Обґрунтування параметрів електрогідравлічного молота

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ ІМЕНІ ІГОРЯ СІКОРСЬКОГО»

МАТВІЄНКО ЛЮБОМИР ТІМУРОВИЧ

Обґрунтування параметрів електрогідравлічного молота

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня магістра

2018



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

Науковий керівник: д-р., техн. наук, професор Шевчук Степан Прокопович

Захист відбудеться 24травня 2018 р. о 14:00 на кафедрі «Електромеханічне 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

Актуальність теми. Полягає в тому, що на сучасному етапіелектрогідравлічні процеси є малодослідженими і перспективними перш за все в гірничо-добувній і будівельній галузі.

Аналіз конструкції і принципу дії пристроїв які працюють на цьому ефекті показав, що основними недоліками такого інструменту є: недостатня надійність, обумовлена високою складністю конструкції (а відповідно її вартістю); необхідністю введення обмежень по реалізованої силі удару, внаслідок виникнення потужної віддачі, а також відносно низький ККД пристрою.

Мета і задачі дослідження. Метоюроботиє обґрунтування ефективності застосування електрогідравлічного ефекту в ударних пристроях, зменшення енерговитрат за рахунок використання гідроудару;

Задачі

1. Провести аналіз досліджень дії електричних розрядів в рідинних середовищах

2. Провести аналіз методів аналітичних і експериментальних досліджень.

3. Дослідити елементи електрогідромолота на міцність та ударні процеси за допомогою програмного середовища SolidWorks.

4. Провести статистичне моделювання процесу функціонування електрогідромолота.

5. Провести математичне моделювання електрогідравлічного процесу та визначити основні параметри.

6. Оцінити ризики впровадження електрогідромолота.

Методи і об'єкти досліджень включають в себе:

вивчення сучасних уявлення про процес і проаналізовані області практичного застосування розрядно-імпульсної технології;

проведення комплексну оцінку впливу фізико-хімічних чинників електрогідравлічного ефекту на рідини і об'єкти;

встановлення закономірності, що описують електрофізичні, гідродинамічні і гідромеханічні процеси, що відбуваються в рідині під час пробою.

математичне моделювання аналітичного характеру і являє собою встановлення закономірностей між параметрами розряду і енергетичним потенціалом ударних хвиль і парогазової порожнини, що утворюються на ранній стадії пробою розряду;

на основі математичного моделювання здійснено статистичне моделювання;

комп'ютерне моделювання ударних процесів та розрахунків на міцність елементів;

Наукова новизна полягає у розробці та вдосконаленні теоретичних та експериментальних досліджень. При цьому:

вперше розроблено модель електрогідромолоту, який відрізняється від відомих використанням електрогідравлічного ефекту як основного джерела енергії системи;

визначені характеристики електрогідравлічних процесів в середовищі ударних пристроїв, розглянуто вплив електричних параметрів на ударні характеристики.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, який містить 30 найменувань, додатків. Основна частина дисертаційної роботи викладена на 105 сторінках комп'ютерного набору і містить 40 рисунки і 19 таблиць. Повний обсяг дисертації складає 110 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 дослідження електрогідравлічного ефекту, та зробити крок для пошуку нових ідей та реалізацій в даному напрямку

Проаналізувавши наведену в розділі інформацію розглянуто існуючі пристрої та їх недоліки, способи утворення електричного розряду в рідині.

Найбільш близьким за технічною суттю є відомий «Електрогідравлічний пристрій ударної дії» (патент на корисну модель RU 74335 U1, B25D9/02, B21J 15/38, E21C37/24, 29.12.2007), що містить корпус, систему електроживлення, виконавчий циліндр з робочою камерою, заповненою технологічною рідиною, пов'язаний з системою електроживлення розрядник у вигляді пари електродів, встановлених в робочій камері циліндра, формувач параметрів режиму роботи, радіатор охолодження і забезпечений поворотною пружиною рухливий під дією тиску в циліндрі робочий орган, який одним кінцем звернений до розрядники і замикає робочу камеру циліндра, а на іншому протидії положную вільному кінці несе обробляє інструмент, що відрізняється тим, що в ньому є засоби моніторингу по тиску в робочій камері циліндра, формувач параметрів режиму роботи виконано у вигляді керуючого системою електроживлення програмного блоку, до якого підключені засоби моніторингу. Недоліком цієї конструкції є відсутність системи поновлення робочої рідини, робочий орган і поршень є монолітними, що робить ремонт та монтаж складним.

У другому розділі розглянута методика розрахунку електрогідравлічного ефекту. Розроблено планування повного факторного експерименту типу 2k. В якості параметра оптимізації вибрано напругу пробивного розряду.

Створена схема стенду дозволяє реалізувати зняття динамічних характеристик. Аналізувати та отримувати дані в цифровому вигляді, що підвищує ефективність та швидкість досліджень.

Підвищує техніку безпеки обслуговуючого персоналу, мінімізує риски виникнення надзвичайних ситуацій. Наявність великої кількості аналогів для елементів пристрою дає можливість підібрати оптимальні параметри і зменшити собі вартість обладнання.

За допомогою стенду можливо дослідження електрогідравлічних процесів та дослідження перспектив розвитку пристроїв, що використовуються в гірничодобувній галузі, показав що даний фізичний процес є перспективним напрямком розвитку.

Третій розділ присвячено дослідженню статичного моделювання пристрою

Аналіз впливу випадкової величини на характеристики тиску та розрядного опору встановив варіювання характеристик.

В результаті характер розподілу випадкових величин (нормальний розподіл для випадкової величини та розподіл Ерланга) та знайдені їх числові характеристики а саме D[X]=3,12, M[X]=0,75 що дає можливість аналізувати розподіл детальніше.

Найбільш ймовірною напругою є напруга в діапазоні (37 074,… 37 895)В з ймовірністю 0,24.

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

Знайдена ймовірність попадання величини в інтервалі від до становить 0,93.

У четвертому розділі

Дослідження бойка та робочого органу на ударні навантаження з перед ударною швидкістю 11 м/с. Бойок та робочий орган виготовлений з матеріалу з межею текучості в 1,75*108 МПа. Моделювання показало, що в напруження по Мізесу не перевищують межу текучості, тобто деталь витримує прикладене до неї навантаження. Максимальне переміщення ділянок деталі склало 2,2 мм.

Найбільша деформація відбувається в місці контакту з породою та площею контакту одного елемента з іншим. Деформація становить від 0.000254983 до 0.00765691 у.о. Робочий огран витримує прикладене до нього ударне навантаження з запасом міцності 1,7.

Результати дослідження камери розряду по заданому електрогідравлічному закону допомогли визначити основні напруження в деталі, максимальне напруження становить 6.7813e+009 N/m^2, а межа текучості є допустимою для матеріалу з якого виготовлена деталь, тобто деталь витримує прикладене навантаження. Деталь задньої стінки камери потребує зменшення маси, що зменшить вартість деталі і складність виготовлення.

Результати зварного з'єднання створюють додаткові напруження в матеріалі корпусу електрогідромолота. Максимальне напруження в деяких точках становить 4.4813e+005 N/m^2, що не перевищує межу текучості. В різних сегментах кожної з деталей спостерігається деформація особливо корпусу електрогідромолоту. Більшість деформованих точок знаходяться в діапазоні 1.35е-006 до 7.425-007 у.о. З отриманих результатів можна стверджувати що деталі витримують прикладеного до них навантаження, стінка розрядної камери може бути оптимізована для зменшення вартості виготовлення і складності обробки.

У п'ятому розділі проведені розрахунки гідроелектричних характеристик для U=37.5кВ,ємністю C=4мкФ, індуктивністю L=1 мГн, густина рідини p0=1000кг/м3, l=0.02м



Рисунок 1 - Принципова схема, яка реалізує електрогідравлічний удар

де C1 - накопичувач, заряджений до напруги и₀;

· D1-D4 - конденсаторний-стабілітрон (випрямляч);

· Т1 - підвищувальний трансформатор;

· R1, R2 - резистори;

Вихідна система рівнянь, що описують початковий процес утворення каналу розряду, отримана А.І. Іоффе:

(1)

Для розрахунку тиску вираз потрібно доповнити рівнянням балансу енергії, права частина якої являє потужність, що вводиться в канал розряду,представляє вид:

(2)

У цьому випадку рівняння для оцінки величини тиску на відстані l розряду запишеться у вигляді:



Рисунок 2 - Максимальний тиск в точках на відстані від центру розряду

З експериментальних досліджень К.А. Наугольного і Н.А. Роя [4] отримаємо залежність виділення енергії та час розряду:

та час розряду

(3)

Визначення тиску в каналі набуде вигляду:



(4)

Рисунок 3 - Зміна тиску в каналі в функції часу

З рівняння оцінки величини тиску на відстані l

(5)

Рисунок 4 - Залежність тиску в каналі від електроємності конденсатора при постійній індуктиності L=1мГн.



Рисунок 5 - Залежність тиску в каналі від індуктивності при постійній електроємності C=4мкФ.

Максимальний розрядний струм в розрядному каналі:

(6)

електрогідравлічний молот гірничий машина

Рисунок 6 - Залежність струму в каналі від електроємності при постійнійіндуктивностіL=1мГн.



Рисунок 7 - Залежність струму в каналі від індуктивності при постійній електроємності C=4мкФ.

Час зарядки конденсатора:

(7)

Сила удару за кінетичною енергією бойка:

(8)

де швидкість бойка

(9)

Побудовано залежності, напруги на розрядниках до ширини утвореного каналу, залежність хвилі відбитої від стінки розрядної камери.

Визначено, що тиск найбільш ефективно підвищується при сталій ємності залежить від індуктивності контуру.

Енергія удару становить 940 Дж., а щільність енергії визначається відношенням енергії одиничного удару до площі перетину інструменту (площі контакту) становить 0,254Дж/мм2.

Таблиця 1 - Результати досліджень

Схема управління та діагностування реалізована за допомогою нейроних мереж що дозволяю регулювати силу удару та контроль над температурою в розрядній камері.

У шостому розділі за допомогою стартап проекту на меті якого отримання прибутки за допомогою розробки і організації серійного виробництва електрогідравлічного відбійного молотка.

План впровадження стартап проекту:

План впровадження стартап проекту

Вид діяльності: серійне виробництво нового електрогідравлічного відбійного молотка.

Необхідний стартовий капітал:

Зовнішнє фінансування: кредит в обсязі 7 500 000 грн.

Фінансування проекту: необхідний стартовий капітал планується отримати у формі кредиту строком на 3 роки під 10% річних. По закінченню терміну окупності діяльність підприємства буде здійснюватися за рахунок самофінансування.

Початковий розмір штату (перший квартал): 8 осіб

Обсяг ринку складає 49 одиниць на рік

Період окупності проекту, DPBP: 27 місяців (2 роки 3 місяці)

Чиста приведена вартість: NPV = 6 151 350

Внутрішня норма прибутковості: IRR = 70%

Прийнята ставка дисконтування: 20%

Індекс прибутковості: PI = 1,95%



ВИСНОВКИ ТА РЕКОМЕНДАЦІЇ

У дисертації, поставлено і вирішено актуальне науково-прикладне завдання, яке полягає в обґрунтуванні параметрів електрогідромолотів та ефективностійого використання. При цьому за результатами виконаної роботи та відповідно до поставлених завдань можна зробити такі висновки:

1.Аналіз публікацій та патентний пошук дозволив виявити основні проблеми розвитку пристроїв ударного типу та проаналізувати темпи розвитку.

Дослідження електрогідравлічних процесів та дослідження перспектив розвитку пристроїв, що використовуються в гірничодобувній галузі, показав що даний фізичний процес є перспективним напрямком розвитку.

2. Запропонована конструкцію електрогідромолота дає можливість аналізувати доцільність використання електрогідравлічних процесів в системах ударних пристроїв.

3.Моделювання встановило, що в напруження по Мізесу не перевищують межу текучості, тобто деталь витримує прикладене до неї навантаження. Максимальне переміщення ділянок деталі склало 2,2 мм. Найбільша деформація відбувається в місці контакту з породою та площею контакту одного елемента з іншим. Робочий огран витримує прикладене до нього ударне навантаження з запасом міцності 1,7.

Результати дослідження камери розряду по заданому електрогідравлічному закону допомогли визначити основні напруження в деталі, деталь витримує прикладене навантаження в 46 МПа.

Результати зварного з'єднання створюють додаткові напруження в матеріалі корпусу електрогідромолота. Максимальне напруження в деяких точках становить 4.4813e+005 N/m^2, що не перевищує межу текучості.

В різних сегментах кожної з деталей спостерігається деформація особливо корпусу електрогідромолоту. Більшість деформованих точок знаходяться в діапазоні 1.35е-006 до 7.425-007 у.о. З отриманих результатів можна стверджувати що деталі витримують прикладеного до них навантаження, стінка розрядної камери може бути оптимізована для зменшення вартості виготовлення і складності обробки.

4. Аналіз впливу випадкової величини на характеристики тиску та розрядного опору встановив варіювання характеристик.

В результаті характер розподілу випадкових величин (нормальний розподіл для випадкової величини та розподіл Ерланга) та знайдені їх числові характеристики а саме D[X]=3,12, M[X]=0,75 що дає можливість аналізувати розподіл детальніше.

Найбільш ймовірною напругою є напруга в діапазоні (37 074,… 37 895)В з ймовірністю 0,24. Побудовані характеристики розподілів, суміщені з гістограмами, побудованими на основі статистичного ряду.

Знайдена ймовірність попадання величини в інтервалі від до становить 0,93.

5. Визначено, що тиск в робочій камері найбільш ефективно підвищується від варіюванням індуктивністю контуру та має експоненціальний характер в порівнянні з змінною електроємністю конденсатора який має параболічний характер.

Енергія одиничного удару при параметрах становить 940 Дж.

Схема управління та діагностування реалізована за допомогою нейроних мереж що дозволяю регулювати силу удару та контроль над температурою в розрядній камері. За допомогою стартап проекту на меті якого отримання прибутки за допомогою розробки і організації серійного виробництва електрогідравлічного відбійного молотка. Рекомендаційними параметрами для електрогідромолота є електроємність конденсатора 4 мкФ індуктивністю розрядного ланцюга, 1 мГн та напруги на конденсаторі, 37,5 кВ. При таких параметрах розрядний тиск в каналі становить 300 МПа, розрахований номінальний тиск в розрядній камері 25 МПа.



СПИСОК ДРУКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ ТА ДОПОВІДІ НА КОНФЕРЕНЦІЯХ

1. HIGH-FREQUENCY ELECTRO-HYDRAULIC HAMMER/ Міжнародна наукова мультидисциплінарна конференція студентів та молодих учених «Modern Technologies: Improving the Present and Impacting the Future» / Київ, 2017.

2. ELECTRO-HYDRAULIC HAMMER/ XIМіжнародна науково-практична конференція ФЛ НТУУ «КПІ» «Innovations in science and technology» (Київ, 27 листопада 2017 р.)



АНОТАЦІЯ

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

Дисертація присвячується обґрунтуванню параметрів електрогідравлічного молота, навісного на маніпулятор гірничої машини,призначеного для використання в будівельному і гірничодобувній справі, коли необхідна регульована сила удару.

Запропонована конструкцію електрогідромолота дає можливість аналізувати доцільність використання електрогідравлічних процесів в системах ударних пристроїв.

Описана методика аналітичних та експериментальних досліджень процесів електрогідромолота. Розроблена модель експериментального стенду установки.

Визначено характер розподілу випадкових величин та знайдені їх числові характеристики.

Визначено тиск в робочій камері, силу та частоту ударів електрогідромола. Характеристики та залежності електричних параметрів на гідравлічні процеси:

вперше розроблено модель електрогідромолоту, який відрізняється від відомих використанням електрогідравлічного ефекту як основного джерела енергії системи;

визначені характеристики електрогідравлічних процесів в середовищі ударних пристроїв, розглянуто вплив електричних параметрів на ударні характеристики.

Размещено на Allbest.ru