороной корпуса показали, что вибрация сверл в местах контакта оператора не выходит за пределы санитарных норм. Виброзащитные устройства при использовании штанг повышенной кривизны получаются более сложными, но и они отвечают требованиям санитарных норм.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru ©
При цитировании информации ссылка на сайт обязательна.
Копирование материалов сайта ЗАПРЕЩЕНО!