Енергетичні показники дослідного зразка штокопоршневого підземнорухомого пристрою

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет водного господарства та природокористування

Енергетичні показники дослідного зразка штокопоршневого підземнорухомого пристрою

УДК 624.13.002.5

Кованько В.В., к.т.н., с.н.с., Кованько О.В., ст. 4 курсу ФПМіКІС

Рівне

Анотації

Визначено основні енергетичні показники дослідного зразка чотириступінчастого штокопоршневого підземнорухомого пристрою

Basic energetic proofs of the experimental sample of pivot-piston underground moving device were researched

На основі біологічного прототипу розроблено штокопоршневий багатоступінчастий підземнорухомий пристрій (ПРП) багатоцільового призначення [1] і проведено його аналітичні й експериментальні дослідження [2, 3].

Проте визначені геометричні параметри корпусу ПРП, без знання його енергетичних показників, унеможливлюють розробку і створення раціональних конструкцій.

У зв'язку з цим, було розроблено і виготовлено стенд (рис.1) для проведення експериментів по визначенню його енергетичних показників.

Рис.1. Стенд для дослідження енергетичних показників ПРП: 1- металева основа; 2- опора; 3- індикатор годинникового типу; 4- силовий пружній елемент; 5- носова частина; 6- фіксатор; 7- щілини; 8- труба; 9,10- шланги високого тиску, 11- реверсивний розподілювач; 12- маслорозприскувач; 13, 15- манометри до і після регулятора тиску 14; 16- запірний пристрій; 17- балон із стиснутим газом

До металевої основи 1 стенду прикріплено за допомогою зварних фіксаторів 6 металеву трубу 8, діаметр та довжина якої задається згідно програми досліджень.

Для визначення сили, яку розвиває носова частина 5 ПРП, в стенді передбачено вимірювальний вузол, що складається з опори 2 та прикріпленого до неї тильною стороною силового пружного елемента 4 переносного зразкового динамометра, наприклад, ДОСМ-3-0,05, ДОСМ-3-0,1 або ДОСМ-3-1. Передня частина зазначеного елемента сприймає силу дії носової частини 5 досліджуваного ПРП, що знаходиться у трубі 8.

Відлік показів береться по шкалі індикатора 3 годинникового типу, а їх дешифрування проводиться за допомогою градуювальних кривих, що додаються до приладів.

Щілини 7 на трубі 8 дозволяють проводити візуальне спостереження руху ПРП. За допомогою гнучких трубопроводів високого тиску 9 та 10 відбувається підведення до пристрою від зовнішнього джерела живлення імпульсів тиску робочого тіла, зсунутих за часом й амплітудою та відведення відпрацьованого енергоносія у зворотному напрямку.

Джерело живлення складається з вуглекислотного балона 17, що зв`язаний з реверсивним розподілювачем 11 через запірний пристрій 16 та регулятор тиску 14. Маслорозприскувач 12 забезпечує неперервне змащення ковзаючих пар пристрою.

Манометри 15 й 13 призначені для індикації тиску робочого тіла в системі до та після регулятора тиску 14.

Стенд оснащено електронним секундоміром (на рис.1 не показано), що дозволяє проводити широкий спектр експериментів.

Досліджуваний, за допомогою зазначеного стенда, ПРП довжиною L (рис.2) представляє собою конструкцію, яка складається з носової частини 1, відповідно передньої та задньої фіксуючих камер, охоплених еластичними оболонками 2 і 4 та чотириступінчастого лінійного газопневмодвигуна 3, всередині якого в ізольованих між собою камерах реверсивно переміщується штокопоршень (шток з фіксованими чотирма поршнями) [3, 4].

Рис.2. Спрощена конструктивна схема (а) та загальний вид (б) дослідного зразка ПРП

Принцип дії даного ПРП, в процесі переміщення, наведено на рис.3.

Рис.3. Процес переміщення ПРП

і - відповідно сила лобового опору та тертя циліндричної частини носу об середовище, які визначаються згідно [5,6]; - сила, яку розвиває ніс; і - відповідно сила фіксації хвостової і носової частин ПРП; - вага хвостової частини; - сила опору підтягування хвостової частини до фіксованої носової; - тиск робочого тіла; та - відповідно початкова і кінцева довжина ПРП; - переміщення носової частини відносно фіксованої хвостової (“крок”)

Із рис.3 видно, що при фіксації хвостової частини відбувається просування вперед на величину носової частини, а при фіксованій носовій частині - підтягування до неї на цю ж довжину хвостової частини. Періодичне повторення цього процесу обумовлює реалізацію нового різновиду поступального руху, названого розпірно-дискретним [4].

Із аналізу конструкції ПРП [1] і результатів прямих і непрямих вимірювань, сили і , які розвивають відповідно газопневмодвигун і носова частина залежать як від тиску робочого тіла і кількості ступенів , так і від одночасної їхньої зміни (рис.4).

Апроксимація експериментальних даних дозволила отримати для сили наступну залежність

,(1)

де - коефіцієнт пропорційності, який залежить від кількості ступенів і значення якого наведено в табл. 1.

Таблиця 1 Значення коефіцієнта , залежно від кількості ступенів лінійного газопневмодвигуна в межах тиску від 0,1 до 0,6 МПа.

Із аналізу графічно представлених результатів на рис. 4 випливає,

Рис.4. Залежність сил (суцільна лінія) і (пунктирна лінія) від тиску робочого тіла і кількості ступенів

що

,(2)

де - сила протидії переміщенню штокопоршня в процесі відведення із ПРП відпрацьованого робочого тіла.

Опрацювання результатів досліджень дозволило підібрати аналітичні вирази для визначення як сили так і , які наведено нижче.

,(3)

де , - відповідно, діаметри поршнів і штока штокопоршня.

В свою чергу сила добре описується аналітичним виразом виду:

,(4)

де - максимальний тиск робочого тіла для даного ПРП (=0,6МПа); - сила протидії однієї ступені (=0,06кН).

Із (2), (3) і (4) маємо

.(5)

Аналіз отриманих результатів вказує на те, що з'єднання ступенів чотириступінчастого штокопоршневого газопневмодвигуна ПРП повинно бути паралельним.

Схематично це наведено на рис. 5.

Рис.5. Схема паралельного з'єднання ступенів в чотириступінчастому штокопоршневому газопневмодвигуні, I, II, III та IV нумерація ступенів

При такому з'єднанні тиск робочого тіла перетворюється в силу, яку розвиває кожна із ступеней (,, і ), і які сумуючись утворюють силу .

Із аналізу конструктивної схеми [1], видно, що енергія кожного “кроку” штокопоршневого ПРП при просуванні вперед носової частини, в разі необхідності, може також змінюватись не тільки від тиску робочого тіла, а й від кількості ступенів та одночасно від обох названих чинників. Це представлено на рис.6.

Рис.6. Залежність енергії одного “кроку” ПРП від тиску робочого тіла та кількості ступенів

Із аналізу рис. 6 видно, що енергія , яка підводиться до носової частини ПРП в процесі руху (деформування грунту), може змінюватися в широких межах. Величина її лінійно залежить як від тиску робочого тіла, так і кількості ступенів . штокопоршневий підземнорухомий енергетичний

Аналіз результатів досліджень, представлених графічно на рис. 6, дозволив підібрати аналітичний вираз виду

,(6)

де =44,6 Дж - енергія одного “кроку” дослідного зразка одноступінчастого штокопоршневого ПРП.

Таким чином при =0,05м, =0,02м, =4, =0,24кН, =0,5МПа, =3,04кН, масі ПРП 8,3кг, швидкість його руху залежно від сили опору носовій частині (), коливається в межах від 0,012 до 0,018 м/с. При цьому потужність лінійного газопневмодвигуна становить 1,6кВт.

Отримані результати є підґрунтям для створення методики інженерного розрахунку й проектування ПРП такого типу і дозволяють розробляти одно- і багатоступінчасті пристрої підвищеної ефективності багатоцільового призначення шляхом забезпечення відповідності параметрів реальним грунтовим умовам.

Література

1. Патент України № 6195 та РФ № 2026478 Пристрій для проходження свердловин в грунті / Баховець Б.О., Кованько В.В. та інші, опубл. 1995.

2. Кованько В.В. Багатоступінчастий газорідинний штокопоршневий підземнорухомий пристрій з двома гальмівними камерами // Вісник Рівненського державного технічного університету. Гідромелірація та гідротехнічне будівництво: Зб. наук. праць, спец. випуск. - Рівне, 1999. - С.315-321.

3. Кованько В.В. Результати дослідження експериментального зразка чотириступінчастого газорідинного штокопоршневого підземнорухомого пристрою // Вісник Рівненського державного технічного університету: Зб. наук. праць.- Рівне, 2000.- Вип. 1(3).- С.166-171.

4. Кованько В.В. Метод формування нових технічних рішень підземнорухомих пристроїв підвищеної ефективності на біонічній основі // Вісник Національного університету водного господарства та природокористування: Зб. наук. праць. - Рівне, 2006. - Вип.2(34). - С.209-216.

5. Кравець С.В., Кованько В.В. Вплив швидкості на форму та силу опору носової частини підземнорухомих пристроїв // Вісник Харківського національного автомобільно-дорожнього університету: Зб. наук праць. - Харків, 2007.-Вип.38.- С. 101-104.

6. Кравець С.В., Кованько В.В. Обгрунтування деяких параметрів системи грунт-фіксуюча камера підземнорухомих пристроїв // Вісник Національного університету водного господарства та природокористування: Зб. наук. праць. - Рівне, 2007. - Вип.3(39). - С.226-235.

Размещено на Allbest.ru