Выбор основных размеров электромагнитной машины ударного действия со сквозным осевым каналом

Для расширения функциональных возможностей при проведении работ в горной и строительной отраслях развитие получили электромагнитные машины ударного действия, снабженные сквозными осевыми каналами для забора и транспортировки проб горной породы и строительного материала, а также для погружения в грунт с помощью удара длинных продольно неустойчивых стержней. В работе рассматривается влияние размеров осевого канала на существующий диапазон экстремальных соотношений основных геометрических размеров электромагнитной машины ударного действия, удовлетворяющих критерию минимальной массы объема ее активных материалов. Исследования проведены с использованием численного расчета магнитного поля с применением программного пакета FEMM (Finite Element Method Magnetics) методом конечных элементов. Результаты численного расчета магнитного поля в активном объеме электромагнитной машины представлены в виде графических зависимостей, проведен их анализ и получены рекомендации. Поиск экстремальных значений соотношений основных размеров выполнен методом рационализированного перебора с применением полиноминальной регрессии. На основании анализа, исходя из минимума объема и массы активных материалов, получены области оптимальных соотношений геометрических размеров электромагнитной машины в зависимости от соотношения размеров диаметров сквозного канала и полого бойка. Предложена методика проведения предварительного расчета основных геометрических размеров электромагнитной машины, снабженной по всей длине сквозным осевым каналом, удовлетворяющая критерию минимального объема активных материалов. Рекомендованные соотношения основных геометрических размеров позволяют уменьшить расход активных материалов однокатушечных электромагнитных машин ударного действия, снабженных сквозными каналами, без ущерба для их рабочих характеристик.

Нейман В. Ю., Нейман Л. А. Выбор основных размеров электромагнитной машины ударного действия со сквозным осевым каналом // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2023. — № 10-1. — С. 38—51. DOI: 10.25018/0236_1493_2023_101_0_38.

Нейман Владимир Юрьевич — докт. техн. наук, заведующий кафедрой, http://orcid. org/0000-0002-8433-1610, Новосибирский государственный технический университет, 630073, Новосибирск, проспект Карла Маркса, 20, Россия, e-mail: nv.nstu@ngs.ru.
Нейман Людмила Андреевна — докт. техн. наук, профессор, http://orcid.org/00000002-3442-6531, Новосибирский государственный технический университет, 630073, Новосибирск, проспект Карла Маркса, 20, Россия, e-mail: neyman31@gmail.com.

Нейман Владимир Юрьевич, e-mail: nv.nstu@ngs.ru.
Авторы заявляют о конфликте интересов при его наличии.

1. Волков Н. Н., Ределин Р. А., Кравченко В. А., Каманин Ю. Н., Андреев А. В. Оценка взаимосвязи параметров гидравлического ударного устройства и его привода // Научнотехнический вестник Брянского государственного университета. — 2020. — № 2.— С. 211—218. DOI: 10.22281/2413-9920-2020-06−02−211−217.

2. Жабин А. Б., Керимов З. Э. Анализ результатов исследований машин ударного действия // Горное оборудование и электромеханика. — 2020. — № 3(149). — С. 49—54. DOI 10.26730/1816-4528-2020-3-49−54.

3. Ураимов М. У., Еремьянц В. Э. Гидравлический перфоратор с совмещенным ударным механизмом и механизмом поворота инструмента // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. — 2021. — № 10. — С. 56—62. DOI: 10.26160/2658-3305-2021-10−56−62.

4. Ямпольский Д. З. Некоторые особенности ударных импульсов машин ударного действия // Вестник научно-технического развития. — 2020. — № 4 (152). — С. 26—42. DOI: 10.18411/vntr2020−152−4.

5. Abramenkov D. E., Popov N. A., Abramenkov E. A. Methodology for evaluating energysaving technical solutions of impact machines and equipment // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. VIII International Scientific Conference Transport of Siberia. 2020, art. 012134. DOI: 10.1088/1757−899X/918/1/012134.

6. Aldannawy H., Rouabhi A., Gerbaud L. Percussive drilling: Experimental and numerical investigations // Rock Mechanics and Rock Engineering. 2022, vol. 55, no. 3, pp. 1555—1570. DOI: 10.1007/s00603-021-02707-5.

7. Жабин А. Б., Лавит И. М., Керимов З. Э. Результаты исследований взаимодействия бойка и инструмента при ударном разрушении горных пород // Горное оборудование и электромеханика. — 2021. — № 3(155). — С. 48—53. DOI 10.26730/18164528-2021-3-48−53.

8. Абидов А. О., Исманов О. М. Mатематическая модель электромеханического перфоратора с ударно-поворотным механизмом // Бюллетень науки и практики. — 2019. — Т. 5. — № 5. — С. 233. —240. DOI: 10.33619/2414−2948/42/31.

9. Gumenyuk V., Dobroborsky B., Gumenyuk O., Krupyshev M. Providing high speed drilling of boreholes with portable pneumatic rock drills in emergency situations // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019, vol. 666, art. 012094. DOI:10.1088/1757−899X/666/1/012094.

10. Немков С. А., Дроздов А. Н., Степанов В. В. Модель работы компрессионновакуумного ударного механизма электрического перфоратора SDSPLUS // Механизация строительства. — 2016. — Т. 77. — № 11. — С. 46—49.

11. Жуков И. А. Новые виды бурового инструмента для разрушения горных пород // Транспортное, горное и строительное машиностроение: наука и производство. — 2021. — № 11. — С. 35—39. DOI 10.26160/2658-3305-2021-11−35−39.

12. Ижбулдин Е. А., Абрамов А. Д. Ручной электрический ударный инструмент для реализации виброударных технологий в транспортном машиностроении и строительстве // Вестник Иркутского государственного технического университета. — 2017. — Т. 21. — № 1 (120). — С. 32—39. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-1-32−41.

13. Galdin N. S., Semenova I. A., Galdin V. N. Analysis of the striker stroke impact on the hydropneumatic impact devices energy performance // Journal of Physics. Conference Series. 2019, vol. 1260, no. 11, article 112010. DOI: 10.1088/1742−6596/1260/11/112010.

14. Redelin R. A., Kamanin Y. N., Panichkin A. V. Designing hydraulic impact devices for low-temperature operation // Journal of Physics. Conference Series. 2021, vol. 2096, no. 1, article 012005. DOI: 10.1088/1742−6596/2096/1/012005.

15. Rempel D., Antonucci A., Barr A., Cooper M. R., Martin B., Neitzel R. L. Pneumatic rock drill vs. electric rotary hammer drill: Productivity, vibration, dust, and noise when drilling 199 into concrete // Applied ergonomics. 2019, vol. 74, pp. 31—36. https://doi. org/10.1016/j. apergo.2018.08.005.

16. Червов В. В., Тищенко И. В., Червов А. В. Cоздание физической модели генератора ударных импульсов и высокочастотного пневматического молота // Горный журнал. — 2022. — № 2. — С. 57—62. DOI: 10.17580/gzh.2022.02.09.

17. Gorodilov L. V., Pershin A. I. Simulation model of a hydro-impact system with two limiters of striker movement // IOP Conference Series. Earth and Environmental Science. 2022, vol. 991, no. 1, article 012037. DOI: 10.1088/1755−1315/991/1/012037.

18. Neiman L. A., Neiman V. Yu., Shabanov A. S. A simplified calculation of the intermittent periodic operating regime of an electromagnetic impact drive // Russian Electrical Engineering. 2014, vol. 85, no. 12, pp. 757—760. DOI: 10.3103/S1068371214120104.

19. Едыгенов Е. К., Васин К. А. Результаты испытаний электромагнитного молота для безвзрывного разрушения горных пород // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2020. — № 5. — С. 80—90. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-5-0−80−90.

20. Павлов В. Е. Исследование режимов работы длинноходового электромагнитного молота методом компьютерного моделирования // Вестник Иркутского государственного технического университета. — 2019. — Т. 23. — № 2 (145). — С. 260–270. DOI: 10.21285/1814-3520-2019-2-260−270.

21. Ефимова Ю. Б. Выбор рациональных геометрических параметров линейного электромагнитного пресса с малым ходом плунжера // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 12−2. — С. 115—128. DOI: 10.25018/0236_1493_ 2022_122_0_115.

22. Ануфриев А. С., Певчев В. П. Моделирование процесса соударения якоря с индуктором в импульсном электромагнитном сейсмоисточнике // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. — 2018. — № 2 (58). — С. 101—109.

23. Симонов Б. Ф., Нейман В. Ю., Нейман Л. А., Кордубайло А. О. Имитационное моделирование рабочего процесса электромагнитного привода скважинного виброисточника // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. — 2020. — № 3. — С. 120–130. DOI: 10.15372/FTPRPI20200312.

24. Neiman V. Yu. Dynamic energy transformation of linear electromagnetic machines with preliminary magnetic-energy storage // Russian Electrical Engineering. 2003, vol. 74, no. 2, pp. 41—47.

25. Neyman L. A., Neyman V. Yu. Complex analysis of electromagnetic machines for vibro-impact technologies // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2017, vol. 87, art. 032026. DOI: 10.1088/1755−1315/87/3/032026.

26. Усанов К. М., Каргин В. А., Волгин А. В., Моисеев А. П. Оценка режимов работы электромагнитных ударных машин // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. — 2020. — № 10(192). — С. 137—142.

27. Каргин В. А., Волгин А. В., Моисеев А. П., Чурляева К. Д., Белов В. В. Использование электромагнитной ударной машины для погружения в грунт металлических стержневых элементов // Известия Международной академии аграрного образования. — 2019. — № 44. — С. 11–17.

28. Нейман В. Ю. К выбору основных геометрических размеров электромагнитного привода со сквозным осевым каналом // Электротехника : науч.-техн. журн. — 2022. — № 5. — С. 8—12. DOI 10.53891/00135860_2022_5_8.

29. Нейман Л. А., Нейман В. Ю. Динамическая модель работы электромагнитного ударного механизма электрического перфоратора // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2022. — № 12−2. — С. 190—202. DOI: 10.25018/0236_1493_20 22_122_0_190.

30. Nazaruddin N., Siallagan R. Software Engineering Development of Finite Element Method Programming Applications in 2D Frame Structures Using Python Programs // Journal of Physics: Conference Series. 2021, vol. 2049, art. 012031. DOI:10.1088/1742−65 96/2049/1/012031.

31. Крутиков К. К., Рожков В. В. Особенности моделирования электрического и магнитного поверхностного эффекта от переменных электромагнитных полей в FEMM // Электричество. — 2020. — № 8. — С. 51—57. DOI: 10.24160/0013-53802020-8-51−57. 29.

32. Shevchenko V. P., Babiychuk O. B., Boltenkov V. O. Study of current transformers magnetic field by method final elements using the FEMM software complex // Applied aspects of information technology. 2019, vol. 2(4), pp. 317—327.