Развитие средств формирования импульсной нагрузки как пример динамизации

 

 
Человек использует явление удара с незапамятных времен. Он (человек) стал могуществен, потому что научился развивать усилия, намного превосходящие его собственные. Два обстоятельства послужили этому: применение рычага и удара.

Там, где оказывалась недостаточной сила, развиваемая мышцами человека, приходил на помощь рычаг, умножая его силовые возможности, но когда было недостаточно и этого – вступал в свои права удар. Для реализации удара первобытный человек использовал камень, то есть ударная система состояла всего из одного элемента.

В настоящее время ударные механизмы распространены чрезвычайно широко. Как правило, в ударную систему входят элементы, генерирующие, передающие и воспринимающие ударную нагрузку: боек, инструмент (волновод) и разрабатываемая среда (рис.1) /1/. То есть, собственно ударная система состоит уже из двух элементов, а ее работа рассматривается при обязательной увязке ударной системы с объектом, на который направляется энергия удара. Каждый из названных элементов является предметом самостоятельного исследования и содержит еще не реализованные резервы повышения эффективности функционирования системы в целом.
Для примера рассмотрим процесс совершенствования бойка.
 

Сначала боек представлял собой сплошной цилиндр некоторой длины l1 (рис.1) с одинаковым по всей длине диаметром и плоскими торцами. Затем, по мере накопления знаний, для повышения эффективности использования энергии удара перешли к ступенчатому бойку, разделив его общую длину l1на участки длиной l2 и l3 , а ударному торцу придали сферическую форму (рис.2.) /2/. Результатом внесенных нововведений стало изменение в широких пределах параметров генерируемого в ударной системе импульса и существенное увеличение разрушающего воздействия на грунт. Последующие изменения бойка, преследующие цель повысить коэффициент полезного действия ударной системы, характеризуются дальнейшим повышением степени дробления бойка. Например, в центральной части бойка вырезается некоторая часть, имеющая подвижность относительно остальной части (рис.3.) /3/ на величину зазора h.
 

 

 

 

Эта идея – выделение внутри бойка подвижной части, в последующем многократно тиражируется. В результате возникает совокупность технически решений, которые можно свести в две группы.
Первая из них представлена устройствами, в которых активная масса (боек) оказывает непосредственное воздействие на ударяемое тело каждой из составных частей. Пример такого устройства представлен на рис.4 /4/.
 

 

Основными элементами устройства являются: корпус 1, боек 2, ударный торец 3, наковальня 4. При падении такого устройства вниз наковальня 4 через ударный торец 3 нагружается в начале энергией корпуса 1, а затем - бойка 2. Разновременность удара регулируется величиной зазора h. Для расширения возможностей по изменению параметров ударов в аналогичные технические решения включаются упругие элементы того или иного исполнения /5/, изменяются геометрические размеры ударяющих масс или их количество /6/, включаются устройства регулирования величины зазора h, например, с помощью электронных систем управления /7/ и т.д.

Вторая группа технических решений представлена устройствами, в которых составные части бойка размещаются одна над другой. Пример такого устройства представлен на рис.5 /8/.
 

 

 

В этом устройстве корпус 1 и боек 2 последовательно нагружают наковальню 3, но при этом корпус 1 одновременно является промежуточным элементом, что накладывает ограничения на величину h разновременности ударов. Разновидностей технических решений данной группы также много. Боек 2 предлагается выполнять, например, в виде текучей массы (жидкости) /9/, сыпучего тела (шариков) /10/, системы выдвигающихся в стороны скалывающих зубьев /11/ и другие.
Преследуя цель интенсифицировать разрушение, деление бойка на части привело к тому, что применение сыпучего тела (шариков) в составе бойка стало использоваться для решения обратной задачи – гашения энергии удара, проявляющемся в уменьшении величины отскока бойка (молотка). Таким образом, появился молоток, практически не имеющий отдачи.
На очередном витке поиска резервов настал черед дробления наружной части бойка. Здесь существуют свои особенности процесса дробления. Наружная часть является остовом бойка и напрямую не может быть разделена на части, так как в этом случае нарушится работоспособность ударного механизма. Поэтому процесс дробления коснулся только одной части – ударного торца. Для смягчения процесса соударения наружной части бойка с ударным торцом волновода ударному торцу наружной части (обозначенному R2 на рис.3) придается многоточечная форма, то есть он выполняется не сплошным кольцевым, а состоящим из отдельных выступов, размещенных на радиусе Rk.
Каким еще образом можно повлиять на параметры генерируемого при ударе импульса? Технические решения можно предугадать, последовательно изменяя жесткость ударного торца бойка путем перехода от металла (твердого тела) к жидкости, а затем и к газу. Так в работе /12/ показано, что вставка водяной прослойки между ударными торцами бойка и волновода приводит к получению импульса, управляемого в широких пределах по основным параметрам, то есть импульс становится практически «ручным». В работе /2/ описаны результаты применения воздушной прослойки между ударными торцами, они схожи с результатами применения водяной прослойки.
В каком направлении могут развиваться системы этого класса дальше? Возможен ли переход от системы динамического принципа действия, содержащей в качестве нагружающего устройства твердое тело и обеспечивающей формирование управляемого по форме импульса к другим системам, в которых нагружающее устройство предоставлено, например, газом? В /13/, например, описано газодинамическое устройство, в котором твердое тело выполняет только функцию направляющего аппарата, а непосредственную работу выполняет поток газа, который формируют путем сжигания топливо – воздушной смеси, а затем разгоняют и преобразуют в детонационную волну. Путем разделения направляющего аппарата на отдельные составные части достигаются условия разделения детонационной волны на части и разновременного ее выхода на забой. Конечный результат воздействия сформированной таким образом волны аналогичен результату действия механической ударной системы.
Еще одним вариантом исполнения нагружающей системы, основанной на использовании энергии газа, является взрывогенераторное оборудование /14/, аналогичное по принципу действия описанному выше газодинамическому оборудованию, но использующее для формирования газового потока энергию взрыва жидкого взрывчатого вещества. Разделение взрывной волны на части и задание условий их движения, схожих с описанными выше, также позволяет управлять параметрами итогового взрывного импульса в широких пределах.
Если отказаться от направляющих устройств, которые применяются в газодинамическом и взрывогенераторном оборудовании для задания направления движения ударной волны, то выстраивается аналогия между нагружающим действием на преграду механических ударных систем и взрывов зарядов взрывчатого вещества, разновременное взрывание которых называется «короткозамедленное взрывание» /15/ и широко применяется в строительстве, горном деле и т.п.
В чем физический смысл создания всех представленных технических решений? За счет чего возрастает разрушающее действие динамической нагрузки?
Из курса физики известно, что импульс силы, передаваемый телу, при неизменном значении силы равен произведению силы на время ее действия. При изменяющейся во времени силе импульс уже выражается определенным интегралом силы по времени, то есть, фактически учитывается форма импульса, воздействующего на преграду. Представленные технические решения как раз и решают задачу формирования импульса, адаптированного к свойствам преграды (среды). Поясняющим примером могут служить взрывы взрывчатого вещества на поверхности преграды. Случай №1: взрывается 1г взрывчатого вещества (цифра условная и отражает только качественную сторону вопроса). Разрушение не происходит. Случай №2. Взрывается 1 кг того же самого взрывчатого вещества. Разрушение наступает. Что изменилось? – Изменилось время действия взрывной нагрузки. Параметры давления на преграду (то есть, амплитуды взрывных импульсов) в первом и во втором случае остаются в целом постоянными, так как взрывчатое вещество одно и то же. Следовательно, взрывной процесс при применении одного и того же взрывчатого вещества имеет один параметр регулирования – время действия взрывной нагрузки. Увеличение времени действия взрывной нагрузки путем дробления взрывного импульса на части и последовательной передачи этих частей преграде фактически эквивалентно взрыванию заряда увеличенной массы. Правда при этом присутствуют и другие физические процессы, но они не имеют отношения к рассматриваемой теме.
Механические ударные системы при реализации представленных технических решений приобретают способность к регулированию ударного импульса по двум параметрам – времени действия и амплитуде. Последующие импульсы, получаемые при дроблении исходного импульса на части, как бы «пристыковываются» к предыдущим, формируя импульс увеличенной длительности. Так как суммарное значение импульса, передаваемого преграде, вследствие закона сохранения должно оставаться неизменным, происходит пропорциональное снижение амплитуды нагрузки. Увязывая между собой параметры действующей нагрузки и преграды, достигаются условия эффективного воздействия на последнюю.
 
Изложенный материал представляет собой одну из возможных линий развития класса технических устройств в соответствии с законом динамизации или ветвью эволюции.
 
Список литературы
1.     Алимов О.Д., Манжосов В.К., Еремьянц В.Э. Удар. Распространение волн деформаций в ударных системах. – М.: Наука, 1985. – 358 с.
2.     Александров Е.В., Соколинский В.Б. Прикладная теория и расчеты ударных систем. – М.: Наука, 1969. – 201 с.
3.     Устройство для разрушения прочных сред. Патент РФ № 2001210  от 06.11.1990г.
4.     Ударное устройство. А.с. № 621821 от 08.06.1976 г.
5.     Зуб ковша экскаватора. Патент РФ №2003765 от 25.11.1993.
6.     Минаев О.П. Погружение свай и уплотнение грунтов двухмассными молотами и трамбовками свободного падения. Дисс. канд. техн. наук. – Л.: 1988. –219 с.
7.     Способ бурения скважин ударными импульсами. А.с. №1348478 от 19.03.1984.
8.     Буров В.П. Ударный погружатель свай со сдвоенной ударной частью //Совершенствование механизации и технологии дорожно – строительного производства. – Караганда, 1979. – с. 106 – 110.
9.     Устройство ударного действия для разрушения горных пород. А.с. №1609994 от 06.06.1988.
10. Integrally molded hammer wiht separated head and handle cores. United States Patent №4697481. – Oct.6, 1987.
11. Рабочий орган рыхлителя. А.с. №1559064 от 10.07.1988.
12. Сердечный А.С. Управление амплитудой и длительностью ударного импульса. Автореферат дисс. докт. техн. наук. – Новосибирск: 1997. –31 с.
13. Устройство для термогазодинамического разрушения горных пород. А.с. №1554450 от 07.06.1988.
14. Волов В.Б. Исследование и разработка струйных взрывных аппаратов бурения скважин. Дисс. канд. техн. наук. – М.: 1966. – 217 с.
15. Кутузов Б.Н. Разрушение горных пород взрывом. – М.: Изд. МГГУ, 2009.- 471с.
 
 
П.Н. Шимукович
Доктор технических наук

 

Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Комментарии

Re: Развитие средств ...

Хороший материал. Стоило бы автору его доработать в части превращения в учебный материал для вузовского курса ТРИЗ. Нужна более тщательная отработка линии на повышение идеальности.
Готов выступить в качестве рецензента такой разработки.
А.Гасанов

Re: Развитие средств ...

Уважаемый Александр Искандерович!
Уважаемый другой автор!
Спасибо за то, что прочли мой материал и нашли время оставить отзыв.
Когда я направлял материал в адрес АВК, то я писал, что это материал справочного характера. Его можно довернуть в любую сторону: представить в виде задач, изложить в виде ветви эволюции класса технических устройств, подобно тому, как представил свой материал с мониторами Н. Шпаковский, либо просто представить эту же информацию, как пример реализации закона динамизации. Для того, чтобы понимать, по какому пути двигаться - надо понимать контекст учебника. В данный момент времени самостоятельно и в полном объеме браться за этот проект не готов. Если у Вас есть собственные задумки об издании учебника - то этот вопрос можно обсуждать. Материал можно расширить, видоизменить и т.д., тем более что знаю его достаточно хорошо.
С уважением, Петр Николаевич Шимукович

Subscribe to Comments for "Развитие средств формирования импульсной нагрузки как пример динамизации"