Исследование внедрения гибких стержней в твердую среду тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

ОМСКЙЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВКРСЯТИ

На правах рукописи

исшшовшв бкжрения гибких сшшш

в твшю тш

Специальность 01.02.OS - Динамика.. ЙрОЧНОСТЬ MSnnffifr

приборов и аппаратура

АВТОРЕФЕРАТ дяосэртации на соискакиэ учвтЯ степе int кандидата текничоскнх йаук

ОМСК - I §96

Работа выполнена на кафедре "Детали машин и подъемно-транспортные устройства" Омского государственного технического университета

Научный руководитель - Б.Н,Стахановский, д.т.н., проф., зав. кафедрой "Детали машин и ПТУ" ОмГТУ

Официальные оппоненты - Ю.А.Бурьян, д.т.п., проф., зав. кафедрой

"Теоретическая механика" ОмГТУ; E.H. Хаустов, к.т.к.о доцент, аам. генерального директора НПО"АгроОмск"

Ведущая организация - АО "Сатурн"» г.Омск

Защита состоится № А и __октября_ I99S

в °J часоз на заседании диссертационного совета Д 063.23.02

в Омском государственном техническом университете по адресу: 644050, Г. Омск-БО, проспект Мира, II.

О диссертацией, можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Отзыва на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой

печатью- организации, просим направлять в адрес диссертационного

совета,, ,

Автореферат разослан " " об/^дс^с] 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., проф. Е.А. Воронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. В настоящее время область применения гибки? стержней достаточно пирона. Они используются как креггехше сродства в строительстве и медицине; в качестве электродов заземления;- в с-ост^т-анкерных устройств; для крепления оттяжек опор ЛЭП, мачт и т„п. конструкций; для ограждения различных объектов неродного хозяйства.

В связи с этим значителен объем работ по внедрению гибких стеру;--ней в твердую среду: естественные и искусственные строительные иэт-риалы, грунты, кость. Так, одних только электродов заземления ежэгод -но погружается более 600'км, а элементов дороотшх ограждений (&00_900)103 шт.

Известии различные' способы внедрения гибких стеркнэй в творду!-среду» Одни из них сравнительно энергоемки и недостаточно прензв*;»-тельны, другие - более перспективны,- но исследованы в меньшой степе!'--.

Существует проблема рационализации процесса внедрения гро1"1!-стержней в твердую среду. Разрешению этой 'проблема посвящен» исследования, проводимые при выполвашт данной диссертационной рзСсп--. спродоляюпцте ео актуальность. -

Цель работа. Получить рекомендации (методического характера г конкротные), иеобходшыв для создания ковнх. и созерЕонствовокшз существующих устройств внедрения гибких стержне»! в твердую орэду. -

Методика исследования» Теоретические исследования вияолнекн с применением аналитических и численных методов математического анализа и программ математического обеспэчетая ЭВМ.

Экспериментальные исследования проводились а применением быстродействующей контрольно-измерительной аппаратуры и специального оборудования, разработанного соискателем, обеспечивающего зирокий диапазон изменения управляющих реяммяых параметров <УРП)„ Экспериментальные да¡тыв подвергались графоаналитическому анализу на основе методов математической статистики.

Научная новизна. В результате, исследований получены рекомендации, 'необходимые, для создания новых и совершенствования существующих устройств внедрения гибких стержней в твердую среду: а) методические:

- методика определения кинематических и динамических пара-мэтров сечений внедряемого стерки при торцовом соударении

элементов ударно-вращательных механизмов и соответствующая программа расчета на ЭВМ "WAVE";

- методика определения кинематических и динамических- параметров участков ударно-поворотного механизма с неторцевым соударением элементов для внедрения гибких стержней ;

- методика проведения многофакторного вычислительного эксперимента на ЭВМ факторного типа, позволяющая определить закономерности внедрения гибких стержней в твердую среду способами, сочетающими удар с вращением, и соответствующая программа расчета на ЭВМ.

б) конкретные:

- получаемые с помощь» программы "wave" при различных параметрах стержней, ударника и среды вне ¿фения;

- получаемые с помощью программы вычислительного эксперимента при различных режимах внедрения;

- полученные в результате физического эксперимента.

Практическая ценность и реализация в промышленности

Результаты исследований представляют интерес для специалистов-

тактиков, связанных с внедрением гибких стержней в твердую среду (травматологов-ортопедов, строителей, электриков и Т.Д.). использовались строительными организациями г. Омска: строительно-монтакным треотоы Ji в, АО РСУ "Полет" при внедрении крепежных спиц во фрагменты из неметаллических материалов; АО "Сатурн" при внедрении стеркневых элементов в грунт.

Практическая значимость данной работы для возведения и реконструкции спор-ивных сооружений отмечена департаментом культуры и спорта администрации г.Омска.

Практическая ценность работы и реализация в промышленности подт-верздана соответствующими документами.

Апробация работы. Материалы диссертационной' работы докладывались и ссоуздздись ка Ыекдаэродной научно-технической конференции "Проблемы конверсии, разработка и испытания приборных устройств" (р.Владимир, 1993); на ххх научной конференции профессорско-преподавательского еоо-т'рва, научных работников и аспирантов "Ресурсосберегающие технологии. Проблемы высшего образования" (г.Омск, 1994); на межвузовской научно-технической конференции "Приборы и приборные системы" (г.Тула, 1Э94).

Публикации. По результатам исследований опубликованы 4 печатные работы. 4

Структура и объем диссертации. Диссортациошшя работа постоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка ,и приложений. Работа содержит 213 страниц основного текста, включая 101 рисунок и 25 таблиц; список литературы (159 наименований) на 13 страницах; 2 приложения на 64 страницах. Всего 280 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы основная идея работы, цель и задача исследований.

В первой главе приводится анализ внедрения гибких стержней различного назначения в твердую среду известными способами: вращательным; ультразвукового сверления; ударным; ударно-врэгцательным; ударно-поро ротным; вращательно-ударным.

Вращательный способ используется для внедрения строительных и медицинских стержневых крепежных элементов. Основным недостатком способа является его относительно низкая производительность к огоги тканей при его использовании в медицине.

Способ ультразвукового сверления является узкоспециальном, 'л, используется для образования отверстий под металлический крепоя г-Травматологии и ортопедии. При этом' нэ шасючена еозможность тепловсч травматизацйи тканей.

Ударный способ Широко применяется в прогягаленнооти, медицине и п быту. Основным недостатком ряда устройств для его осуществления является возможность потери устойчивости гибким стеркнем при внедрении. Для разрешения, этой. проблемы используют так называемые, "оправки" различных конструкций, а также специальные <ЗоЙки "стаканного типа".Использование данного способа в медицина не исключает вероятности образования трещин в костях.

Следу гацие способыгударно-вращвтельный, ударно-поворотный, враща-тельно-ударный-основана на сочетаний удара о вращением (поворотом). Подобное сочетание энергий широко и успешно применяется гри бурении горных пород, в основе чего лежит утверждение о том, что сопротивление Изгибу, растяжении.и сдвигу твердых материалов много меньше их сопротивления одноосному статти Существую? больаие пробелы в конструировании устройств внедрения гибких стержней в тверда» среду способ* ■• "мк, сочетающими удар с вращением (повбротом).

Способы внедрения, гибких стержней б твердум . среду, сочетанию . уд*ф с вращением (поворотом), выбраны для исследования нэ' осйово ,: 0рноП информации. * 5.'

Во второй главе приводятся математические модели процессов внедрение гибких стержней в твердую среду способам, сочетающими удар с вращением (поворотом); построение которых связано с решением цроблемы рационализации внедрения гибких стержней в твердую среду.

При моделировании ударно-вращательного и ударно-поворотного внедрений гибкого стержня важным является отражение ударного воздействия на стержень.В момент удара остальными нагрузками на стеркень ложно пренебречь. Данное допущение лежит- в, основе выбора расчетных моделей ударно-вращательной к ударно-поворотной систем.

Из известных методов расчета ударных систем выбран метод плоской волны <модель Сен-Вэнана).

Анализ упругих волн в соударяемых телах показал, что происходящие волновые процессы о достаточной степеньЬ точнооти мошо описать одномерным волновым уравнением

^Xte.t)

^Xia.t)

где

¿¡Г- д?Г

а - скорость распространения продольной волны;

X(a,t) - неизвестная функция смещения вдоль оси а.

В настоящее время существует достаточно много способов расчета ударных систем, разработанных, на Case аналитических и численных методов, решения одномерных волновых'уравнений.

Для расчета ударных сиотем с торцовым соударением алошнтйв, характеризующихся простой геометрической'формой,.что соответствует выбранной расчетной модели ударно-вращательной системы (рио. I), применяются еналитическио метода расчета: Фурье, Даламбэра, операционного исчисления и др. : '

В данном случае попользовался метод Даламбара, позволяющий определить кинематические и даншлическйе параметры состояний сечений внедряемого сторгкя (сыещэнаэ, скорость „усилие» деформацию и напряшки-э) при заданных граничных и начальных условиях.

Граничные условия: - для контактного сечения ударника и волговода (¿¿о).

(уоловод взаимодействия волновода (Стержня) с жесткой массой (ударником)):

Рио. I

т

О

I".

vrrrrr

0X(O,t)

ЕР -

az

maax(o,t) dX^o.t)

-з- , воли--< о,

at£ az

Я)

ах(0Д)

о, если -> о,

az

- для противоположного тдрца волновода (е=2) (условие взаимодействия стертая с идеально пластичной средой,': dX(l,t)

ЕР -——- - - kX(í,t), VSOi ¡2)

az

ax(i,i)

» O, Y(Z,t) < О. (3)

3Z

Начальные условия: в момент времени t=0

X(z,0) =0, . (4)

v . 'если z = о,

<?x(g,o) <?t

(6)

о, если 2 > o.

В уравнениях (!)-(.§)

уо - скорость ударника в начальный момент удара;

* I - длина стержня; га - масса ударника;

V - скорость смещения сечений стержня;

к - жесткость контакта инструмекта-стерзшя со средой

внедрения;

Е .- модуль упругости стержня;

-_шющадь поперечного сечения стэрзкия.'

В итоге получены четыре группы зависимостей для внчисле-

шгя вышеназванных параметров в различные интервалы I и / времена.

-- 7...... . 21 - в

При £ = 1, ] = 1, о< г < —-

I&

/ 9 ---- „ у в V •

a t

р.. ^ - -sr jb- -cv

as а

7

e = —=—а e '

м

dz a

EV. -j(at-z) o v0 -j{at-z)

ö„ ---° e ¿--^e4' (6)

" " a P

21 - z 2Ï + z

ПРИ ( = 1,^ = 2, -:- < t < -

a a

V Ï г -9(at-z) -9<at+s-2Z) , . -b(at+z-2l)l Г -T(at-z) -3(at+z-2l) , ^ -b(at+z-2IV)

v.a-vo[e "Me J*

v Г -3(at-z) -4<aUz-2ï) , -b(at+z-2in

---, ~Me Г

» voc Г -T(at-z) -?(at+z-2ï) , » -b(at+z-2î)l ii*—™-l в +ix-1je ]•

(V)

«r . 21 + z 41 - z При i = 2, J« 1, - < t <

a a

v.î T, ч -b(at-z-2l)

p..- -°V0 A; -,

- "cT* Me

„ 41 - z Al + z При i *=2, i -2, - ít^ -

vr>1 Гг -b(ai-z-2ï) -?(at-a-2l )

г, . 1 Г- , ^ at+z-4Z1 -b(öt+z-4l ) „4 -f(at+z-4î) ,

L J [ -1-Ie - X e 4 +

-b(at+z-4l) + xi1.«„',e ; ,

Ы f . at+z-411 -b(at+a-4l)

Jo

Г с л -b(at-0-2l) -9(at-¡s-2I) P„« - CV0[-[A.-lJa + 1 +

г w . ч -b(at+s-4ï) . , -?(at+z-4í)l

+ [Х - l](\+1-2btat+a-4ï])e - Л,*в ' J-.

-Ъ(at+s-4Z)

~ ^'^íelma* »

-[\-lja + te * +

[X. - 1j(Ul-2btat+a-4l3j0 - A.*e' J-

-b(at+a-4î),

в„--/-['M9 +ХЭ +

- l][*+1-£b[0t+s-4l]}e - \*e' J-

-b(at«-4l) '

В уравнениях (6J-(9) pPI

a =-__ „ отношение масо солновода и Сойка;

m

k a + ь I

Л

ер a - Ы

Разработана программа расчета параметров состояния сечений

стержня на ЭВМ "WAVE", позволяющая определять посредством выражений (<6)-(9) параметры X, Ф , Р, е, о в зависимости от момента времени t для заданного сечения z. либо в зависимости от сечения ч для заданного момента времени t.

Используя выражения (6) - К.Э), можно выразить наибольший КЦД передачи энергии ударника в среду, при первом внедрении \ через ударную жесткость о » pa?, кесткость контакта среды внедрения и стержня-к» а также массу ударника и, т.е. для повышения КЦЦ передачи энергии ударника в среду внедрения их соотношение должно быть рациональным. Кроме йтого необходимо повышать устойчивость внедряемого стержня.

Математическое описание внедрения гибких стержней в твердую среду ударно-поворотным способом произведено на примере еле пущего ударно-поворотного механизма (автор; д.т.н., проф. Стиханоьский Б.Н.) <рю.2)„Его характерной особенностью является нэторцевое соударение адамантов (ударника и стеркня). Такие ударные системы относятся к структурно сложным и для математического моделирования волновых процессов в них удобнее использовать численные метода, среда которых наиболее предпочтительны прикладные: метод кусочных волн и графоаналитический. В данном случае выбран графоаналитический метод, основное достоннотво которого заключается в возможности визуализации процесса распространения волн деформации в твердых телах о последующим решением систем алгебраических уравнений, связывающих параметры предыдущих волновых состояний о параметрами вновь возникающих. Решение полученных систем уравнений позволяет анализировать причины изменения напряжений в раз-

10

пичшх участках системы в определенные моменты времени, а также определить КПД передачи анергии стершт ■ посредством зажимных прис- ' зособлений.

Для выявления теоретических закономерностей внедрения гибких стержней в твердую среду способами, сочетающими, удар с вращением, за основу взяты обобщения результатов исследований закономерностей вра-щательно-ударного бурения, приводимые в ряде работ. Они явились теоретической базой многофакторного вычислительного эксперимента на ЭВМ факторного типа внедрения гибких стержней в твердую среду способами, сочетающими удар с вращением. Результаты данного вычислительного эксперимента , в частности, для кости, представлены на рис. 3-8.

Применение вычислительного эксперимента позволило оперировать с большим числом факторов и в более широком диапазоне их изменения, чем в физичесшм эксперименте (в связи с ограниченными техническими возможностями экспериментального оборудования).

В третьей главе приводятся методические положения физического эксперимента. •

Непосредственно проведении эксперимента предшествовал'этап планирования многофакторного эксперимента классического типа. Выбор ин-« тарвала значений используемых факторов из их области определения, конечной совокупности экспериментальных точек, интервалов варьирования факторов (установление их уровней) производился на основе априорной информации! о характере экспериментальных функций, а также из конкретных условий проведения эксперимента (экстремальных показаний измерительной аппаратуры, технических возможностей экспериментальных установок).

В качестве экспериментального оборудования использовались: вертикальный ударный стенд; ударно-вращательный стенд; ударно-поворотный стенд; стенд для измерения параметров импульсов.

Использование вертикального ударного стенда (о ударными узлами механического и электромагнитного типов) вызвано необходимостью экспериментального сравнения результатов внедрения габких стержней в твердую среду ударом и ударом в сочетании о вращением (поворотом). Силовые импульсные системы ударных узлов показаны на рио.9. Важным элементом вертикального ударного стенда является переходник, формирующий более эффективный для внедрения стержня ударный импульс высокой амплитуда и малой продолжительности.

. Ударно-вращательный импульс создается при продольном ударе по торцу переходника, вращающегося вместе с закрепленным в нем стержнем.

12

ш т ш гоо

•

1 л « п »

7 ..j / La •<ft ir* ■с

А. ,*n/¡S

h\, хн/сГ

ш гаг c+tx

ы

Рис.з

Р»С. 4

Ш М) (СО Мй pti¡

Рис.5

Ц нн/нои

Seo

So но М J*> • ta са т ко

Рие. в Ига. 7

>А

А

S

А

\

/ 01

Режимы внедрения

I:

О » 300 мин Пц »3000 мин" Е0 . 100 Дк Р = 5000 Н

П:

id я 200 мин* Пц =,3100 мин" Е0 » 120 Д к Р = 6000 И

Ш:

0 я 100 мин" Пу «3200 мин" В0 » 140 Д* Р = 7000 Н

.-I

IV:

U я 50 мин" Пц «3300 мин"1 EQ я 160 Дк Р « 8000 Н

ив Ш ЮО />!/

Рис.а

а) б)

Мускульная энергия человека Истопник энергии — Сеть переменного тока Источник энергии

* ♦

Рука человека Трансформирующее устройство с Провода электропзреда чи.трансформатор,диод Трансформииу.'зцее устройство ч

♦ О 1 о

Достаточно крепкая нить Передатчик энергии (С Электромагнит Преобразователь энергии в

■ ♦ р » я

Боёк, поднятый на определенную высоту Накопитель энергии пЗ Сердечник электромагнита Передатчик энергии р

♦ с

Труба, ролик, винты Элементы управления . и регулирования Пружина, втянутый сердечник-боёк Накопитель энергии

♦ »

Ударная масса -• боёк Силовой преобразователь Винт, контакты К1,К2 Элементы управления и регулирования

* ♦

Переходник Формирователь импульса Сердечник-боёк Силовой преобразователь

♦ *

Стержень Приемник энергии Переходник Формирователь импульса

♦ 1

Среда внедрения Диссипатор энергии Гибкий стержень Приемник энергии

♦

| Среда внедрения • Диссипатор энергии

Рис. .Я. Силовая импульсная система вертикального ударного стенда:

а) с ударным узлом механического типа;

б) с ударным узлом электромагнитного типа

Измерение частоты вращения производилось электрическим тахометром.

Ударно-поворотный стенд разработан для экспериментального определения необходимых рациональных, геометрических параметров ударно-поворотного механизма (рис.2).

Для измерения параметров импульсов использовались цифровой запоминающий осциллограф С-9-8 и датчик скорости ДС. Последний разработан в НИЛ "Импульс" кафедры "ДМ и ПТУ" ОмГТУ. Общая погрешность измерительной цепи является приемлемой для проведения экспериментальных исследований.

Все экспериментальные стенды оснащенн специальной насадкой, повышавшей устойчивость стержней при внедрения, предложенной научным руководителем д.т.н., проф. Стихановским Б.Н.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований о использованием оборудовашш, указанного выше. Полученные закономерности представлены на рис.10-21.

Для к = 40 ООО - 200 ООО Н/м установлено:

1) снижение затрат ударной эперпш на внедрение'

- с увеличением энергии одиночного удара (рис.10);

- с увеличением частоты вращения (рис.11);

- с увеличением количества "оправок" по длине стержня (рис.12);

- при определенной частоте наложенных колебаний (4-6 МГц) на основной ударный импульс (рис.13);

- при увеличении диаметра переходника з исследованном диапазоне его изменения (рис.14);

- при уменьшении угла конусности эаашмных приспособлений ударно-поворотного механизма (рис.15);

- при определенном начальном подкатш пружины ударного узла электромагнитного типа;

2) увеличение скорости внедрения с увеличением частоты вращения для исследованного диапазона частот вращения (рио.Г7);

3) повышение КОД передачи кинетической энергии при геометричес-' ких параметрах соударяемых тел (бойка и переходника), соответствующих приблизительно равным их массам (рио.16, 18 - 21).

• ЗЖЛШЕНИВ

I. Предлоаены мотодика определения кинематических и динамических параметров сечений внедряемого стертая при торцевом соударении элементов ударно-вращательного механизма и соответствующая программа расчета на ЗЕЧ. 15

Н19

> П'!0

е. л*

Ф V I* £..Дх

У У НЧ5

гм

ш

Рис. Ю.Определение наименьших Рис. II.Определение наименьших затрат ударной энергии затрат ударной энергии Е (опыты № 19 - 21) - '------" " ■ ■

** Щ

[иеньши

. „„ ,_____энерги

В (опиты # 14-18)

Я^а

мч

к-г ■ п

\ Ч | ^ \2+

м п

/.ИЛ*

Рис. Определение наименьших Рис. 13. Определение наименьших затрат ударной энергии затрат ударной энергии

Е Чогшты » 8 - И) £ Чопюн> .141

ю

£ А*

щ

№ 4

к* т.

10

го

®ио, 14. Определение наименьших затрат ударной энергии (опыты $1-6)

¿.ян

/а

А'

Рис. 16. К вопросу о влиянии угла конусности еС на передачу энергии стерло) (опыты » 29 - 31)

т

и м со *о

А/, тм

-/

Рас. 16.Зависимость коэффициента' Рис. 17. Зависимость скорости

восстановления скорости К внедрения V от частоты

от соотнокения масс со" вращения стеряня и)

ударявшихся тел „ (опыты »12, 13) (опыты # 27» 28)

во-

ео

№

— „ р

\

/

\ •

и-

05

' цо/ о,ег ¡¡М с/,,,..

ЦЯ/ 0^2 &>3 </гг№

Рис.Дй, Зависимость импульса Рис. Зависимость импульса силы Р и КПД передачи силы Р и КПД передачи

энергии от диаметра • энергии I от диаметра

ударника

(опыт £ 22)

переходника о'г

(опыт №23)

¿3

ев

■к

аа

г*г -X

А / N

И \

р \

/

.гп»

Рис.20- Зависимость импульса Рис.'21. Зависимость импульса

силы Р и КПДпередачи силы Р и КОД передачи

ЭНОрГИИ ¿/Г,от длины ' энергии 2*2 от длины

ударника ¿,<опнг»24) переходника О

' (опыт № 25)

2. Предложена методика определения кинематических и динамических параметров участков ударно-поворотного механизма с неторцевым соударением элементов для внедрения гибких стержней.

3. Предложена методика проведения многофакторного вычислительного эксперимента на ЭВМ факторного типа, позволяющая определить закономерности внедрения гибких стержней в твердую среду способами, сочетающими удар с вращением.

4. Проведены экспериментальные исследования внедрения гибких стержней в твердую среду способами, сочетающими удар с вращением (поворотом), на разработанных соискателем экспериментальных стендах с использованием современной контрольно-измерительной аппаратуры.

Актуальность и практическая значимость проведенных исследований предполагают продолжение работы по 'указанному направлению, ориентиром и заключительным этапом которого явгнется создание устройств, позволяющих повысить производительность внедрения при меньших энергозатратах, а также более удобных для пациента. Последнее относится к медицинским устройствам внедрения гибких стер:шей-спиц Киршнера при остеосинтезе с наложением широко известного аппарата Илизарова и других подобных аппаратов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1. СтихановскиП Б.П., Фирулева Е. В. Воздействие виброударных импульсов на гибкие стержни, внедряемые в твердую среду // Проблемы конверсии. разработка и испытания приборных устройств : Матер. Междунар. науч.—техн. конф. - И., 1993. - С. 150-153.

2. Коптев B.C..Фирулева Е.В. . Ударно-вращательное воздействие на гибкие стержни, внедряемые в относительно твердую среду // ресурсосберегающие технологии. Проблема высшего образования: Тез. докл.. XXX науч. конф. проф.- препод, состава, научных работников и аспирантов. - Омск. 19Э4. - Кк. 1. - С. 16,

3. Фирулева Е.В.. Захарова П.3. Испытания ударного узла электромагнитного типа // Приборы и приборные системы: Тез. докл. межвуз..

науч.—техн. конф. - Тула. 1994. - С. 15-16.

4. Фирулева Е. В., НесгерукТ.В. Математическое описание внедрения гибких стержневых элементов в твердую среду ударно-вращательным способом // Динамика систем, механизмов и машин: Тез. докл. Междунар. науч,-■Техн. конф. - Омск. 1995.' Кн. 3. - С. 36-37.

19