X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

1.1 Работа и основные элементы гидроцилиндра

Гидроцилиндры широко применяются в горных машинах, осуществляя работу движением штока при передвижении массивных конструкций, сдерживают давление других узлов (стойки механизированных крепей), а также при управлении манипуляторами робототехнических устройств. Выдвижение штоков осуществляется давлением насосной станции, а сдерживание других узлов машины за счёт замка, закрывающего рабочую полость гидроцилиндра и открывающего его при достижении предельного давления. Открывание может происходить с регулированием сечения проходного отверстия. Особую область в проектировании занимают гидроцилиндры, испытывающие явные динамические нагрузки, например, манипуляторов, несущих ударные системы. При разработке силовых гидроцилиндров (СГ) штоки и поршни

перемещающиеся относительно цилиндра(рис.1) [1].

Рис. 2. Схема горного манипулятора несущего конструкцию весом G:

1,2 – СГ с усилиями F1 и F2 и плечами сил а1, а2, l1(от веса); 3, 4 – рычаги манипулятора длиной l2

СГ обычно состоят из цилиндра 1 штока с поршнем 2,3 грундбуксы 3. Цилиндр имеет отверстия для нагнетания и слива рабочей жидкости. При подаче давления в поршневую полость шток выдвигается, и рабочая жидкость из штоковой полости вытесняется на слив. На шток действуют следующие нагрузки: Сила F, направленная по оси штока, в худшем случае она действует с некоторым смещением от оси (вследствие износа проушин или других причин). По поверхности поршня действует давление Qп равное рабочему, или давлению срабатывания клапана гидрозамка. Со стороны штоковой полости Qш распределенное по кольцу.По поверхностям скольжения поршня и грундбуксы действуют опорные реакции, направленные нормально к их поверхностям, но показаны силы трения F т п иF т г-б от их действия. Сила инерции F и равная произведению массы штокаm_ш, поршняm_п и жидкостиm_ж. Уравнение движения для СГ без учета момента в системе [1 - 2] :

F -Fт г-б - Fт п + Q_шπ(D² - d²)/4 - Q_п πD²/4 + (m_п +m_ш + m_ж)*

d²x/dt₂= 0 (8)

Наиболее опасный режим нагружения возникнет при частично или полностью выдвинутом штоке и максимальном отклонении нагрузки F от оси, т.е. при эсцентисистете.Тогда в системе возникает пара сил вызывающая изгибные нагрузки на шток и поршень и повышение сил трения на поверхностях поршня и грунд буксы.

1.2. Проблеммы и задачи проектирования.

В целом проектирование может предусматривать последовательное моделирование на пакетах САПР типа Ansys ADAMS. Что позволит выявить особенности нагружения этих особых зон с учетом коэффициентов трения и частично ожидаемый характер изменения скоростей и ускорений.

Вначале оценим напряженно деформированное состояние гидроцилиндра и штока при работе с эксцентрично приложенной нагрузкой. Это необходимо не только для наработки методики расчета при наличии изгибных нагрузок, но и для представления о возможностях распознавания при возникновении таких режимов. Это означает что в случае возможности выявления специфической деформационной картины при напряжениях ещё не достигших предельных значений для узла можно было бы прогнозировать и предотвращать аварийные ситуации, связанные с этой проблемой. При этом может представится возможность и выявления зон, где следует установить датчики (а также тип датчика) для фиксации указанной специфики.

Задача о расчёте напряженно-деформированного состояния гидроцилиндра при конечно-элементном моделировании распадается на две: для штока и цилиндра, при этом расстояние между поршнем и началом координат переменно.

По периметру грундбуксы и поршня который скользит по поверхности цилиндра, запрещены перемещения по осям Х и У, а по площади дна поршня -перемещения по оси Z. Для моделирования действия грундбуксы участок, на котором она действует, построен как часть штока отдельно. Это позволяет выделять его отдельно от штока для ограничения перемещений. Для цилиндра расчёт производиться при действии гидростатического давления действующего по всей внутренней поверхности. Чаще всего усилия, действующие на эти части осевые и передаются через шарнирные соединения. Заметим, опыт эксплуатации таких систем в условиях шахт (индивидуальные гидростойки и гидростойки и домкраты передвижения секций механизированных крепей) показывает, что возникают отклонения и реальная нагрузка действует с некоторым эксцентриситетом. Это создает изгибающий момент на штоки СГ, что обычно не учитывается в расчете. Отклонения имеют место как следствие сложных режимов работы гидрооборудования, когда в шарнирные соединения попадает абразивная и прочная порода. Это приводит к постепенной и неравномерной деформации контактирующих поверхностей, в результате чего и возникает эксцентриситет.

Можно прогнозировать, что кроме изгибных нагрузок на штоки и цилиндры возникают и неравномерные контактные нагрузки по трущимся поверхностям в районе поршня и грунд-буксы. Особенно подвержены этим деформациям устройства, где отношение Dc/Ds максимально (табл. 1), где Dc - диаметр, Ds - диаметр штока СГ.

Гидроцилиндры имеют не малый срок службы, и в ряде случаев он достигает десяток лет, поэтому факторы неравномерного распределения нагрузок оказываются долго действующими.

Таблица 1 Отношение Dc/ds в силовых гидроцилиндрах

Наименование	Dc	Ds для первой ступени	Ds для второй ступени	Dc/ds
Гидростойка крепи типа Глиник и др.	1900	1600	1200	1,18/1,58
Домкраты корректировки полков	1000	800		1,25
Домкраты передвижения	1600	800		2

В этом случае актуален и вопрос области сосредоточения контактных нагрузок, поскольку на износ поверхности будут влиять как величина контактной нагрузки, так и время её действия. Поэтому необходим анализ особенностей взаимодействия контактирующих поверхностей. Например, для конструктивного выполнения с непосредственным контактом штока корректировочного домкрата с поверхностью ствола распределение контактных зон множества индивидуальных контактов можно будет считать равновероятным по линии оконтуривающей диаметр штока и поршня. Т.е. износ всей трущейся поверхности можно считать равномерным. А вот для СГ, работающих в фиксированном положении, когда шток однозначно зафиксирован от поворотов относительно цилиндра, при закреплении этих элементов проушинами, велика вероятность того, что контакты и максимальное истирание будет происходить по определенным поверхностям в зависимости от зоны расположения деформации проушины. При этом представляет интерес расчет особенностей напряженно-деформированного состояния зон и усредненное распределение контактных нагрузок в соответвии с вероятностью распределения контактов. Расчетная схема основана на расчете вероятности зон контактирования исходя из равновероятной гипотезы и условий когда эти зоны имеютприоритетныйхарактер. На рисунках 22, 23 для сравнения приведены картина деформации и напряжений при симметричном, осевом нагружении штока (давление по площади кольцевого сечения штока). Расчет контактных моделей производим по методике учитывающей проектирование модели СГ по [1] созданием нескольких цилиндрических участков поршня в зонах взаимодействия с грунд-буксой,рабочей жидкостью вытесняемой из штоковой полости, участка поршня и участка за поршнем за поршнем СГ за поршнем, а также участков для имитации крышек СГ.

На основе данных предоставленными компанией “Hansa Flex”, было выявлено частое изнашивание детали шток гидроцилиндров. Износ происходит от соприкосновения нижней части штока с почвой, множественного повторения цикла работы, поподанием грязи в поверхность штока. Из-за трения стирается хром и так как целостность поверхности разрушается, резинка сдерживающая масло не выдерживает размера и спадает. Виды дефектов появляющихся при износе штока:

1. Трещины

2. Зазубрины

3. Сколы

4. Вмятины

2. Проектирование и результаты

2.1. Проетирование в пакете Ansys 14

Вызывает интерес износ штока диаметром 80мм. С этой целью на прикладной программе Ansys 14 расчитывается 3D модель штока. Процесс расчёта состоит из пяти основных этапов:

Рисунок 3 - К методике решения: а- зоны контакт элементов;

b - моделирование контактных давлений; с - картина деформаций

цилиндра и поршня

1. Создание геометрической модели (CAD-модели) штока. В ANSYS реализована методика создания трёхмерной модели такого гидроцилиндра. Ниже представим этапы создания модели (Рис 4).

а)

б)

в)

г)

а) построение цилиндра =80 мм; б) построение шарнира для тарелки = 0,15 мм; в) построение цилиндра для пяты =0,08 мм; г) конечный вариант полупшарнира = 0,15

Рисунок 4 – Этапы построения штока в прикладной программе Ansys 14 3D

2. Создание сеточной модели штока на базе геометрической модели. Разбиение твёрдотельной 3D-модели на ячейки производится в сеткогенераторе ANSYS Meshing.

Рисунок 5 – Сеточная модель штока

3. Создание расчётной модели из сеточной путём наложения расчётных условий. В первую очередь, это набор уравнений, которые требуется решать. Одними из требований, предъявляемых к гидроцилиндрам являются:

1 Герметичность

2 Долговечность до 10⁷ циклов

3 Надежность.

В этой задаче мы ставим следущие цели:

1. Расчитать давление при 200 МПа

2. Расчитать нагрузку

Кроме того, чтобы задача стала определена, нужно наложить «входные данные» – условия на элементы, характеристики потоков жидкости которые известны. Например, в задаче определения потоков жидкости в цилиндре, входными данными являются значения температур, коэффициент Пуасонна, модуль упругости - имитатор жидкости. Эти условия называются граничными. Кроме граничных условий требуется ещё и задание начальных параметров в каждой ячейке внутри расчётной области. Это так называемые начальные условия (рис. 6).

а)

б)

Рисунок 6 – Выделение имитатора жидкости (цилиндра) для решения упругой задачи

Рисунок 7 – Закрепление пяты с целью решения упругой задачи

Рисунок 8 – Конечно-элементная сетка

4 Поиск решения. На данном этапе производится последовательное отыскание таких значений параметров в каждой расчётной ячейке, чтобы вся расчётная зона имела максимально точные корни. В начальный момент решения эти уравнения в рамках заданной точности не выполняются. Итерации позволяет от одной к другой добиться её.

2.2. Результаты

Рисунок 9

Рисунок 10

Рисунок 11

Рисунок 12 Предварительный расчет, работа Solver (решателя)

при 300 кг/см²

Рисунок 13.

Рисунок 14 Изменение напряжений на контуре стенки цилиндра

Для выполнения следующего этапа нужно изменить параметры моделирования и продолжить решение. На последнем этапе, поскольку он является заключительным, необходимо также повысить максимальное количество итераций до 100 для увеличения точности результатов. В результате решения картина графика в окне решателя будет выглядеть как на рисунке 9. Видно, что изменения граничных условий вызывают временные повышения невязок, которые затем выравниваются. Поэтому если делать более резкие изменения граничных условий, например, поставить сразу 300 МПа на выходной границе, расчёт аварийно завершится из-за слишком больших параметров.

Рисунок 15 – Результат вычисления нагрузки при изгибе штока

Рисунок 16. Характер нагрузки при изгибе штока, скачок напряжений в зоне сопряжения штока и поршня

Заключение

Силовые гидроцилиндры широко применяются в технологических машинах, гидростойки крепей, гидродомкраты экскаваторов и манипуляторов. При этом в их расчетах в основном учитывается осевая нагрузка. Для учета возможных изгибов необходима 3d методика моделирования силового гидроцилиндра, которая позволяет учитывать возможности изменения нагрузки в зависимости от условий эксплуатации.

Разработана 3 d модель гидростойки, которая может применяться для подпора кровли выработок и других целей. Проанализированы условия способствующие износу контактных поверхностей и в частности шаровых опор гидростоек от попадания породы в зоны контакта.

Выполнены расчеты напряжений для гидростойки в рамках полученной модели, которые позволяют учитывать конкретные условия работы

Список использованной литературы

Бейсембаев К.М., Дёмин В.Ф., Жетесов С.С., Малыбаев Н.С., ШмановМ.Н Практические и исследовательские аспекты разработки горных машинв 3 d монография. Караганда, 2012, изд-во КарГТУ, 135с

Особенности проектирования систем с подвижными звеньями Тр. межд. Бейсембаев К.М., Телиман И. А., Артемова А.А. науч.-практ. конф. "Интеграция науки, образования и производства основа реализации Плана нации" (Сагиновские чтения № 8 23-24 июня 2016 г.) часть 3, с. 23-25

Р Бейсембаев К.М., Решетникова О.С., Телиман И.В., Артемова А.А.Особенности проектирования манипуляторов горных машин Известия вузов, Горный журнал, 2017, №7, с. 87 - 93

Код для цитирования: Скопировать