УДК 655.411:378.14 Кенжин Б.М., Смирнов Ю.М.
(КарГТУ, Караганда)
НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВИБРАЦИОННО-СЕЙСМИЧЕСКОГО МОДУЛЯ
Сформулированы основные задачи экспериментальных исследований вибрационно-сейсмического модуля для реализации адаптивного метода воздействия на углепородный массив, проанализированы характерные осциллограммы рабочих процессов
Модуль предназначен для динамического воздействия на углепородный массив при проведении мониторинга нарушенности его залегания, обнаружения очагов скопления газа и разгрузки выбросоопасных нарушений.
Аналитические исследования режимов работы вибрационного механизма проведены с комплексом допущений, которые либо не могли быть учтены в математических моделях, либо были приняты для упрощения тех или иных операций. Установить степень достоверности гипотез и предположений можно при экспериментальных исследованиях, которые позволяют оценить принятые допущения по уровню их значимости, углубить представления о характере течения рабочих процессов, а также вскрыть новые явления, дополняющие и уточняющие сущность исследуемых процессов.
В соответствии с основной целью экспериментов должны быть решены следующие задачи:
— определение зависимостей выходных показателей исполнительного органа от параметров привода;
— установление влияния параметров органа управления на выходные показатели исполнительного органа;
— установление основных рекомендаций по величинам параметров и их интервалам изменения.
Модуль, предназначенный для проведения экспериментов, характеризуется следующими выходными показателями: амплитуда силы – 1000 Н, амплитуда перемещения (максимальная) — 0,02 м, частота колебаний — до 25 Гц.
В общем случае механизм включает привод, орган управления и исполнительный орган. Привод предназначен для преобразования электрической энергии в энергию движущейся жидкости и передачи ее к исполнительному органу Орган управления перераспределяет энергию жидкости во времени. Исполнительный орган преобразует энергию движущейся жидкости в энергию механических колебаний и передает ее объекту воздействия.
В качестве привода использована серийно выпускаемая насосная станция с технической характеристикой, приведенной в таблице 1.
Основным элементом органа управления является электрогидравлический усилитель типа УЭГ.С-500, который управляется электрическими сигналами, поступающими от генератора типа Г6-27. На выходе генератора сигналы имеют одну из следующих форм: синусоидальную, треугольную, прямоугольную, пилообразную. Диапазон частот генератора составляет 0,001 Гц — 25 Гц с разделением на 9 поддиапазонов. Максимальное значение сигнала любой формы на выходе генератора равно 5 В. Вследствие того, что пopoг срабатывания усилителя равен 100 В, для усиления сигналов от генератора использован усилитель типа УМЭ-100, состоящий из двух каскадов. Первый каскад усиливает напряжение, второй — мощность.
Таблица 1 — Техническая характеристика маслостанции
| №№
п/п |
Параметр | Единица
измерения |
Величина |
| 1 | Номинальное давление | МПа | 20 |
| 2 | Производительность | л/мин | До 80 |
| 3 | Потребляемая мощность | кВт | 40 |
Усиленный до напряжения 100 Вольт сигнал поступает на управляющие катушки электромеханического преобразователя, с помощью которых opгaн управления регулирует подачу рабочей жидкости из высоконапорной магистрали в исполнительный орган.
Конструкция УЭГ.С-500 предусматривает одновременную подачу рабочей жидкости в высоконапорную магистраль (давление до 20 МПа) и в систему управления (давление до 5 МПа). Для реализации этого требования использованы регулятор расхода и напорный клапан, включенные параллельно магистрали высокого давления.
Техническая характеристика органа управления приведена в таблице 2.
Таблица 2 — Техническая характеристика органа управления
| №№ п/п | Параметр | Единица измерения | Величина | |
| 1 | Давление питания | а) максимальное | МПа | 32 |
| б) минимальное | 1,6 | |||
| 2 | Давление управления | а) при давлении питания до 6,3 | МПа | Равно давлению питания |
| б) при давлении питания более 6,3 | 6,3 | |||
| 3 | Давление в линии слива (в процентах давления питания), не более | МПа | 3 | |
| 4 | Расход | л/мин | 500-50 | |
| 5 | Расход через систему управления | л/мин | 4-5,5 | |
| 6 | Частота | Гц | 25 | |
Составные части и их особенности определили два вида исполнения гидравлической схемы виброисточника (рис. 1 и 2).
| Рисунок 1 – Гидравлическая схема
виброисточника с совмещенным управлением: 1 – маслостанция; 2 – орган управления; 3 –исполнительный орган; 4 –делитель потока; 5 – редук-ционный клапан; 6 –пневмогидро-аккумулятор |
Рисунок 2 – Гидравлическая схема
виброисточника с независимым управлением: 1 – маслостанция; 2 –орган управления; 3 –испол-нительный орган; 4 – пневмогид-равлический аккумулятор; 5 – привод управления; 6 – гидронасос; 7 – предохранительный клапан |
Согласно схеме принцип действия источника с совмещённым управлением представим в следующей последовательности. Рабочая жидкость от маслостанции 1 подается на напорную магистраль и далее на выход органа управления 2. Делитель потока 4 обеспечивает подачу жидкости с нужным расходом на управление электрогидравлического усилия.
Общий вид вибрационного источника и его составные части показаны на рисунках 3, 4, 5.
Отличие последней схемы от ранее приведенной заключается в том, что на управление электрогидравлическим усилителем используется дополнительный привод. С одной стороны, это исключает взаимное влияние работы составных частей источника друг на друга, с другой — повышает установленную мощность источника.
| Рисунок 3 – Общий вид виброисточника |
В соответствии с описанием гидросистемы рабочий цикл источника может быть разделен на две фазы, исследованные ранее в аналитических расчетах: движение поршней исполнительного органа вверх (согласно рисунку) под действием давления рабочей жидкости — прямой ход; перемещение поршней вниз под действием сил упругости сжимаемого элемента — обратный ход. При этом пневмогидравлический аккумулятор в первой фазе разряжается, а во второй — заряжается, потребляя расход насосной станции.
Кроме объекта исследований в экспериментальный комплекс входят средства измерения и регистрации исследуемых параметров, а также приборы для контроля измерительных величин.
Регистрация изменения давления рабочей жидкости производится посредством тензометрических датчиков давления типа ТДД с диапазоном измерения 0 — 2,5 МПа и 0 — 25 МПа. Ускорение поршней исполнительного органа фиксируется приборами фирмы «Брюль и Кьерр» [36].
Средства регистрации измерительных величин традиционны и включают комплект, состоящий из осциллографа и усилителя.
| Рисунок 4 – Орган управления: | Рисунок 5 – Делитель потока: |
Рисунок 6 – Привод
В процессе проведения экспериментов датчики давления устанавливаются в трех точках, давление жидкости в которых наиболее полно характеризуют режим работы виброисточника в целом: в напорной магистрали перед органом управления; в магистрали, соединяющей орган управления с исполнительным органом; в сливной магистрали. Сигнал от каждого датчика поступает в соответствующий канал усилителя и записывается на пленку осциллографа с одновременной фиксацией интервалов времени.
Одновременно производятся замеры колебаний плиты, контактирующей с упругим элементом, с одновременной записью показателей на магнитную пленку.
В основу методики записи исследуемых параметров положены следующие положения:
1. При изменении одного из параметров другие остаются постоянными, кроме величин, сопряжено связанных с изменяющимися.
2. Запись опыта производится при установившемся режиме работы исполнительного органа и привода. Запись кадров в одном опыте должна включать не менее п циклов, число которых зависит от вида реализации. При детерминированной функциональной связи записываемых параметров число опытов ограничено в пределах до 10-11 циклов, достаточных для определения строгой однозначности характера рабочего процесса. При случайном характере реализации это число увеличивается и определяется по методике статистической обработки результатов измерений, предложенной в приложении ГОСТ 16159-70 (стр.7-10). Скорость протяжки фотоленты изменяется в зависимости от содержания эксперимента в пределах (1 — 5) м/с.
При осциллографировании записываются давления: в напорной магистрали (Рн), в поршневой полости гидростоек (РР) и на сливе (РСл). При проведении опыта изменяется частота управляющего сигнала n от 1 до 5 Гц при различной его форме, а именно: прямоугольной, треугольной и синусоидальной.
Как было указано ранее, генератор импульса позволяет задавать еще и пилообразную форму. Установленные опыты, проведенные для каждой формы, показали, что при такой форме режим работы, как органа управления, так и исполнительного механизма весьма неустойчив. Вследствие этого пилообразная форма в дальнейших экспериментах не использовалась.
Фрагмент осциллограммы рабочего процесса в установившемся режиме работы исполнительного органа показан на рис. 7.
Вид осциллограммы показывает, что записываемые параметры являются случайными функциями. Для объективной их оценки в достаточном доверительном интервале и с целью установления уровня случайности был проведен статистический анализ функций с использованием методов статистической динамики.
Для качественного анализа рабочего процесса, протекающего в исполнительном органе, рассмотрим приведенный фрагмент осциллограммы.
В начале фазы прямого хода поршней исполнительного органа можно выделить отрезок времени tn, в течение которого орган управления соединяет напорную магистраль с поршневыми полостями исполнительного органа. Мгновенное открытие канала соединения и потребления жидкости определяет резкое падение давления в напорной магистрали на отрезке осциллограммы «ab» . Далее на участке «bc» давления в напорной магистрали и поршневых полостях исполнительного органа возрастают, при этом характер изменения давлений имеет идентичный вид. Резкий рост давления в напорной магистрали может быть объяснен следующим. В начале фазы прямого хода скорость поршней падает до нуля, в то время как объем рабочей жидкости непрерывно подается в поршневую полость. Это приводит к сжатию жидкости в полости и, как следствие, к повышению давления. Далее поршни со штоками начинают перемещаться вверх, совершая прямой ход.
| Рисунок 7 – Фрагмент осциллограммы |
При этом за счет потребления расхода жидкости в поршневой полости давление в напорной магистрали стабилизируется (участок cd). Дальнейший рост давления осуществляется за счет деформации упругого элемента между подвижной плитой и рамой. В точке d’ это давление достигает максимального значения и далее начинает резко падать. Это характеризуется тем, что орган управления отсек подачу жидкости и соединил поршневые полости со сливом, что наглядно показывает характер изменения давления жидкости в сливной магистрали (d»e). Этот участок, а также следующий за ним ef» обусловлены фазой обратного хода поршней со штоками. Резкое повышение давления (участок d»e) характеризуется ускоренным движением поршней и повышенным расходом жидкости в сливной магистрали. Снижение давления до величины близкой к нулю достигается за счет торможения поршней при снижении величины сил упругости. В этой фазе движения поршней давление в напорной магистрали продолжает расти из-за отсутствия потребления.
Начиная с точки a1, цикл повторяется.
Эксперименты, проведенные при изменении формы управляющего импульса при неизменной частоте, показывают, что качественная картина изменения рабочего процесса аналогична рассмотренной. Вопросы количественной оценки на данном этапе проведения эксперимента не затрагиваются.
Резюмируя анализ осциллограмм, можно заключить следующее:
1. Периодичность колебаний поршней исполнительного органа полностью определяется вынужденной частотой управляющего импульса.
2. Закон изменения давления в поршневых полостях исполнительного органа в фазе его прямого хода идентичен характеру изменения давления жидкости в напорной магистрали.
3. Характер изменения давления жидкости в поршневых полостях исполнительного органа не соответствует форме импульса, подаваемого на распределитель.
4. Давление жидкости в напорной магистрали в фазе обратного хода поршней возрастает, что указывает на необходимость установки в напорной магистрали аккумулятора.