CC BY
16
УДК 621.873.2/.3
DOI: https://doi.org/10.26518/2071-7296-2020-17-1-44-56
ВЛИЯНИЕ ЗАЗОРОВ СОПРЯЖЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ГИДРОЦИЛИНДРА ВЫВЕШИВАНИЯ
Д.А. Потахов
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, г. Санкт-Петербург, Россия
АННОТАЦИЯ
Введение. Контактное взаимодействие сопряженных элементов гидроцилиндра (поршня с гильзой, направляющей втулки с гильзой и штоком) определяют надежность работы гидродвигателя возвратно-поступательного движения. Оценка влияния зазоров сочлененных элементов гидроцилиндра является актуальной задачей ввиду того, что процесс формирования зазоров носит неотвратимый характер, так как трению всегда сопутствуют процессы трибологического изнашивания.
Цель. Настоящая работа посвящена определению и оценке влияния зазоров сопряженных элементов гидроцилиндра на напряженно-деформированное состояние контактирующих тел на примере гидроцилиндра вывешивания грузоподъемного железнодорожного крана Сокол 80.01.
Материалы и методы. В качестве метода исследования используется конечно-элементный метод, реализуемый в модуле Simulation SolidWorks. В качестве критерия пластичности материала применяется критерий Губера-Мизеса. Рассмотрены теоретически возможные пространственные расчетные схемы нагружения в зависимости от типа контактирования сопряженных элементов гидроцилиндра. Результаты. Приведены эпюры и графические зависимости, представляющие собой трехмерные поверхности, построенные по результатам численных экспериментов. В расчетах учтено совместное деформирование поршня, гильзы, штока, направляющей втулки и опорно-направляющих колец гидроцилиндра. Выполнен анализ полученных эпюр и зависимостей контактного взаимодействия гидроцилиндра для различных вариантов контактирования его элементов. Результаты могут быть использованы для исследования всех типов гидроцилиндров привода рабочего оборудования дорожных, строительных и подъемно-транспортных машин.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: гидроцилиндр, метод конечных элементов, напряжения, деформации, грузоподъемный кран.
Поступила 26.01.2020, принята к публикации 21.02.2020. Автор прочитал и одобрил окончательный вариант рукописи.
Прозрачность финансовой деятельности: автор не имеет финансовой заинтересованности в представленных материалах или методах. Конфликт интересов отсутствует.
Для цитирования: Потахов Д.А. Влияние зазоров сопряженных элементов на напряженно-деформированное состояние гидроцилиндра вывешивания. Вестник СибАДИ. 2020;17(1):44-56. https:// doi.org/10.26518/2071- 7296-2020-17-1-44-56
© Потахов Д.А.
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.
DOI: https://doi.org/10.26518/2071-7296-2020-17-1-44-56
STRESSED-DEFORMED STATUS OF THE HANGING HYDROCYLINDER: INFLUENCE OF THE CONJUGATED ELEMENTS' PAIRS
Denis A. Potakhov
Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University,
St. Petersburg, Russia
ABSTRACT
Introduction. The contact interaction of the associated elements of the hydraulic cylinder (piston with sleeve, guide sleeve with cylinder and rod) determines the reliability of the reciprocating hydraulic motor. Assessing the effect of gaps of articulated hydraulic cylinder elements is an urgent task in view of the fact that the formation of gaps is inevitable, since friction is always accompanied by tribological wear processes.
The paper investigates the determination and assessment of the influence of the gaps of the hydraulic cylinders' mating elements on the stress-strain state of the contacting bodies on the example of the hydraulic cylinder for the Sokol 80.01 railway crane.
Materials and methods. The author used the finite element method implemented in the Simulation SolidWorks module. Moreover, the author applied the Huber-Mises criterion as a criterion for the material plasticity. The paper also considered theoretically possible spatial design schemes of loading and depending on the type of the mating elements' contacting of the hydraulic cylinder.
Results. As a result, the author presented plots and graphical dependences, which were three-dimensional surfaces constructed according to the results of numerical experiments. The calculations took into account the joint deformation of the piston, sleeve, rod, guide sleeve and supporting guide rings of the hydraulic cylinder. The author carried out the analysis of the obtained diagrams and dependences of the contact interaction of the hydraulic cylinder for various options of the elements contacting. The paper presented the results that were useful for studying all types of hydraulic cylinders and working equipment of the road, construction and hoisting-and-transport machines.
KEYWORDS: hydraulic cylinder, finite element method, stress, deformation, lifting crane.
Submitted 26.01.2020, revised 21.02.2020.
The author has read and approved the final manuscript.
Financial transparency: the author has no financial interest in the presented materials or methods. There is no conflict of interest.
For citation: Potakhov D.A. Stressed-deformed status of the hanging hydrocylinder: influence of the conjugated elements' pairs. The Russian Automobile and Highway Industry Journal. 2020; 17 (1):44-56. https://doi. org/10.26518/2071-7296-2020-17-1-44-56
© Potakhov D. A.
Content is available under the license Creative Commons Attribution 4.0 License.
ВВЕДЕНИЕ
Наличие зазоров, обусловленных технологией изготовления и постепенным износом контактирующих поверхностей в узлах «поршень - гильза» и «шток - направляющая втулка», приводит к несоосности (перекосу) штока и гильзы силового гидроцилиндра. В результате этого площадь контакта сопряженных элементов уменьшается, появляется явно выраженный односторонний (близкий к точечному) контакт сопрягаемых элементов. Это приводит, соответственно, к перераспределению полей напряжений в элементах гидроцилиндра; возникают концентраторы напряжений, обусловленные контактными напряжениями высокой интенсивности в подвижных сопряжениях и геометрической конфигурацией тел (направляющие пояски, конструктивные канавки под уплотнительные элементы и др.).
В связи с этим возникают местные пластические деформации направляющей втулки и внутренней поверхности гильзы (эллипсность по периметру, задиры, царапины, забоины и пр.) гидроцилиндра, возникает смятие трущихся поверхностей поршня (буртов и поясков) и изгиб штока, появляется интенсивный неравномерный износ уплотнительных элементов. Таким образом, зооислодти снежеиие надажнозни работы! снловогн сидрнцилиндра оск по несущай, так и по герметизирующей способности [1, 2].
В зависимости от контакта сопряженных элементов силового гидроцилиндра возможны три варианта контактирования (рисунок 1, а). В первом варианте - зазор между штоком и направляющей втулкой существенно больше, чем между поршнем и гильзой (^ << 22); возникает контактная пара «поршень - гильза». Во втором варианте зазор между поршнем и гильзой существенно больше, чем между штоком и втулкой (21 >> 22): контактная пара «направляющая втулка - шток». В третьем варианте контактирования зазор между поршнем и гильзой равен зазору между штоком и втулкой (21 = 22 или 21 = 22): одновременный контакт «поршень - гильза» и «направляющая втулка -шток».
Определение деформаций и напряжений в областях контакта представляет значительный интерес, так как нагрузки, вызывающие местное разрушение материала в какой-либо точке тела могут быть существенно ниже нагрузок, при действии которых происходит нарушение прочности элемента (узла), препятствующее его дальнейшей эксплуатации. Особенно это важно для машин и механизмов, подверженных действию переменных нагрузок, так как согласно опытным данным концентрация на-нряжоные нтдипон воподт аепдочносыо оалив и деталнн, работаю щех зрецикличеекон ре -жиме нагружения1.
б
а
Рисунок1- Расчетные схемы: а -принципиальная;б-в Simulation SolidWorks
Figurel-Settlementschemes: a - principal;б - Simulation SolidWorks
В большинстве контактных задач зависимость между внешней силой и вызванным ею перемещением оказывается нелинейной (даже в упругой зоне материала)1. Это объясняется изменением площадки взаимодействия в процессе нагружения и особенностью контактных задач являются значительные напряжения в зоне контакта.
При решении классических контактных задач рассматриваются случаи взаимодействия тел (деталей) довольно простой геометрической формы1. Однако реальные конструкции, такие как силовые гидроцилиндры, обладают сложной конфигурацией и могут передавать нагрузку через несколько зон контакта (узлов трения). При расчете таких конструкций необходимо учитывать одновременно местные и общие деформации элементов1.
Поэтому проводится численное моделирование с целью определения влияния действующих нагрузок, зазоров сопряженных элементов и конструктивных параметров на напряженно-деформированное состояние (НДС) гидроцилиндра вывешивания и исследования процессов контактного взаимодействия сочленений гидроцилиндра. Численное моделирование осуществляется в модуле Simulation SolidWorks, основанном на методе конечных элементов (МКЭ) [3, 4]. МКЭ имеет ряд достоинств, одним из которых является универсальность по отношению к геометрии исследуемой области и реологии деформирования материала2, что позволяет наиболее полно воспроизводить и исследовать режимы и условия нагружения исследуемых объектов. Помимо этого, использование математических методов моделирования позволяет учесть совместную деформацию и изменение конфигурации конструктивных элементов деталей.
В литературе достаточно примеров применения методов численного моделирования в решении практических и теоретических задач, в которых отмечается положительный эффект используемых методов [5, 6, 7].
В работах, посвященных аналитическим и экспериментальным исследованиям надежности работы гидроцилиндров, рассматриваются: несущая способность, устойчивость, условия закрепления, жесткость конструктивных
узлов, герметичность, критические нагрузки, долговечность уплотнений и сопряженных элементов гидроцилиндра [1, 8, 9, 10, 11].
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
В качестве объекта исследования принят гидроцилиндр вывешивания железнодорожного грузоподъемного крана Сокол 80.01. С целью наиболее точного представления о характере нагружения гидроцилиндр вывешивания рассматривается совместно с выносной опорой (аутригером) грузоподъемного крана (рисунок 1, б).
Опорные элементы грузоподъемных машин в процессе эксплуатации находятся в условиях значительных продольных давлений. Реакции выносных элементов некоторых типов грузоподъемных кранов могут достигать значительных величин; так, согласно грузо-высотным характеристикам максимальная грузоподъемность следующих типов грузоподъемных кранов на железнодорожном ходу достигает: Сокол 80.01 - 80 т, ЕДК-500 - 80 т, ЕДК-1000 - 125 т, ЕДК-2000 - 250 т, СМ-515 -80 т, СМ-539 - 150 т, МиШ Tasker КЯС 500 -80 т, МиШ Tasker ^С 1200 - 160 т.
Выход из строя гидроцилиндра вывешивания во время работы с достаточно высокой долей вероятности приведет к снижению уровня безопасной эксплуатации погрузоч-но-разгрузочных работ, а также значительным материальным затратам, поэтому повышение надежности эксплуатации силовых опорных гидроцилиндров грузоподъемных кранов является особенно актуальным [12].
Деформации реальных конструкций большей частью развиваются по всем направлениям, т.е. соответствуют объемному (трехосному) деформированному состоянию, поэтому гидроцилиндр рассматривается в трехмерной постановке. Для этого создается и исследуется объемная модель объекта исследования в программном комплексе SolidWorks (см. рисунок 1, б). Адекватность численной модели определяется геометрическим соответствием конструктивной структуры узлов и деталей, точностью воспроизведения условий взаимодействия элементов между собой, соответствием механических свойств используемых материалов.
1 Биргер И. А. [и др.] Расчет на прочность деталей машин: справочник / И. А. Биргер, Б. Ф. Шорр, Г. Б. Иосилевич. 4-е изд., перераб. и доп. М. : Машиностроение, 1993. 640 с.
2 Карзов Г. П., Марголин Б. 3., Швецова В. А. Физико-механическое моделирование процессов разрушения. СПб. : Политехника, 1993. 391 с.
б
Рисунок2- Эпюры напряжений контактныхпар: а - «поршень-зеркалогильзы»;б -«направляющаявтулка- зеркало гильзы»,
«шток-направляющаявтулка» *штокидругиеэлементы-скрытыили прозрачны *вобластях, отмеченныхкраснымцветом,напряжения> 90,07 МПа
Figure2-Plotsof contactpair voltages: a - "piston - mirror sleeve"; б - "guide sleeve - sleeve mirror", "rod - guide sleeve"
*stock andother elements-hiddenortransparent *inred marked areas,voltages >90.07MPa
Гидроцилиндр вывешивания рассматривается сустановленными штоковыми и поршневыми опорно-направляющими кольцвми (направляющими поясками). Направляющие кольце снобходимы для обессеченвп пря-ммннисейсости двипиония штоса и вовшнп, а также для предотвращения контакта штока и поршня с гильзой. Материал направляющих колец в расчете - полиацеталь (РОМ). Поли-ацеталь имеет высокий модуль упругости материала и получил широкое распространение в производстве опорно-направляющих колец.
Гидроцилиндр в процессе функционирования подвержен продольно-поперечному нагру-жению и находится в сложном напряженном состоянии. Расчет проводится при следующем режиме нагружения: одновременном действии продольной (вертикальной) сжимающей ^ = 100 ... 700 кН, FBмAX = 700 кН) и поперечных (горизонтальных) = 6100 Н, FГ2 = 6700 Н) сил (см. рисунок 1).
Продольное усилие является вертикальной составляющей реакции выносной опоры грузоподъемного крана в процессе работы, обусловленное действием транспортируемого груза и эксплуатационного азимутального положения стрелового оборудования. Попереч-
ные усилия - горизонтальные составляющие иеакций вошвсныо исо|и,при этом действие толькс п^долвной ипфуоки еыотввтетвует штатному режиму нагружения, горизонтальной ивертыцаыньноЫ нагрузки - меыввамному. Принымыется, нем нанрржеоие иелст^кции является квазистатическим, при котором временными эффектами можно пренебречь.
Рассматриваются три варианта контактирования сопряженных элементов опорного гидроцилиндра. В процессе численного расчета варьировались следующие параметры: величина зазоров Z1 и Z2, продольная нагрузка Fв (см. рисунок 1).
В результате проведенных расчетов определено НДС конструктивных элементов гидроцилиндра вывешивания в зависимости от варианта контактирования сопряженных элементов; приведены эпюры и графические зависимости, построенные по результатам численных экспериментов. В качестве критерия пластичности материала применяется критерий Губера-Мизеса, основанный на гипотезе энергии формоизменения3 [13].
На рисунке 2, а представлена эпюра напряжений гильзы и поршня гидроцилиндра первого варианта контактирования (0 < Z1 << Z2);
а
3 Теребушко О.И. Основы теории упругости и пластичности. М. : Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984. 320 с.
наблюдаются несколько зон контакта: точки Т1 и Т2, стТ1 > аТ2. А на рисунке 2, б представлена эпюра напряжений гильзы и втулки гидроцилиндра второго варианта контактирования (0 < 22 << 21); аналогично наблюдаются несколько зон контакта: точки Т3 и Т4, стТ3 > стТ4. Нужно отметить, что в расчетах рассматривается совместное деформирование и изменение конфигурации конструктивных компонентов гидроцилиндра - а на эпюрах приводятся отдельные элементы (поршень, гильза, втулка) со скрытием других для более наглядного представления нагружения рассматриваемых объектов.
Взаимодействие элементов происходит по краевым и противоположным участкам поршня с зеркалом гидроцилиндра и втулки с цилиндрической поперхностью штокс и гильзы (рисроок 2). Прц этом уарлюдцотоя ерно иы-рдженоыо маосииос ксгитт^лгти^огт) ^З;^и1\/1ат1о1в-Д"Д^И5-; ырто выхифсин м^сл^нп^ дефорлоция дтцрти нолизы Итнчки Т1\ Т.3С.
CлЛMPBaTЧЛИИ0, таи тоотш рЮЖИМе НОфур жроис, и случаол, кигза поперечным нaг[иггрии не исооют спон иенмРноарик5 в моисенсе ио-фрженсО1 одна силаар|1ь трущихдя олемооооз гр1рцooиoиндоa cра0фцжaрпаа, о другая - |изз-фужаотся -не млгpyжaeтcя).
По ярзумирятслт аточ(^та иоттдсын|с| -цизри-ч^с^тзз яаиисимочти - имвоохности ыякссимали-ия|р наиложений иоиотия (<ипГ л -^[Э^взюниз-гхг4 ИТуонр и^ез) -ИДяеL-ИЛИЬЛе0 и листо иоитркт^ с гитьио0 Циочки Ти, "из) в ровисимости от кость тсиир ронтисялписИ нафрьки ИТ1-) к реличопы зазорив п 22с счетом дерсиипо попеоечныо сз.з (р7,., И оатр-, жл ц елинзе (рисуиао 3). Хоррк-
тер) И0ЛЛЧeHHЫC30CИ0И30И00и &ПИЗОК р ЛИЬРЙв ерВ ЧCPOЭOMOC1COCK1И.
Прпи оортактром виоихрдeйoпиэи рлгяи^Зг исз пцредаррдавлeриH пдррсходот по еооема малым поящслгям. Вследетрио иояв.П^НИ5Г и оэаоироиcл заздсов коно^ккеых пн..) олтр^ди визимодейетврояеаиошаерея, oиемиоиoаeтcя
угловой перекос элементов, возникает эксцентричность приложения осевой нагрузки. Это приводит к повышению радиальных нагрузок в сопряжениях «поршень - гильза» и «направляющая втулка - шток». Следовательно, повышаются действующие напряжения и деформации в областях контакта.
Из анализа полученных зависимостей (см. рисунок 3) следует, что для гидроцилиндра первого варианта контактирования: максимальные напряжения поршня при нагрузке на оголовок штока РВМДХ, FГ1, FГ2 при 21 = 0,3 мм увеличиваются на = 22 %, а при 21 = 0,5 мм на = 38 % по сравнению с Z1 = 0 мм. Для гидроцилиндра второго варианта контактирования: максимальные напряжения направля-ющер лц°лои пс-) наф°кре ил (Kl"oочвок штока /г[ЗМлХ, Ргр 0Е)Г иря 22 л O,\Г 1р 1ч/п рзслттнрaются на = 42%, а при 22 = 0,5 мм на = 53% по срав-скиию к ^^ л 0, Токил лОраном, авeлиэонзe зазови в соаленениях ои\гроио1"о глолоыилиндра ррниц^цип р иою^^нйзрям условий л хвоовтера рыaимoдсИцтвие оижду илсмми"-^ми| зло спо-яыботияци снижении надежностифсзтциони-Еюиясио cы^oв^гlл гидяoцилиндрив.
Дли обрабцпии осл^п-ным иислон нсх экс-кoяимeооатиныoоoниыx псиочьзуется иоял ный EK1aрни)ГэыИ чктиаoимпнт -ПФЭ) типя дО ши-амил рг\имeиярыый в нррбио-иоаоялаоотель-скор деятольносии аоалине |эезультаоов на-ьурэных ТбCГleяикeнчoвC [НС( Юр Ктяицдcмый ыФЭ к ЦелиЮ ПОЛОО^ЕПИСЕ KЧ-^HKаPИ нг ^ 3)2\, Fв), со л сц^Е, -о ^^^и^оосп в цобя следующие эта-рии зиар^акa варьроозисдлвюсти позол^тов чиетеииыи обап^|зим^пто^ со фиoесзю осхре-на ГEce;^ольтары ислнрoиээoынмы)| пострсение мотeмррических оодмлей о ссосрстом еоэффи-Оя1ертoи лоеинянэе|оефеснии; провержа тдек-ьатноати дотерятическах моделер негласно |фиоцяию -Сьшеж Омсдели адекватныи интер-ицяетация цоовнеиин |сес;;з^(^сии.
Поиочениые уморение оспсгре^они ыля стп соО идея епв И-^г> сои 2з (г^кго, С См м) и Рв (кН) им^кят тид
уП = 38,3 - 11,8Z1 + 0,237FB + 0,237Z1FB
В
(1)
y в = 20,7 + 39,2Z2 + 0,256FB + 0,247Z2 FB
(2)
4 Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М. :
Наука, 1976. 280 с.
РисунокЗ - Поверхности напряжений: а - поршня гидроцилиндрп вывешивания в месте контактв с гользой в точке T1(0<,Z1 «Zp; U - втулкигидроцилинНра выввшинснит г ее ктв кинтект н се гкльзов в течке Те U0<Z2 << Z)
Figure3 -Stresssurfaces:
о о hacginы o^/ndoср°^опшд °e point of соntoct w;ththe sieevc at н1 (0 < Z1 и< Z; б e hauung-ylioderlineru at t;oe puiotoZwoutcct with ;°e clonve Т3 Uo р U;C< °и
Рисунок4 -Эпюрывектора контактных напряженийсопряженныхэлементовгидроцилиндра: а-сопряжение «шток-направляющаявтулка-гильза»;б- сопряжение«поршень-гильза»
Figure 4 - Plots of the vector of contact stresses of the hydraulic cylinder associated elements: a - pairing "rod - guide sleeve - sleeve"; б - conjugation "piston - sleeve"
На основании полученных уравнений регрессии можно сделать следующий вывод: наибольшее влияние оказывают факторы ^ и Z2 (величина зазора), так как они имеют наибольший по абсолютной величине коэффициент. Однако это справедливо только при соблюдении размерности расчетов «мм - кН».
На рисунках 4, 5 представлены эпюры вектора контактных напряжеаий и результирующее горизонтальные аые-а хонааата ^Г) трущихся поверхностей поршня и втул-
ки гидроцилиндров первого и второго варианта контактирования при следующем режиме нагружения: FBMAX, Fri, Fr2, Z1 = 0,5 мм, Z2=0,5мм. Контакткраевыхобластейсопряжен-ных элементов характеризуется наибольшим значением контактного давления; к середине контактные напряжения снижаются. Согласно полученным данным можно сделать вывод, чпу керхний Нлрт пк>|пшня (см.уисунок П более чем в два раза перегружается по сравнению с другими буртами: R 1 = max, R 2 = 44%R \
Рисунок5 -Результатырасчетасил контакта контактирующихповерхностей элементов гидроцилиндра: а-векторысилконтакта;б-результирующаягоризонтальнаясилаконтакта (Rr); 1-поршень;11- направляющая втулка;Ш -гильза;1, 2, 3,4,5-номера(№) поверхностей
Figure 5 - Calculation results of the contact forces of the contacting surfaces of the hydraulic cylinder elements:
a-contact force vectors;6-resulting horizontalcontactforce (R) I-piston; II -guide sleeve;III-sleeve;1,2,3, 4,5-numbers (№) ofsurfaces
Rrn3 в 5%Rrn1, Rrn4 = 43%Rrn1, в то время как краевые награвляющае поверхности втутки (см.риериоо ер подвержены более равномерному нагружению: RrB5 = max, RrB1 = 76%RrB5, RrB2 = 67%RrB5; центральные направляющие характеризуются наименьшей величиной силы контакта: R3 = 8%Rrn5, Rги4 = 14%Rrn5.
IB IB IB IB
При этом соотношение Rrr1-4, RrBi-s остается схожим при различных значениях зазоров Z1 и Z2, а результирующие горизонтальные силы контакта для каждой трущейся поверхности имеют свое направление (см. рисунок 5). Таким образом, контактирующие поверхности элементов гидроцилиндра в процессе эксплуатации нагружены неравномерно как по величине, так и по направлению.
На рисунке 6! приведены результирующие горизонтальные силы контакта ()) наплавляющих поясков поршня гидроцилиндра первого варианта контактирования в зависимости от
нагружения: Н1 - ^МДХ' ^2' ^ Н2 - ^МДХ' Z1; Н3 - FВMAX. Наибольшему, существенному нагружению подвержен первый поясок. Полученная диаграмма (рисунок 6, б) позволяет оценить значимость влияния рассматриваемого фактора нагружения на величину RГ пояска в зависимости от пространственного положения опорно-направляющего кольца. Например, для первого пояска: RГН1 > RГН3 на = 40%; для второго: RГН1 > RГН3 на = 55%; для третьего:
^Н1 > ^Н3 на = 70%.
Рисунок 6 - Результаты расчета сил контакта направляющих поясков поршня: а - векторы сил контактаврезультатенагруженияНг б - сравнениерезультирующихгоризонтальныхсилконтакта (ИГ)направляющихпоясков поршня
взависимости отнагружения; I - поршень; III - гильза; 1, 2, 3 - номера (№) направляющих поясков
Figure6 -Resultsofcalculatingthe contact forces ofthepistonguidebelts: a - contact forcevectorsasaresultof loadingH1; б - comparison of the resulting horizontalcontactforces(Rr)ofthepiston guidebelts depending onloading;
I - piston; III - sleeve; 1, 2, 3 - numbers (№) of guide belts
Рисунок7 -Распределениенапряженияпообъемуэлементов: а-гистограммы;б- аппроксимирующиекривые. Первыйвариант контактирования:1-поршень;4- шток;5-поршень, нагрузкатолькоFВMДX.
Второйвариантконтактирования: 2-направляющаявтулка; 3 -шток
Figure7-Voltage distribution over thevolumeofelements: a - histograms; 6 -approximating curves. The first contacting option: 1 - piston; 4 - stock; 5 - piston, load only FBMAX.
Thesecondcontactoption: 2-guidesleeve;3-stock
На рисунке 7 приведены графические представления (гистограммы и аппроксимирующие кривые) распределения напряжения по объему поршня, направляющей втулки и штоков в процессе нагружения гидроцилин-
дров. Согласно полученным результатам можно сделать вывод, что распределение напряжения по объему конструктивных элементов опорного гидроцилиндра характеризуется явной неравномерностью, которая связана
б
а
Рисунок 8 - Результаты расчета первого бурта поршня: а - изменение напряжения поршня в точке контакта с гильзой; б - изменение напряжений (1) и деформации (2) направляющего бурта поршня
Figure 8 - Calculation results of the first piston shoulder: a - change in piston voltage at the point of contact with the sleeve; 6 - change in stresses (1) and deformation (2) of the piston
guide shoulder
с механическими свойствами материалов, геометрическими параметрами, условиями нагру-жения и контакта объектов. При возрастании зазоров контактных пар происходит перераспределение полей напряжений, сопровождающееся увеличением максимальных контактных давлений.
Полученные гистограммы и аппроксимирующие кривые (см. рисунок 7) можно характеризовать как плотность распределения напряжений по элементам. В рассматриваемых случаях максимальным напряжениям (если рассматривать диапазон напряжений [0,8амдх; амлх]) подвержены до 1,5% объема (V) элементов. Согласно результатам расчета = 58% объема поршня находится под действием а = 0 - 50 МПа, а = 34% объема поршня находится под действием а = 50 - 100 МПа (см. рисунок 7).
В случае действия только вертикальной нагрузки распределение напряжения по элементам гидроцилиндра носит более равномерный характер - это можно проследить, например, по распределению напряжений по объему поршня гидроцилиндра, нагруженного только продольной силой (см. рисунок 7).
Зависимость максимальных напряжений (а) и деформаций (б) первого бурта поршня (см. рисунки 4, 5) от значения его толщины (Л)
представлена на рисунке 8, б. Уменьшение толщины бурта характеризуется существенным увеличением напряжений и деформаций. Так, например, для рассматриваемого случая при уменьшении параметра Л с 10 мм до 7 мм действующие напряжения увеличиваются на = 26%, а до 4 мм - на = 106%; наблюдается криволинейность, которая близка к экспоненциальной, в характере изменений напряжений и деформации это указывает на превышение действующих напряжений предела текучести конструкционного материала, в случае чего возникают пластические деформации верхних слоев буртов поршня.
В результате исследования установлено, что при увеличении коэффициента трения контактной пары «поршень - гильза» (ц) с 0,005 до 0,4 действующие напряжения поршня (первый направляющий бурт (см.рисунки 4, 5)) возросли на = 3% (рисунок 8, а).
На рисунке 9 представлены эпюры напряжений некоторых элементов (гильза, поршень, направляющая втулка) гидроцилиндра третьего варианта контактирования (^ = Z2 или ^ = Z2). Контакт возникает одновременно по краевым и противоположным относительно друг друга участкам поршня с зеркалом гидроцилиндра и втулки с цилиндрической поверхностью штока (точки Т5, Т6).
von Мi5£5 (N/mA2) 8.015е+007 /,347е+007 6,6796+007 . 6,0116+007 _ 5,3436+007 4,б75е+007 4.008е+007 3,340е+007 £,672е+007 2,0046+007 1,3366+007 б.68бе+00б 7.604е+003
Рисунок 9 - Эпюры напряжений гидроцилиндратретьего варианта контактирования
*штокидругие элементы-скрыты илипрозрачны
Figure 9 - Diagrams ofstressesof thehydraulic cylinderofthe thirdcontact option
*stockand otherelements-hiddenortransparent
Для гидроцилиндра третьего варианта контактирования полученВ1 вовулетаты, ветло-вичдля гидряцилиндра первого и второго варианта контактирования (эпю°ы вн^т^кда1^одтащадх кагридтнвй, вл-
лвридонтельные о^г^Я^адающидпо^^р^ь^нвлтевпорынви вт
о аяО-
отгио (деформация) штвоа ^к^дяиц^^е^,^!^^ т проотродстня позникаедт свези с дейлявиед вдиложннеыл с; тксцвтнрилнте-лс^^л р^адольтыв нaгpвкоТ|Лоздaющиx язлиба-ющво вомвыт, оривоженеы й к огодовкудяока. Дяфодлация штока твеядчвваетсяд связн в: пдрд^(^с^ом лвве^вЕ!Шло1^ал ямятио егл на-пдавляющию т доШясвлтии д^сДервацк^^к ном^^втяю^вд дoвянxносовй втвоки. я^;^хты жп яочленолныхллеяйнтов гидроцилиндра приводят к существенному яосту нтедлсняяти иердткальтод осо кяр^яа гидро^внлдра к ^|^оддльнтк осл штяко, чтд XIзетодтзнаоятеоьйое сньжвдие остмйииво-сли гспряцинилдвд-
В вояцепяе нтедты фузеводъемнягт крсея еговынядные япяржыл ¡^оямя^'^^ог^с^двелгае отяя дтйстятю аерочeнвыд тзгяязот внвви-симости от азимутального положения стрелового оборудовдпия л фуздви ят сонякудноьти внлшних ввлявых ракло|днв, таонх вак нвдяв-спмерндя пятмядоа япявияТ наящaдки(тaпpи-мер грунтовой) под опорами, высокие инерци-внлхе вефпзки и ыьl [16, 17].Дакнд общ^в^с^л^, вынвсныс С^плдт ГНявЯГвЯдоеМНЯЙ Машины д дрс^ь^о^!^^ ^таи^тенвс^влу/^с^^е^^^ ябярядявтлня дядоорлпны дейявдию нюедующих оы(г^имl прюдольныв.коворвыедяжно иряводз
чавкв|(eмeнныeкяоeлидинe и дяяеяянпыл по
наооaвддлаю, еоpиялтчeякдe;пямяpeчныxо
повемонным по вялочинеи няпpaвкlвнню| ьт-рмядическит.
^ля дпияяттн1х выше режлмоенлгружднио (см. рисунки 2-9), в случаях действия попе-яачныxнлфогoK| яенткжцив явдд ния вд врдюмднн 1Еа п|гдинвдпдлджные, одны кдгтакта д сзятверятвее д тап(>ойлeдтем тид диаметоодьнд Cмeдовятeкlьия,
элементы гидроцилиндра в этом случае подвергаются циклическому режиму нагружения, который вызывает в отдельных точках трущихся тел переменные контактные напряжения. В случаях же наличия зазоров сопряженных элементов ситуация усугубляется в связи с повышением значения контактных напряжений.
Таким образом, зазоры сочленений ускоряют процесс накопления повреждений элементов гидроцилиндра под действием контактных напряжений, которые приводят к постепенному износу их поверхностей (задиры, царапины, сколы и пр.), уменьшая при этом срок службы гидродвигателя возвратно-поступательного движения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате анализа взаимодействия сопряженных элементов в зависимости от величины зазоров контактных пар опорного силового гидроцилиндра грузоподъемного крана в трехмерной постановке:
- определено НДС конструктивных элементов гидроцилиндра вывешивания в зависимости от геометрических параметров (вариант контактирования сочлененных элементов) и сочетания действующих нагрузок;
- приведены зависимости напряжений контактных зон от величины зазоров и продольной сжимающей нагрузки с учетом действия поперечных сил;
- определены участки максимального на-гружения элементов силового гидроцилиндра, рассмотрен процесс формирования контактных зон;
- получены распределения напряжения по объему элементов гидроцилиндра;
- определены силы контакта трущихся поверхностей элементов гидроцилиндра;
- установлено, что увеличение величины зазоров повышает максимальные действующие напряжений элементов сопряжений гидроцилиндра, увеличивает интенсивность изнашивания, способствуя появлению пластических деформации в зонах контакта и повышению интенсивности воздействия тепловых процессов, что неизбежно влечет за собой снижение надёжности работы гидродвигателя возвратно-поступательного движения.
В численных расчетах учтено совместное деформирование следующих конструктивных компонентов гидроцилиндра: поршень, гильза, шток, направляющая втулка, опорно-направляющие кольца.
Результаты проведенного исследования, изложенные в текущей работе, могут быть
использованы для исследования всех типов силовых гидроцилиндров исполнительных органов дорожных, строительных и подъемно-транспортных машин и оборудования при условии определения параметров численного моделирования, соответствующих рассматриваемым условиям эксплуатации и режимам нагружения конкретного типа техники. В частности, полученные данные могут применяться для определения геометрических форм контактирующих поверхностей и зазоров сопряжений, не приводящих к недопустимым предельным деформациям контактирующих тел (узлов трения) и обеспечивающих надежную работу гидроцилиндра в процессе функционирования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кобзов Д.Ю., Ереско С.П. О критериях работоспособности и надёжности гидроцилиндров // Системы. Методы. Технологии. 2012. № 1 (13). С. 38-44.
2. Кобзов Д.Ю., Кобзов А.Ю., Лханаг Д. Несущая способность и ресурс гидроцилиндров машин // Системы. Методы. Технологии. 2009. № 2 (2). С. 24-28.
3. Kurowski P. Engineering Analysis with SOLIDWORKS Simulation 2017, SDC Publications, 2017. 600 p.
4. Shih R. Introduction to Finite Element Analysis Using SOLIDWORKS Simulation 2017, SDC Publications, 2017. 500 p.
5. Ледяев А.П., Быков В.П., Ватулин Я.С., Ми-гров А.А. Автоматизация исследовательского проектирования // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2014. № 2 (39). С. 165-169.
6. Steinhauser M. O. Computer Simulation in Physics and Engineering, de Gruyter, 2012. 509 p.
7. Kovacevic D. Budaka I. Antic A. Nagode A. Kosec B. FEM modeling and analysis in prevention of the waterway dredgers crane serviceability failure // Engineering Failure Analysis. 2013. Vol. 28. P. 328339.
8. Solazzi L. Feasibility study of hydraulic cylinder subject to high pressure made of aluminum alloy and composite material // Composite Structures. 2019. Vol. 209. P. 739-746.
9. Tomski L., Uzny S., A hydraulic cylinder subjected to Euler's load in aspect of the stability and free vibrations taking into account discrete elastic elements // Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2011. Vol. 11 (3). P. 769-785.
10. Narvydas E. Buckling strength of hydraulic cylinders-an engineering approach and finite element analysis // Mechanika. 2016. Vol. 22 (6). P. 474-477.
11. Bednarek T., Sosnowski W. Practical fatigue analysis of hydraulic cylinders - Part II, damage mechanics approach // International Journal of Fatigue. 2010. Vol. 32 (10). P. 1591-1599
12. Лагерев А.В. Оценка риска при эксплуатации самоходных грузоподъемных кранов стрелового
типа в условиях недостаточной информации // Научно-технический вестник Брянского государственного университета. 2017. № 2. С. 203-220.
13. Collins J. A. Failure of Materials in Mechanical Design: Analysis, Prediction, Prevention. John Wiley & Sons, New York, 1993. 654 p.
14. Конев В.В., Закирзаков Г.Г, Мерданов Ш.М., Бородин Д.М. Планирование эксперимента по тепловой подготовке гидродвигателя строительно-дорожных машин // Научно-технический вестник Поволжья. 2016. № 6. С. 59-61.
15. Хамидуллина Д.А., Мухтаров Я.С., Кондра-шева С.Г. Регрессионный анализ опытных данных при исследовании работы винтовых конвейеров // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16. № 6. С. 140-143.
16. Потахов Е.А., Ватулин Я.С. Разработка математических моделей движения телескопического стрелового оборудования грузоподъемного крана // Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ). 2019. № 1 (56). С. 54-62.
17. Ватулин Я. С., Потахов Д. А. Моделирование взаимодействия элементов опорного контура железнодорожного грузоподъемного крана с грунтовой опорной поверхностью // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2019. Т. 16. № 1 (58). С. 59-67.
REFERENCES
1. Kobzov D.Ju., Eresko S.P. O kriterijah rabotosposobnosti i nadjozhnosti gidrocilindrov [On the criteria of operability and reliability of hydraulic cylinders]. Sistemy. Metody. Tehnologii. 2012; 1 (13): 38-44 (in Russian).
2. Kobzov D.Ju., Kobzov A.Ju., Lhanag D. Nesushhaja sposobnost' i resurs gidrocilindrov mashin [Bearing capacity and resource of hydraulic cylinders of machines]. Sistemy. Metody. Tehnologii. 2009; 2 (2): 24-28 (in Russian).
3. Kurowski P. Engineering Analysis with SOLIDWORKS Simulation 2017, SDC Publications, 2017: 600.
4. Shih R. Introduction to Finite Element Analysis Using SOLIDWORKS Simulation 2017, SDC Publications, 2017: 500.
5. Ledyaev A.P., Bykov V.P., Vatulin Ya.S., Migrov A.A. Avtomatizacija issledovatel'skogo proektirovanija [Automation of research design]. Izvestija Peterburgskogo universiteta putej soobshhenija. 2014; 2 (39):165-169 (in Russian).
6. Steinhauser M. O. Computer Simulation in Physics and Engineering, de Gruyter, 2012:509.
7. Kovacevic D. Budaka I. Antic A. Nagode A. Kosec B. FEM modeling and analysis in prevention of the waterway dredgers crane serviceability failure. Engineering Failure Analysis. 2013; 28: 328-339.
8. Solazzi L. Feasibility study of hydraulic cylinder subject to high pressure made of aluminum alloy and composite material. Composite Structures. 2019; 209: 739 - 746.
9. Tomski L., Uzny S., A hydraulic cylinder finally to Euler's load in aspect of the stability and free vibrations
taking into account discrete elastic elements. Archives of Civil and Mechanical Engineering. 2011; 11 (3): 769785.
10. Narvydas E. Buckling strength of hydraulic cylinders-an engineering approach and finite element analysis. Mechanika. 2016; 22 (6): 474-477.
11. Bednarek T., Sosnowski W. Practical fatigue analysis of hydraulic cylinders - Part II, damage mechanics approach. International Journal of Fatigue. 2010; 32 (10):1591-1599.
12. Lageryov A.V. Risk assessment during the operation of self-propelled jib cranes in conditions of insufficient information. Scientific and Technical Bulletin of the Bryansk State University. 2017; 2: 203-220 (in Russian).
13. Collins J. A. Failure of Materials in Mechanical Design: Analysis, Prediction, Prevention. John Wiley & Sons, New York, 1993: 654.
14. Konev V.V., Zakirzakov G.G., Merdanov Sh.M., Borodin D.M. Planirovanie jeksperimenta po teplovoj podgotovke gidrodvigatelja stroitel'no-dorozhnyh mashin [Planning an experiment on thermal preparation of the hydraulic motor of road construction machinery]. Nauchno-tehnicheskij vestnik Povolzhja. 2016; 6: 5961 (in Russian).
15. Hamidullina D.A., Muhtarov Ja.S., Kondrasheva S.G. Regressionnyj analiz opytnyh dannyh pri issledovanii raboty vintovyh konvejerov [Regression analysis of experimental data in the study of screw conveyors]. Vestnik Kazanskogo tehnologicheskogo universiteta. 2013; T. 16. № 6: 140-143. (in Russian).
16. Potahov E.A., Vatulin Ja.S. Razrabotka matematicheskih modelej dvizhenija teleskopicheskogo strelovogo oborudovanija gruzopod'emnogo krana. [Development of mathematical models for the movement of telescopic boom equipment for a crane]. Vestnik Moskovskogo avtomobil'no-dorozhnogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta (MADI). 2019; 1 (56): 54-62 (in Russian).
17. Vatulin Ja. S., Potahov D. A. Modelirovanie vzaimodejstvija jelementov opornogo kontura zheleznodorozhnogo gruzopod'emnogo krana s gruntovoj opornoj poverhnost'ju [Modeling the interaction of the elements of the support contour of a railway crane with a ground support surface]. Izvestija Peterburgskogo universiteta putej soobshhenija. 2019;T. 16. № 1 (58); 59-67 (in Russian).
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Потахов Денис Александрович - аспирант кафедры «Подъемно-транспортные, путевые и строительные машины», ФГБОУ ВО ПГУПС, ORCID 0000-0002-3737-6860 (190031,г. Санкт-Петербург, Московский пр., 9, e-mail: potakhovd@ mail.ru).
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Denis A. Potakhov - Postgraduate Student, Department of Lifting and Transport, Track and Construction Machinery, Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University, ORCID 0000-0002-3737-6860 (190031, St. Petersburg, 9, Moskovskiy Ave., e-mail: [email protected]).
