XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение

Гидроцилиндры широко применяются во многих отраслях промышленности. В горном деле они используются для привода механизированных крепей (домкраты передвижения и гидростойки). К особенностям их работы.

Рабочий цикл такого механизма состоит из движения поршня со штоком под давлением, которое подается в полости гидроцилиндра от насосной станции. Иногда давление в цилиндре повышается при запоре полости гидравлическим замком - так обычно работают гидростойки сдерживающие давление горных пород у выработок.

В работе рассматривается методика проектирования гидроцилиндра с применением пакетов CAM(Ansys, AdamS).

Рисунок 1- Механизированная крепь МК 75

Под номером 3 на рисунке указан гидроцилиндр, который будет рассматриваться в данной научной работе.

Меняющиеся горно-геологические условия, в которых ведётся добыча, диктуют высокие требования к этому оборудованию, причём как правило, со спуском добычи на более низкие горизонты горно-геологические условия значительно ухудшаются. Поэтому производители и разработчики ГШО ведут практически непрерывные исследования, чтобы создать решение, готовое к работе в условиях современных выработок.

Одним из основных элементов поворотного конвейера на рисунке 2 является натяжное устройство, а поскольку его ход при повороте на 90 градусов достигает 0,55 м, то следует применить гидроцилиндры. Это может повлиять на структуру сборки конвейера и на особенности работы.

Рисунок 2 – Поворотный конвейер в комплексе с проходческим конвейером

Конструктивная схема гидроцилиндров, условия работы

Силовые гидроцилиндры обычно состоят из цилиндра 1 штока с поршнем 2,3 грунд-буксы 3, рисунок 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 наслив.

На шток действуют следующие нагрузки: Сила F направленная по оси штока, в худшем случае она действует с некоторым смещением от оси (вслед- ствии износа проушин или других причин). По поверхности поршня действует давление Р равное рабочему или давлению срабатывания клапана гидрозамка. По поверхностям скольжения поршня и грунд-буксы действуют опорные реакции направленные нормально к их поверхностям.

Наиболее опасный режим нагружения при частично выдвинутом штоке и отклонении нагрузки F от оси. Задача о расчёте напряженно-деформированного состояния гидроцилиндра таким образом распадается на две для штока и цилиндра

На рисунке показана схема для расчёта штока в объёмной постановке. Сила F приложена со смещением от оси Е и рассчитана исходя из площади дна поршня и давления Р

Fп =(πD2/4)P/2 (1)

По периметру грунд-буксы и поршня которые скользят по поверхности цилиндра запрещены перемещения по осях Х и У, а по площади дна поршня перемещения по оси Z. Для моделирования действия грунд-буксы участок, на котором действует грунд-букса построен как часть штока отдельно. Это позволяет отдельно от штока выделять его для ограничения перемещений.

Для цилиндра расчёт производиться при действии гидростатического давления Р действующего по всей внутренней поверхности.

E

F

С

Рисунок 3- Схема силового гидроцилиндра

Ниже приведены методика и решение указанных задач [1,3,4].

Работа производилась программированием в текстовом файле (название обязательно на латинице), а некоторые части программы воссоздавались за счет предварительного решения в основном меню Ansys и затем записи log. – файла, извлечения из него необходимого участка программы и её записи в текстовый командный файл gz.txt.

Таким образом, они сосредоточенны в области расположения поршня при взаимодействии с цилиндром, грунд-буксы со штоком. По этим поверхностям могут действовать силы трения и силы бокового отпора в случае если нагрузка, приходящаяся на шток, действует с эксцентриситетом относительно оси, вызывавшая изгиб штока. Кроме того, на зоны за и перед поршнем на стенки гидроцилиндра и штока действует рабочее давление или давление холостого хода.

Если движение штока происходит достаточно быстро, то на последний действует и сила инерции пропорциональная суммарной массе штока и поршня и величине ускорения, см. уравнение:

m*a = Fп - Fш - Fтр_п-Fnh_ш (2)

Как следует из рис. 1. Эти давления и нагрузки вызывают деформацию деталей, которая кроме величин давления и нагрузки определяется текущим положением штока, что должно учитываться при моделировании.

Решение для такой системы можно строить на основе конечно-элементных технологий и решения уравнений движения с помощью линейной дискретизации. Такие возможности содержат пакеты Ansys и Adams.

Проектирование штока

Вначале рассмотрим проектирование штока, рис. 2.2 – 2.13

Порядок работы.

На диске создаётся папка Цилиндр, в ней текстовый файл shtok.txt с кодом:

/BATН

WPSTYLE,,,,,,,,0

/NOPR ! строки для выбора статического объёмногорешения

/PMETH,OFF,0

KEYW,PR_SET,1

KEYW,PR_STRUC,1

KEYW,PR_THERM,0

KEYW,PR_FLUID,0

KEYW,PR_ELMAG,0

KEYW,MAGNOD,0

KEYW,MAGEDG,0

KEYW,MAGHFE,0

KEYW,MAGELC,0

KEYW,PR_MULTI,0

KEYW,PR_CFD,0

/GO

Строки выше получены из файла в соответствии с выполнением меню.

/PREP7

ET,1,SOLID92 ! выбор объемного конечного элемента SOLID92

MPTEMP,,,,,,,,

MPTEMP,1,0

MPDATA, EX, 1,,2e11 ! назначение модуля упругости материала MPDATA,PRXY,1,,0.3 ! назначение коэффициента Пуассона CYL4,0,0,150,0,0,360,250 ! создание поршня Д150 и L250 CYLIND,120,90,250,1250,0,360, ! создание полого штока Д120*90 L1250 CYLIND,120,90,1250,1350,0,360, ! создание полого штока Д120*90длиной

L1350 - L1250 для моделирования действия грунд буксы

CYLIND,120,90,1350,1550,0,360, ! создание продолжения полого штока Д120*90 длиной L1550 -L1350

vglue,all ! склеивание деталей

Vmesh,all ! построение конечного элемента сетки в свободном режиме

Рисунок 2.1 - Выбор объёмного статистического решения

Результат этого меню даст в Log - файле строки для выбора объёмного решения, которые затем будут скопированы и приведены выше в командном текстовом файле:

/NOPR ! строки для выбора статического объёмного решения

/PMETH,OFF,0

KEYW,PR_SET,1

KEYW,PR_STRUC,1

KEYW,PR_THERM,0

KEYW,PR_FLUID,0

KEYW,PR_ELMAG,0

KEYW,MAGNOD,0

KEYW,MAGEDG,0

KEYW,MAGHFE,0

KEYW,MAGELC,0

KEYW,PR_MULTI,0

KEYW,PR_CFD,0

/GO

Загружаемэтотфайлвойдявпапкукомандой Ghange Direktory.

Используя команду меню: Read input from shtok.txt в соответствии с командами файла результатом этого будет шток, построенный на экране.

Далее работаем в интерактивном режиме с меню, меню видно в правой части рисунков, выполненных как копии экрана.

Рисунок 2.2

Произведено выделение кольца штока, по которому действует ограничение на перемещение по Х и У, справа можно прочитать Solution-DefineLoads- Apple-Structural-Displagment-OnAreasв результате которого на экран выходит меню, позволяющее щелкать по нужным площадям. На рисунке показан результат выполнения меню PlotCtrls – Numbering – AREF area numbers, которое позволяет увидеть номера площадей (иногда выделятьплощади).

Рисунок 2.3

Затруднительно и это можно сделать в программном файле, если знать номера площадей). Но вперёд надо включить меню Plot – Areas.

Также можно увидеть и другие элементы (точки, линии) с их номерами.

После выделения нужных площадей и нажатия ОК появится окно (рисунок 11), где можно указать направление ограничения перемещений, например, для дна поршня это направление UZ, а для плоскостей скольжения А25, А26 это UX, UY для каждой из них.

Точно также устанавливаются ограничения для поверхностей А3, А4 и для дна поршня. Далее устанавливаем со смешением от оси нагрузку на шток. На рисунке 3.4 это 4 стрелки (меню справа отрисунка)

Рисунок2.4

Рисунок2.1

После выделения точек на рисунке в окно диалога вводим направление и значение сил FZ, - 900000 и нажимаем Solution-DefineLoads-Apple-Structural- Forse/Moment-OnKeypoints, что позволяет выделять точки (выделили 4 точки см. стрелки) в появившемся меню указать направление силыFz и его значение -900000, ОК. Меню решения справа на рисунке.

Рисунок 2.6 Sjlution is done показывает, что решение найдено.

Рисунок 2.2

На рисунке картина штока после решения, где указаны зоны закрепления и нагрузки.

Рисунок 2.3

Смотрим деформацию штока с конечно - элементной сеткой. Эксцентриситет нагрузки вызвал искривление штока.

Рисунок 2.9

Для объёмной задачи напряжения берутся с использованием меню Element Soly.

Рисунок 2.10

Анализ напряжений показывает, что эксцентриситет нагрузки на шток вызывает серьёзное изменение состояния штока и возможен его изгиб, а также скол зоны, где приложена эта нагрузка.

Ниже приведен текст программы для продолжения расчёта гидростойки на стадии решения. Программа в основном получена после решения задачи с использованием меню и последующей записи Log - файла, из которого затем из влечены и перенесены в программный файл нужные строки, рис. 3.1 – 3

Напомним, что перед использованием команды Solve для получения решения выбираем соответствующую точность решения по меню.

Рисунок 2.11 Повышение точности объёмного решения

А команду для командного файла EQSLV,PCG,1E-8 получаем копированием изLog – файла.

На рисунках 3.12, 3.13 приведены для сравнения картина деформации и напряжений при симметричном, осевом нагружении штока (давление по площади кольцевого сечения штока).

Рисунок 2.12

Рисунок 2.13

3. Проектирование гидроцилиндра

Ниже приведен текст программы на языке А для реализации метода конечных элементов с учетом возможности смешения штока с поршнем.

/NOPR !переход к объёмнойзадаче

/PMETH,OFF,0

KEYW,PR_SET,1

KEYW,PR_STRUC,1

KEYW,PR_THERM,0

KEYW,PR_FLUID,0

KEYW,PR_ELMAG,0

KEYW,MAGNOD,0

KEYW,MAGEDG,0

KEYW,MAGHFE,0

KEYW,MAGELC,0

KEYW,PR_MULTI,0

KEYW,PR_CFD,0

/GO

/prep7! вход впрепроцесор ансис

/units,si! используем системуСИ

ET,1,SOLID92

MPTEMP,,,,,,,, ! ВВОД МАТЕРИАЛА (МОДУЛЯ УПРУГОСТИ !И КОЭФФИЦЕНТА ПУАССОНА) породы

MPTEMP,1,0

MPDATA,EX,1,,7E10 !модуль упругости буровой колонны MPDATA,PRXY,1,,0.25 !коэффициент Пуассона MPDATA,DENS,1,,7000!плотность трубы

CYL4,0,0,0.15,0,0.12,360,1.5 !хс,ус,рад1,theta1,рад2,

!theta2,,depht корпус-цилиндр

CYL4,0,0,0.15,0,0,360,-0.03 !хс,ус,рад1,theta1,рад2,

!theta2,,depht крышка задняя

CYLIND,0.15,0,2.5,2.65,0,360, ! крышка передняя

CYLIND,0.15,0.12,1.5,1.7,0,360,

CYLIND,0.15,0.12,1.7,2.5,0,360,

vglue,all

CYLIND,0.12,0,1.5,1.7,0,360,

CYLIND,0.1,0,1.7,3,0,360,

VSBV,7,3

CYLIND,0.1,0,1.7,3,0,360,

vglue,2,3

VMESH,all

FINISH

/SOL EQSLV,PCG,1E-8

FLST,2,2,5,ORDE,2

FITEM,2,7

FITEM,2,15

!*

/GO

DA,P51X,ALL,

FLST,2,4,5,ORDE,4

FITEM,2,5

FITEM,2,-6

FITEM,2,8

FITEM,2,27

/GO

!* SFA,P51X,1,PRES,300000

FLST,2,4,5,ORDE,4

FITEM,2,19

FITEM,2,23

FITEM,2,38

FITEM,2,-39

/GO

!* SFA,P51X,1,PRES,60000

SOLVE

Рисунок3.1

Рисунок3.2

Рисунок 3.3

Рисунок 3.4

Рисунок 3.5

Рисунок 3.6 По средней оси поверхности цилиндра, где мелкое разбиение.

/NOPR !переход к объемнойзадаче

/PMETH,OFF,0

KEYW,PR_SET,1

KEYW,PR_STRUC,1

KEYW,PR_THERM,0

KEYW,PR_FLUID,0

KEYW,PR_ELMAG,0

KEYW,MAGNOD,0

KEYW,MAGEDG,0

KEYW,MAGHFE,0

KEYW,MAGELC,0

KEYW,PR_MULTI,0

KEYW,PR_CFD,0

/GO

/prep7!вход впрепроцесор ансис

/units,si! используем системуСИ

ET,1,SOLID92

MPTEMP,,,,,,,, !ВВОД МАТЕРИАЛА (МОДУЛЯ УПРУГОСТИ

!И КОЭФФИЦЕНТА ПУАССОНА) породы

MPTEMP,1,0

MPDATA,EX,1,,7E10!модуль упугости буровой колонны MPDATA,PRXY,1,,0.25 !коэфициент Пуассона MPDATA,DENS,1,,7000!плотностьтрубы

!положение поршня не более

L1= 1.8

L2= 2

! положение штока определяется по формуле через

! положение поршня

CYL4,0,0,0.15,0,0.12,360,L1 !хс,ус,рад1,theta1,рад2,

!theta2,,depht корпус-цилиндр

CYL4,0,0,0.15,0,0,360,-0.03 !хс,ус,рад1,theta1,рад2,

!theta2,,depht крышка задняя

CYLIND,0.15,0,2.5,2.65,0,360, ! крышка передняя

CYLIND,0.15,0.12,L1,L2,0,360, !положение цилиндра над поршнем

CYLIND,0.15,0.12,L2,2.5,0,360,!Положение цилиндра над штоком

vglue,all

CYLIND,0.12,0,L1,L2,0,360, ! поршень

CYLIND,0.1,0,L2,3,0,360, ! шток

VSBV,7,3 ! вырезать из крышки шток

CYLIND,0.1,0,L2,3,0,360, ! вставить шток в полость

vglue,2,3 ! склеить поршень ишток

lesize,19,0.02

lesize,18,0.02

lesize,20,0.02

lesize,17,0.02

lesize,6,0.02

lesize,8,0.02

lesize,5,0.02

lesize,7,0.02

lesize,27,0.02

lesize,28,0.02

lesize,23,0.02

lesize,26,0.02

lesize,30,0.02

lesize,41,0.02

lesize,42,0.02

lesize,29,0.02

lesize,75,0.02

lesize,74,0.02

lesize,73,0.02

lesize,76,0.02

lesize,88,0.02

lesize,90,0.02

lesize,89,0.02

lesize,87,0.02

lesize,83,0.02

lesize,44,0.02

lesize,85,0.02

lesize,39,0.02

lesize,40,0.02

lesize,63,0.02

lesize,64,0.02

VMESH,all

FINISH

/SOL

EQSLV,PCG,1E-8

FLST,2,2,5,ORDE,2

FITEM,2,7

FITEM,2,15

!*

/GO

DA,P51X,ALL,

FLST,2,4,5,ORDE,4

FITEM,2,5

FITEM,2,-6

FITEM,2,8 FITEM,2,27

/GO

!* SFA,P51X,1,PRES,300000

FLST,2,4,5,ORDE,4

FITEM,2,19

FITEM,2,23

FITEM,2,38

FITEM,2,-39

/GO

!* SFA,P51X,1,PRES,60000

SOLVE

Разработанный гидроцилиндр был изготовлен на заводе ГанзаФлекс и применен на поворотном конвейере, см. Рисунок 1. Предварительно для проверки усилий возникающих в его системе было проведено моделирование протягивания конвейера вслед за комбайном в камеру. Полученные данные учтены при проведении промышленных испытаний протягивания конвейера в камеру на заводе КарГорМашМ, где был изготовлен конвейер. Рисунки 3.7 и 3.8.

Рисунок 3.7 Моделирование протягивания и поворота В Adams - начальный этап

Рисунок 3.8 Моделирование протягивания и поворота В Adams - процесс протягивания и разворота

Модель создавалась вначале с нулевой гравитацией, без трения, при этом происходили колебания рештаков. Для создания сопротивления использовалась сила натяжения слева. Можно давать гравитацию и по оси Y при этом качественных изменений в колебаниях не отмечено.

На следующем этапе конвейер устанавливался на грунт с возможностью скольжения по нему и направлением силы гравитации нормально грунту. Кроме того, в модели учтено трение поворотных шарниров. При этом колебания резко уменьшаютсяи визуально не наблюдаются. Картины же перемешения совпадают с реальным протягиванием конвейера в заводских условиях

Заключение

Проанализированы возможности проектирования гидроцилиндров с применением конечно-элементных технологий. При этом разделено проектирование штока с поршнем и гидроцилиндров.

Проектирование произведено с учетом управления граничными условиями и нагрузками в рамках границ функциональных зон гидроцилиндров, учитывающих возможности деформаций и нагружение этих зон.

Получены моделирующие выражения для программы расчета состояния гидроцилиндра при перемещении штока с учетом эксцентричного нагруженияштока. Проведено протягивание поворотного конвейера с гидравлическим натяжным устройством с применение поворотных и поворотнопоступательных шарниров в камеру вслед за проходческим комбайном, что подтверждает результаты исследований.

Использованная литература

1. Норенков И.П., Маничев В.Б. Основы теории и проектирования САПР. Учебник для втузов. –М.: Высшая шк., 1990. –335 с.

2. Системы автоматизированного проектирования: Учеб.пособие для втузов: В 9 кн. / Под ред. И.П.Норенкова. –М.: Высш.шк., 1986.

3. А.Б. Каплун, Е.М. Морозов, М.А. Олферьева «ANSYS в руках инженера, практическое руводство»,-М.2003

4. Нургужин М.Р., Даненова Г. Т. Инженерные расчёты в ANSYS: сборник примеров, Караганда 2006 319 с.

5. Пивень Г.Г., Климов Ю.И. Имитационное моделирование гидромеханических систем (математические модели): учеб.пособие / КарГТУ. – Караганда, 2004. – 106 с.

6. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах / Под общей редакцией Д.Г. Красковского. – М.: КомпьютерПресс, 2002. – 224 с.

7. Бейсембаев К.М., Шащянова М.Б. Основы системного анализа в базах данных. Караганды, Болашак-Баспа, 2008, 208 с.

8. Бейсембаев К.М., Жетесов С.С. Практические аспекты разработки промышленных информационных систем. Караганда 2009, изд-во КарГТУ, 207 с.

9. Бейсембаев К.М., Жетесов С.С., Демин В.С., Малыбаев Н.С., Шманов М.Н. Практические и исследовательские аспекты авто проектирование горных машин в 3d. Караганда 2012, изд-во КарГТУ.

10. Бейсембаев К.М., Жетесов С.С., Шманов М.Н. Геомеханические основы разработки угля в нестационарных системах. Караганда 2009, изд-во КарГТУ, 207 с.

11.Конюхов А.В. Основы анализа конструкций в ANSYS / Казанский государственный университет, Казань 2001, Электронные материалы

12. Кудинов В.А., Карташов Э.М. Гидравлика / Москва, «Высшая школа», 2007, 199с.

Код для цитирования: Скопировать