Формирование рабочего цикла технологической ударной системы с тепловым приводом

В.В. Долгополова, И.А.Чечета

Рассмотрены и проанализированы структурные элементы, составляющие рабочий цикл проектируемой машины типа высокоскоростного молота с тепловым приводом. Представлены варианты математического и технико-экономического обоснования для определения времени, затрачиваемого на каждый структурный элемент рабочего цикла.

Все технологические ударные системы с тепловым приводом имеют единый способ действия, поскольку конструктивно выполнены по единой логико-вероятностной схеме, у которой в перечне основных элементов значатся: камера сгорания топливного заряда, расширительный цилиндр для преобразования работы расширения газа в кинетическую энергию имеющихся жестких соударяющихся тел, оснащенных инструментом. При этом расширительный цилиндр одновременно обеспечивает возможность нанесения центрального удара по обрабатываемому объекту (заготовке).

Одним из примеров технологической ударной системы является высокоскоростной молот (ВСМ) с тепловым приводом. Рабочий цикл ВСМ состоит из следующего ряда последовательно выполняемых операций: наполнение камеры сгорания свежей топливной смесью методом последовательной подачи газа, а затем воздуха или кислорода (τ_н); горение топливной смеси (τ_r); рабочий ход энергетически активных масс в результате расширения продуктов сгорания (τ_рх); обратный ход при попутном истечении в атмосферу продуктов сгорания (τ_ох); продувка камеры сгорания свежим воздухом, то есть очистка камеры сгорания от остаточных газов (τ_пр).

Таким образом, рабочий цикл представляет собой сумму отрезков времени, в течение которых выполняется каждая из перечисленных операций:

(1)

Определение рабочего цикла связано с анализом газообмена, протекающего в условиях изменяющихся проходных сечений органов газораспределения и объемов, переменных давлений и температуры во всех элементах газовоздушных трактов. Все это говорит о сложности процесса. Учесть в полной мере все факторы, влияющие на процесс, не представляется возможным. Поэтому с учетом установившейся практики есть возможность считать процесс течения газов адиабатным, поток одномерным с неизменными по объему давлением и температурой, то есть, принимаем ряд допущений, дающих возможность руководствоваться общеизвестной теорией истечения идеальной сжимаемой жидкости.

Время истечения любого газа в общем случае может быть найдено по уравнению:

, (2)

где - весовое количество газа, который должен занять (освободить) известный объем при заданном давлении;

G – секундный расход газа через заданное проходное сечение.

Весовое количество газа находят на основании уравнения газового состояния:

, (3)

где Р – давление газа;

V_k – объем камеры;

R – газовая постоянная;

Т – температура газа.

Секундный расход определяют по уравнению:

, (4)

где μ – коэффициент истечения;

f – площадь проходного сечения;

Р_i – давление газа перед выпускными органами;

V_i – удельный объем газа;

ψ – функция, зависящая от соотношения давлений Р₁/Р₂;

Р₂ – давление за выпускными органами.

Перед вычислением секундного расхода определяют характер течения по критическому отношению давлений:

(5)

Если в анализируемом случае , то функция ψ определяется по уравнению:

; (6)

если , то принимают:

. (7)

Время наполнения камеры сгорания при последовательной подаче топливных компонент состоит из времени подачи горючего (τ_гор) и времени подачи окислителя (τ_ок):

. (8)

Практика эксплуатации высокоскоростных молотов, приводимых в действие продуктами сгорания горючих газовых смесей, показывает, что соотношение давлений, складывающиеся в процессе подачи топливных компонент, меньше критического значения. Поэтому функцию ψ следует вычислять по уравнению (7), принимая показатель адиабаты подаваемых газа и окислителя, соответственно. Автоматическое включение последовательной подачи топливных компонент не связано с потерями времени на переключение элементов системы. В качестве примера на рис. 1 представлена разработанная авторами схема подачи топливных компонент. На схеме приняты следующие обозначения: 1 и 2 - баллоны горючего и окислителя; 3 и 4 – электроклапаны; 5 и 6 - электроконтактные манометры; 7 – камера сгорания. При этом электросистема предусматривает такую взаимную связь элементов, при которой замыкание электроконтактов на манометре 5 обеспечивает включение электроклапана 4 и отключение электроклапана 3, а замыкание электроконтактов манометра 6 является включением системы зажигания.

В итоге время наполнения камеры сгорания является результатом расчета по уравнениям (2), (3), (4), (7) и (8).

Рис. 1

Время горения топливной смеси зависит от большого числа факторов (от состава смеси, степени однородности смеси, температуры, давления, вида и числа источников воспламенения и др.). Как правило, время горения находят экспериментально. Обычно оно составляет 0,005-0,010 с.

Время рабочего хода высокоскоростного молота зависит от средней скорости V_ср движения энергетически активных масс и величины рабочего хода Н:

. (9)

Время обратного хода. Обратный ход высокоскоростного молота осуществляется подачей сжатого воздуха в штоковую полость расширительного цилиндра. Давление воздуха назначают, руководствуясь стремлением создать усилие, превышающее вес и силы трения перемещаемых узлов и обеспечивающее герметизацию камеры сгорания. Однако, к концу рабочего хода в расширительном цилиндре находятся продукты сгорания при давлении Р_в, в два-три раза превышающем давление воздуха, подаваемого в штоковую полость.

Таким образом, в крайнем нижнем положении на метаемый узел действует сила (без учета энергии подскока):

, (10)

где f_п – площадь торца, подверженного воздействию продуктов сгорания;

f_шт – площадь торца, подверженного действию сжатого воздуха со стороны штоковой полости.

Силу Q можно рассматривать, как сопротивление обратному ходу. Эта сила будет равна нулю, если давление продуктов сгорания Р_в снизится до величины Р_ост:

(11)

Время продувки камеры сгорания зависит от размеров и формы камеры сгорания, размеров проходных сечений клапанов впуска и выпуска, места расположения клапанов на камере сгорания, давления продувочного воздуха и других факторов. С учетом этого для каждого типоразмера привода время продувки устанавливается экспериментально. Для предварительного расчета можно принимать:

. (12)

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.9.047