Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
БУЯЛИЧ Константин Геннадьевич
ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ГИДРОСТОЕК МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ
Специальность 05.05.06 - "Горные машины"
Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Кемерово 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева Научные руководители: доктор технических наук, профессор Александров Борис Алексеевич кандидат технических наук, доцент Антонов Юрий Анатольевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Герике Борис Людвигович кандидат технических наук, старший научный сотрудник Журавлев Ростислав Петрович
Ведущая организация: ООО Юргинский машиностроительный завод
Защита диссертации состоится 16 марта 2012 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.102.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева по адресу:
650026, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Факс (384-2) 36-16-87. E-mail: bkg@kuzstu.ru
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева.
Автореферат разослан 15 февраля 2012 года.
Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.102.01 А. Г. Захарова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. В настоящее время наблюдается тенденция к снижению общего количества комплексно-механизированных забоев (КМЗ) с одновременным увеличением из них добычи. При этом постепенно ухудшаются горно-геологические условия выемки угольных пластов. В совокупности эти факторы накладывают повышенные требования к надёжности работы КМЗ.
Исследованиями работы механизированных крепей в различных условиях (КузНИУИ) было уставлено, что одной из основных причин простоев КМЗ являются отказы гидрооборудования крепи из-за потери герметичности, при этом из этих отказов 31 % приходится на гидростойки, а 23 % - на другие силовые гидродомкраты. В структуре отказов из-за потери герметичности гидростоек 58 % отказов происходят из-за коррозии и износа зеркала цилиндра, 28 % - из-за износа уплотнений и 14 % - из-за раздутия рабочих цилиндров. Это влечёт за собой не только технические проблемы, связанные с непрерывностью и безопасностью работы комплексов, но и экономические потери.
Существующие методики расчёта параметров гидростоек механизированных крепей в большинстве случаев являются аналитическими и не учитывают всего комплекса факторов, при которых происходит возникновение критических ситуаций, приводящих к недопустимо большим уплотняемым зазорам и нарушающих нормальную эксплуатацию уплотнений.
Несмотря на большое количество исследований, посвящённых работе гидростоек механизированных крепей, вопросы их герметичности в различных условиях нагружения являются недостаточно изученными.
Кроме того, для уменьшения радиальных деформаций рабочих цилиндров и улучшения работы в них манжетных уплотнений предлагаются различные технические решения, требующие научного обоснования их параметров.
С учётом вышесказанного, выявление и оценка параметров герметичности гидростоек, учитывающих формирование герметизируемого зазора и работу уплотнения с учётом их конструктивных особенностей, характера нагружения и свойств материалов, являются актуальными.
Работа выполнялась в соответствии с заданиями Министерства образования и науки РФ (2002Ц2004 гг.), Федерального агентства по образованию РФ (2005Ц2010 гг.) и Министерства образования и науки РФ, а также по договору с ЗАО Распадская (2006 г.).
Цель работы - оценка параметров герметичности гидростоек механизированных крепей.
Идея работы - использовать для оценки герметичности гидростоек величину герметизируемого зазора и параметры работы в нём уплотнения.
Задачи исследований.
1. Разработать конечно-элементные модели и с их помощью исследовать влияние параметров гидростоек и внешних сил на образование герметизируемого зазора между цилиндром и поршнем.
2. Разработать конечно-элементные модели и с их помощью исследовать поведение манжетных уплотнений в герметизируемом зазоре в зависимости от конструкции и параметров уплотнительного узла, величины зазора, свойств материала и давления рабочей жидкости.
3. Обосновать технические предложения для совершенствования гидростоек механизированных крепей.
Методы исследований: моделирование методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния (НДС) тел из упругопластических и гиперупругих резиноподобных материалов.
Научные положения, выносимые на защиту:
радиальные деформации рабочего цилиндра гидростоек механизированных крепей определяются давлением рабочей жидкости, конструктивными размерами цилиндра и свойствами его материала, осевым расстоянием деформируемой точки относительно первого уплотнения со стороны поршневой полости и днища, а также углом установки гидростойки в крепи и могут быть изменены путём выполнения цилиндра многослойным с задаваемыми толщинами слоёв и натягами между ними;
выдавливание материала уплотнения в зазор и эквивалентные напряжения определяются радиусом скругления кромки канавки поршня, давлением рабочей жидкости, величиной уплотняемого зазора, радиусом скругления уплотнения, а также установкой в тело уплотнения армирующей пластины, её свойствами, размерами и параметрами установки;
герметичность гидростоек необходимо оценивать совместно радиальными деформациями рабочего цилиндра в пределах поршня и параметрами работы уплотнения в герметизируемом зазоре системы поршень - уплотнение - рабочий цилиндр.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректным использованием метода конечных элементов и выбранных моделей поведения материалов, широко апробированных при решении других задач; обоснованностью принятых элементов и параметров сетки конечных элементов в используемых моделях, позволяющих получить погрешность вычислений по отношению к теоретическим расчетам при определении радиальных деформаций до 3,2 % и при определении напряжений - до 5Ц8 %, в зависимости от размерности моделей; относительной погрешностью результатов расчета уплотнений по упрощенным моделям до 0,05 %; сопоставимостью результатов исследований с результатами, полученными другими авторами.
Научная новизна заключается в том, что:
разработаны и определены критерии оценки степени герметичности для гидростоек механизированных крепей при образовании герметизируемых зазоров;
на основе разработанных параметрических моделей для определения напряжённо-деформированного состояния (НДС) однослойных и многослойных цилиндров получены зависимости их радиальных деформаций от давления рабочей жидкости, раздвижности, соотношения диаметров и величин натягов;
разработаны и определены критерии для оценки герметизации уплотняемого зазора для различных уплотнений, а также получены их зависимости для армированных манжетных уплотнений, учитывающие рабочее давление, величину зазора и конструктивные параметры поршня и уплотнения;
на основе проведённых исследований предложены параметры технических решений, повышающие степень герметичности гидростоек.
ичный вклад автора заключается в:
разработке конечно-элементных моделей и исследовании НДС однослойных и многослойных цилиндров в зависимости от конструктивных параметров гидростойки, её раздвижности, свойств материала и приложении внешних нагрузок;
разработке конечно-элементных моделей и исследовании НДС манжетных уплотнений в зависимости от их конструктивных исполнений, свойств материала и зазора;
обосновании параметров технических решений, улучшающих критерии работы рабочих цилиндров и манжетных уплотнений в герметизируемом зазоре.
Научное значение работы заключается в выявлении закономерностей формирования зазоров между поршнем и цилиндром от конструкции, параметров и схем нагружения гидростоек, а также закономерностей, характеризующих работу в этом зазоре уплотнений с различными параметрами.
Практическая ценность заключается в разработке моделей для определения НДС рабочих цилиндров и манжетных уплотнений гидростоек механизированных крепей.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований, приведенных в диссертации, были использованы:
ООО Юргинский машиностроительный завод при разработке механизированных крепей;
ЗАО Научно-исследовательский испытательный центр КузНИУИ при экспертизе горно-шахтного оборудования;
при разработке курса Методы расчета горных машин для студентов КузГТУ специальности 150402 (Горные машины и оборудование) со специализацией Проектирование и конструирование горных машин и оборудования.
Апробация работы. Основные научные положения диссертации докладывались и получили одобрение на: IV, VIЦIX Междунар. науч.-практ. конф. Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах (Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах)(г. Кемерово, 2000, 2005, 2007, 2009, 2011); IЦIII регион., IV Всерос. науч.практ. конф. Информационные недра Кузбасса (г. Кемерово, 2001, 2003Ц2005);
II Междунар. науч. конф. Динамика и прочность горных машин (г. Новосибирск, 2003); XЦXII Междунар. науч.-практ. конф. Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс (г. Кемерово, 2004, 2006, 2008); VЦ VII Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием и IЦII Междунар. науч.практ. конф. Инновационные технологии и экономика в машиностроении (г. Юрга, 2007Ц2011); интернет-конф. Творчество молодых в науке и образовании (г. Москва, 2003); IV, VI Российско-Китайских симпозиумах Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений (г. Кемерово, 2006, 2010), междунар. науч.-техн. конф. Динамика, надёжность и долговечность механических и биомеханических систем и элементов их конструкций (г. Севастополь, 2008), X Междунар. науч.-практ. конф. Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности (г. Кемерово, 2008), 4-й Междунар. конф. по проблемам горн. пром-ти, строительства и энергетики Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики (г. Тула, 2008), III Междунар. науч.-практ. конф. Перспектива развития Прокопьевско-Киселёвского угольного района как составная часть комплексного инновационного плана моногородов (г. Прокопьевск, 2011), ежегодных науч. конф. студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава Кузбасского государственного технического ун-та (г. Кемерово, 2000Ц2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 печатных работ, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 патента на полезные модели и 4 свидетельства на программы для ЭВМ.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы, приложений и включает в себя 143 страницы машинописного текста, 22 таблицы и 122 рисунка.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Большой вклад в области исследований параметров гидростоек при различных режимах нагружения внесли такие ученые, как Александров Б. А., Балабышко А. М., Воеводин В. В., Демидов В. И., Журавлёв Р. П., Калинин С. И., Клишин В. И., Кожухов Л. Ф., Кузнецов С. Т., Леконцев Ю. М., Матарадзе Э. Д., Никулин К. К., Пономаренко Ю. Ф., Садыков А. М., Санин С. А., Суслов Н. И., Фролов Б. А., Хорин В. Н., Шеин Ю. Г., Шубин В. Ф. и др.; в области исследования работы уплотнительных устройств - Голубев А. И., Гордеев В. В., Кондаков Л. А., Макаров Г. В., Недопова Т. Я., Сорокин Б. И. и др.
На основе анализа и оценки известных расчетных методов для оценки параметров герметичности механизированных крепей был обоснован и выбран метод конечных элементов. Данный метод позволяет определить зазор между рабочим цилиндром и поршнем в гидравлической стойке механизированной крепи (при рабочем давлении с учетом допусков на изготовление и посадок, радиальных деформаций) и дать оценку характеру работы уплотнения в этом зазоре при его различных геометрических параметрах, исполнениях, свойствах материала.
Рабочий зазор между поршнем и цилиндром складывается из:
допусков на изготовление поршня и цилиндра;
радиальных деформаций цилиндра от давления рабочей жидкости;
угла установки гидравлической стойки в секции механизированной крепи и перекоса поршня относительно цилиндра.
На основании сравнения результатов, полученных при теоретических расчётах и методом конечных элементов, для моделирования цилиндра, был выбран плоский (2D) элемент с опцией осесимметрии (погрешность составила около 4%).
С точки зрения оценки герметичности интересны радиальные деформации цилиндра в границах расположения поршня при сужении цилиндра (dR3) и в месте расположения первого уплотнения со стороны поршневой полости при раздутии (dR4). Установлено, что наибольшая погрешность наблюдается при вычислении dR3, при этом при 3-х элементах по толщине стенки гидроцилиндра относительная погрешность радиальных деформаций не превышает 0,5% и дальнейшее увеличение их количества существенно не влияет на погрешность вычислений.
Для определения радиальных деформаций цилиндров различных гидравлических стоек механизированных крепей разработана параметрическая конечноэлементная модель цилиндра с регулярной сеткой. Такая сетка увеличивает точность полученных результатов и сокращает время на решение. Исходными параметрами для модели являются: размеры цилиндра (длина, толщина стенки и днища, внутренний диаметр), раздвижность стойки, давление в поршневой полости, свойства материала. Для описания материала цилиндра использовалась модель билинейного кинематического упрочнения с параметрами: секущий и касательный модули упругости, предел упругости, коэффициент Пуассона, плотность.
С помощью данной модели рассчитаны радиальные деформации по длине цилиндра при различных раздвижностях для гидростоек некоторых механизированных крепей (табл. 1). Установлено, что абсолютные значения радиальных деформаций dR3 и dR4 увеличиваются прямо пропорционально давлению рабочей жидкости и раздвижности (рис. 1). Большие сжимающие радиальные деформации в области поршня dR3 увеличивают вероятность задира цилиндра и вероятность выхода из строя уплотнения, что является фактором, снижающим герметичность гидростойки.
Таблица Радиальные деформации dR4 при раздвижности lр и давлении жидкости P Деформации (dR4), мм Крепь P=32 МПа P=50 МПа P=70 МПа lр=(2/3)lрmax lр=lрmax lр=(2/3)lрmax lр=lрmax lр=(2/3)lрmax lр=lрmax ОКП70 0,042 0,045 0,064 0,066 0,092 0,0М130 0,045 0,047 0,066 0,069 0,093 0,0М138 0,045 0,051 0,063 0,080 0,088 0,1М142 0,040 0,047 0,062 0,073 0,087 0,1М145 0,049 0,044 0,081 0,069 0,114 0,0JOY 0,042 0,043 0,066 0,068 0,099 0,1Glinik 0,088 0,095 0,138 0,150 0,193 0,2Для оценки работоспособности гидростоек предложены критерии, числовые значения которых приведены в табл. 2:
коэффициент запаса по максимальному допуску при раздутии цилиндра, который для сохранения работоспособности гидростойки (уплотняемый зазор не превышает допускаемый из условий герметичности) должен быть больше едини0,цы n , где 0,3 - критические деформации цилиндра (Шубин В.Ф.), мм;
max 2 dRmin коэффициент запаса по минимальному допуску n , числовое min ( 2 dR3 ) значение которого должно быть либо больше единицы (в подавляющем большинmin стве случаев), либо отрицательным, где - минимальный зазор между поршнем и цилиндром, определённый полем допуска на их изготовление, мм.
Рис. 1. Изменение радиальных деформаций (dR3 и dR4) от относительной раздвижности (lр/lрmax) при давлении P Таблица Значения критериев гидростоек крепей при Р=50 МПа Критерий ОКП70 1М130 М138 М142 М145 Joy Glinik Раздвижность lр=(2/3)lрmax n 2,34 2,27 2,38 2,42 1,85 2,27 1,max n 9,54 8,74 1168,22 10,73 4,90 5,68 3,min Раздвижность lр=lрmax n 2,27 2,17 1,88 2,05 2,17 2,21 1,max n 6,49 6,22 11,16 10,33 4,72 4,56 2,min Уплотняемый зазор между поршнем и цилиндром может изменяться также и вследствие перекосов штока.
Угол перекоса определяется раздвижностью и зазорами в сочленениях поршень - цилиндр и шток - грундбукса. Для исследования этого явления была разработана трёхмерная конечно-элементная параметрическая модель, учитывающая как угол перекоса, так и угол установки гидростойки в крепи.
На рис. 2 приведены результаты Рис. 2. Смещения стенок цилиндра dx проведённых с помощью вышеописангидростойки М130 под нагрузкой ной модели расчетов смещения (dx) с учётом перекоса штока внутренних стенок рабочего цилиндра (1 и 3) гидростойки крепи М130 по его длине (lц) при номинальном рабочем сопротивлении, нулевом угле установки, максимальной раздвижности и заделке опоры цилиндра. Смещение оси симметрии изображено пунктиром (2).
При этом первоначальный максимально возможный зазор в области уплотнения, определяемый полями допусков цилиндра и поршня (280 мкм), увеличивается под нагрузкой до 490 мкм, что необходимо учитывать при Рис. 3. Параметрическая модель двуслойного проектировании уплотняемого рабочего цилиндра узла.
Максимальные напряжения во внутреннем Для уменьшения цилиндре, при Р=50 МПа радиальных деформаций 5рассмотрено использование 5Отношение толщин 10/15 мм многослойности в цилиндрах.
4Отношение толщин 12,5/12,5 мм При исследовании НДС таких 4Отношение толщин 15/10 мм цилиндров использовалась 3Отношение толщин параметрическая конечно- 320/5 мм Предел текучести элементная модель (рис. 3), в ко- 2490 МПа 2торой расчёт проводится в два 150 Натяг, мм шага: сначала рассчитывается 0,1 0,2 0,3 0,4 0,НДС от натяга, а затем - от давМаксимальные напряжения в наружном цилиндре, ления жидкости.
при Р=50 МПа На рис. 4 и 5 представлены 10Отношение толщин полученные напряжения и 10/15 мм 9Отношение толщин радиальные деформации для 800 12,5/12,5 мм двуслойного цилиндра Отношение толщин 715/10 мм гидростойки ОКП70 (внутренний Отношение толщин 620/5 мм цилиндр выполнен из стали Предел текучести 5670 МПа 30ХГСА, внешний - из стали 49ХФ), анализ которых позволил Натяг, мм 3сделать следующие выводы.
0,1 0,2 0,3 0,4 0, Все конструкции двуслойных цилиндров, даже с минимальным Рис. 4. Напряжения в слоях двуслойного цинатягом, имеют меньшие радилиндра альные деформации dR4 по сравнению с однослойным цилиндром с теми же параметрами, что благотворно скаНапряжения, МПа Напряжения, МПа зывается на работе уплотнеОтношение толщин 15/10 мм ния, повышая герметичность 0.стойки. Однако у многослой- 0.Длина цилиндра, м 0.ных цилиндров радиальные Натяг 0,104 мм 0.деформации dR3 в несколько Натяг 0,15 мм раз больше по абсолютной Натяг 0,2 мм 0 0.2 0.4 0.6 0.8 -0.величине, чем у однослойНатяг 0,25 мм -0.ных, что требует специальНатяг 0,3 мм -0.ных конструктивных реше- Натяг 0,4 мм -0.Натяг 0,5 мм ний.
-0.Допуск на В целом использование сжатие -0.Серийная двуслойных цилиндров на примере гидростойки крепи Рис. 5. Деформации по длине двуслойного ОКП70 позволяет увеличить цилиндра коэффициент запаса по максимальному зазору в 1,1Ц1,8 раза, а коэффициент запаса прочности довести до 2,78 (против 1,75 для однослойного цилиндра при тех же размерах и металлоёмкости).
Анализ напряжений и деформаций 3-х слойного цилиндра при различных соотношениях толщин слоёв и натягов показывает, что общие закономерности схожи с закономерностями, полученными для двуслойных цилиндров. При увеличении натягов деформационные кривые параллельно смещаются в сторону уменьшения числового значения. При этом, чем выше эффективность обжатия с точки зрения уменьшения деформаций dR4, тем она хуже с точки зрения коэффициента запаса по минимальному зазору ( n ), т. к. деформации сжатия dRmin становятся больше, чем минимальный зазор между поршнем и цилиндром, обусловленный полями их допусков.
Для удовлетворения условий работы гидростойки как по dR4, так и по dRболее предпочтительными являются варианты с наибольшей толщиной внутреннего слоя (15/7,5/7,5 мм) и натягами, не превышающими 0,1 мм (рис. 6).
Использование 4-х слоёв ещё более эффективно с точки зрения коэффициента запаса по максимальному зазору ( n ), который для цилиндра гидростоки 4М1max увеличивается по сравнению с серийной (однослойной) конструкцией в 2,4Ц 50,9 раза при коэффициентах запаса прочности 1,47Ц2,98.
Оценка параметров работы уплотнения в уплотняемом зазоре гидростойки механизированной крепи производилась на осесимметричной параметрической конечно-элементной модели уплотнительного узла. Исходными параметрами для нее являются: геометрические размеры манжетного уплотнения и канавки поршня; уплотняемый зазор, свойства материалов, давление рабочей жидкости.
Поскольку манжетное уплотнение гидростоек изготавливается из малосжимаемой резины, то для описания поведения материала наиболее подходит модель Муни-Ривлина с двумя параметрами.
мм Радиальные деформации, Расчёт ведётся в два этапа: на первом этапе моделируется деформированное состояние манжетного уплотнения после сборки гидроцилиндра (рис. 7); на втором этапе - от воздействия рабочей жидкости в виде распределённой нагрузки.
Для надежного запирания жидкости мягкие уплотняющие детали уплотнения Рис. 6. Напряжения во внутреннем слое и радиальные деформации должны плотно трёхслойного цилиндра крепи 2М1прилегать к сопряженным к ним деталям соединения за счёт предварительного поджатия и прижатия рабочим давлением жидкости. При этом уплотняющие детали должны входить во все неровности механической обработки уплотняемой поверхности и не допускать образования зазора при движении, по которому могла бы происходить утечка жидкости. На основании этого для оценки параметров работы уплотнения предложены к использованию следующие критерии:
коэффициент запаса прочности уплотнения n где max и - max соответственно максимальные и допускаемые эквивалентные напряжения в уплотнении, МПа;
величина выдавливания материала уплотнения в зазор L s, мм.
Ls величина выдавливания, отнесенная к зазору Kз .
максимальное контактное давление уплотнения по уплотняемой max поверхности pк, МПа.
коэффициент запирания рабочей pк жидкости Кзп , где pк - среднее p контактное давление по уплотняемой поверхности, МПа; p - герметизируемое давление рабочей жидкости, МПа.
Значения критериев, рассчитанных с помощью разработанной параметрической модели для манжет различного типа, представлены в табл. 3.
Наиболее полную оценку работы уплотнений в герметизируемом зазоре дает величина выдавливания материала уплотнения в зазор Ls. и выдавливание, отнесённое к зазору Kз.
Оценка работы уплотнения в зазоре между Рис. 7. Деформации и распоршнем и цилиндром с помощью метода пределение напряжений в конечных элементов - процесс трудоёмкий.
манжете после сборки Это связано, в первую очередь, с нелинейностью внешней поверхности уплотнения и связанной с этим дополнительной сложностью создания регулярной сетки конечных элементов, а также с большими деформациями модели (особенно в зазоре), которые уменьшают вероятность сходимости решения.
Таблица Значения критериев работы уплотнений в герметизируемом зазоре Тип Коэф. за- Выдавли- Выдавлива- Макс. кон- Коэф. запирания уплотне- паса проч- вание в ние, отнесён- тактное дав- рабочей жидкония ности зазор ное к зазору ление сти max nзп Lз, мм Kз Kзп pк, МПа ГОСТ 3,1 1,06 4,2 56,7 1,6678-ГОСТ 4,9 0,75 3,0 48,9 0,14896-ГОСТ 3,9 0,63 2,5 57,1 1,6969-С целью устранения этих недостатков была разработана упрощенная модель манжетного уплотнения (рис. 8, а), которая отличается от реальной отсутствием лусиков. Точность результатов по упрощенной модели в области зазора практически не отличается от результатов, полученных на реальной модели, при высоте модели (B_up) не меньшей высоты основного тела манжеты. При этом погрешность в вычислениях составляет около 0,05%.
а б Рис. 8. Упрощённые модели уплотнительного узла гидростойки а) по ГОСТ, б) с армирующей пластиной Разработанная модель позволяет учесть следующие параметры (рис. 8):
геометрические размеры: высоту (B_up), ширину (D_up), радиус закругления уплотнения (R_up), радиус скругления кромки канавки поршня (R_por);
уплотняемый зазор (delta);
свойства материала уплотнения;
давление рабочей жидкости в поршневой полости гидростойки (P).
На основании расчётов по упрощённым моделям установлены основные закономерности и характер поведения манжеты в зазоре:
выдавливание в зазор и эквивалентные напряжения изменяются по линейным зависимостям прямо пропорционально радиусу скругления кромки канавки поршня (R_por), уплотняемому зазору, давлению рабочей жидкости и обратно пропорционально радиусу скругления уплотнения (R_up);
максимальные эквивалентные напряжения находятся в непосредственной близости от кромки канавки поршня (рис. 9);
увеличение высоты приводит к незначительному уменьшению (в пределах 0,001 мм на каждый 1 мм высоты) величины выдавливания в зазор, при этом внутренние напряжения увеличивается (0,1 МПа на 1 мм высоты);
увеличение давления на 10 МПа приводит к росту Рис. 9. НДС величины выдавливания в зазор на 0,1 мм и уплотнения вблизи внутреннего напряжения - на 5 МПа.
зазора Для уменьшения выдавливания манжеты в зазор возможна установка металлической армирующей пластины внутри рабочего тела уплотнения (рис. 8, б).
Модель для такого уплотнения, включает в себя дополнительные параметры:
геометрические параметры пластины и её расположения в уплотнении: расстояние от торца канавки поршня вдоль оси цилиндра(H_pl), расстояние от внутренней стенки цилиндра (M_pl), толщина (B_pl) и длина пластины (L_pl);
свойства материала пластины (E - модуль Юнга, - коэффициент Пуассона).
По результатам исследований работы уплотнения с армирующей пластиной были сформулированы следующие рекомендации по его параметрам:
M_pl (расстояние от стенки гидроцилиндра до пластины) - не более 0,5 мм, так как дальнейшее увеличение этого параметра, приводит к большему выдавливанию в зазор манжетного уплотнения;
Н_pl (расстояние от поршня вдоль оси цилиндра) желательно брать в пределах 0,5Ц0,8 мм. Так же, как и в предыдущем случае, дальнейшее увеличение этого параметра приводит к ухудшению условий работы уплотнения;
B_pl (толщина пластины) - оптимальный вариант этого параметра находится в пределах от 1,4Ц2,5 мм, дальнейшее уменьшение толщины приводит к более высокому выходу материала в зазор. Толщина пластины более 3 мм приводит к разрыву резины.
Установка армирующей пластины по изложенным выше рекомендациям в манжетное уплотнение по ГОСТ 6969-54 при давлении рабочей жидкости 50 МПа и рабочем зазоре 250 мкм позволяет получить следующее:
увеличение максимального контактного давления на 4 %;
уменьшение коэффициент запирания рабочей жидкости на 21 %;
уменьшение выдавливания материала манжеты в зазор на 60 %;
уменьшение коэффициента запаса прочности на 13 % при достаточно большом его абсолютном значении (3,89).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе дано решение актуальной научной задачи по оценке герметичности и работоспособности гидростоек механизированных крепей, что имеет важное значение для научного обоснования и практической реализации повышения эффективности функционирования силовых гидроприводов.
Основные научные результаты и выводы:
1. Получены зависимости радиальных деформаций цилиндров по оси гидростоек, которые увеличиваются по абсолютной величине прямо пропорционально давлению рабочей жидкости и раздвижности.
2. Разработаны критерии оценки деформации цилиндров гидростоек с точки зрения герметичности: коэффициент запаса по максимальному зазору, значение которого варьируется от 1 до 2,27; коэффициент запаса по минимальному зазору, значение которого варьируется от 2,6 до 11,16. В совокупности эти критерии позволяют оценить работоспособность гидростоек при различных нагружениях.
3. Угол установки гидростойки и перекос штока влияют на величину зазора между поршнем и рабочим цилиндром, численное значение которого увеличивается с 280 мкм до 490 мкм (на примере гидростойки М130).
4. Выполнение цилиндров многослойными влияет на величину их радиальных деформаций и коэффициента запаса прочности. У двуслойных цилиндров коэффициент запаса по максимальному зазору изменяется с 1,78 до 3,19, а коэффициент запаса прочности с 1,75 до 2,78. У трехслойных цилиндров коэффициент запаса по максимальному зазору изменяется с 2,05 до 11,67, а коэффициент запаса прочности с 2,24 до 3,29. У четырехслойных цилиндров коэффициент запаса по максимальному зазору изменяется с 2,34 до 119,05, а коэффициент запаса прочности с 1,68 до 2,93.
5. Разработаны критерии, характеризующие работу уплотнения и расчетным путем установлены их значения для трех типов уплотнений: коэффициент запаса прочности, принимает значения от 3,1 до 4,9; максимальное контактное давление, принимает значения от 48,9 до 57,1 МПа; коэффициент запирания рабочей жидкости, принимает значения от 0,97 до 1,14; выдавливание в зазор, принимает значения от 0,63 мм до 1,06 мм; выдавливание в зазор, отнесённое к величине зазора, принимает значения от 2,5 до 4,2.
6. Установлены основные закономерности и характер поведения манжеты в зазоре: выдавливание в зазор и эквивалентные напряжения изменяются по линейным зависимостям прямо пропорционально радиусу скругления кромки канавки поршня, уплотняемому зазору, давлению рабочей жидкости и обратно пропорционально радиусу скругления уплотнения; максимальные напряжения находятся в непосредственной близости от кромки канавки поршня.
7. Установка армирующей пластины по разработанным рекомендациям положительно влияет на работу уплотнения и позволяет уменьшить выдавливание материала манжеты в зазор и увеличить максимальные контактные давления при сохранении запаса прочности.
Основное содержание диссертации отражено в следующих основных работах:
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Буялич, Г. Д. Влияние размерности модели на расчёт параметров цилиндров гидростоек / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Вестник Кузбасского государственного технического ун-та. - Кемерово, 2004. - № 5. - С. 42Ц44.
2. Воеводин, В. В. К вопросу определения контактного давления в уплотнительных узлах / В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - Кемерово, 2004. - № 6.1. - С. 58Ц59.
3. Буялич, К. Г. Критерии оценки качества работы уплотнения гидростойки механизированной крепи // Горное оборудование и электромеханика. - 2009. - № 5. - С. 8Ц10.
4. Александров, Б. А. Влияние геометрических параметров уплотнительного узла на величину выдавливания в зазор / Б. А. Александров, К. Г. Буялич // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал).
Ц 2010. - Отд. вып. 3 : Горное машиностроение. - С. 88Ц92.
5. Влияние параметров цилиндра гидростойки на частоту его собственных колебаний / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич, А. В. Михайлова // Горное оборудование и электромеханика. - 2011. - № 1. - С. 26Ц30.
6. Буялич, Г. Д. Оценка точности конечно-элементной модели рабочего цилиндра гидростойки крепи / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2011.
Ц Отд. вып. 2 : Горное машиностроение. - С. 203Ц206.
Статьи в прочих изданиях 7. Буялич, Г. Д. Определение безопасных режимов работы шахтных гидростоек / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах : материалы IV Междунар. науч.практ. конф., 21Ц23 нояб. 2000 г. - Кемерово : КузГТУ, 2000. - С. 126.
8. Буялич, Г. Д. Оценка герметичности гидростоек механизированных крепей / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Динамика и прочность горных машин : сб. тр. II Междунар. конф., 28Ц29 мая. - Новосибирск : Ин-т горного дела СО РАН, 2003. - Т. 2. - С. 86Ц88.
9. Буялич, Г. Д. Расчёт на прочность гидравлического домкрата с учётом перекоса штока / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Творчество молодых в науке и образовании : тез. интернет-конф. / под ред. Н. И. Гданского [и др.] - М. : Моск. гос. ун-т инженерной экологии, 2003. - Ч. 1. - С. 59Ц62.
10. Буялич, К. Г. Расчёт манжеты для уплотнения поршня силового гидроцилиндра // Информационные недра Кузбасса : тр. III регион. науч.-практич.
конф. - Кемерово : Кемер. гос. ун-т, 2004. - С. 268Ц269.
11. Воеводин, В. В. Контактное давление в уплотнительном узле гидростойки механизированной крепи / В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2004 : материалы X Междунар.
науч.-практич. конф. - Кемерово : ГУ Кузбас. гос. техн. ун-т, 2004. - С. 219Ц220.
12. Буялич, Г. Д. Определение рациональных геометрических размеров цилиндров гидростоек / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2004 : материалы X Междунар.
науч.-практ. конф. - Кемерово : ГУ Кузбас. гос. техн. ун-т, 2004. - С. 227Ц229.
13. Буялич, К. Г. Методы исследования свойств эластичных материалов // Информационные недра Кузбасса : тр. IV Всерос. науч.-практич. конф., Кемерово, 3Ц4 февр. 2005 г. - Кемерово : ГУ ВПО Кемер. гос. ун-т, 2005. - С. 191Ц192.
14. Буялич, К. Г. Параметрическая модель уплотнительного узла гидростойки механизированной крепи М130 / К. Г. Буялич, Б. А. Александров // Сборник лучших докладов студентов и аспирантов Кузбасского государственного технического университета по результатам юбилейной 50-й научно-практической конференции, ГУ КузГТУ, 18Ц23 апр. 2005. - Кемерово, 2005. - С. 87Ц89.
15. Буялич, К. Г. О моделировании резиноподобных материалов методом конечных элементов // Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах : материалы VI Междунар. науч.-практ. конф. - Кемерово : Кузбас. гос.
техн. ун-т, 2005. - С. 234Ц235.
16. Буялич, Г. Д. Особенности построения модели гидростойки при её расчётах на герметичность / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах : материалы VI Междунар. науч.-практ. конф. - Кемерово : Кузбас. гос. техн. ун-т, 2005. - С. 246Ц247.
17. Буялич, К. Г. Определение напряжённо-деформированного состояния уплотнительного узла гидростойки механизированной крепи М130 // Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений : материалы IV Российско-Китайского симпозиума. - Кемерово, 2006. - С. 145-146.
18. Буялич, К. Г. О разработке методики оценки прочности резиновых уплотнений // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2006 :
материалы XI Междунар. науч.-практич. конф. - Кемерово, 2006. - С. 208Ц209.
19. Буялич, Г. Д. Влияние формы конечных элементов на точность расчётов цилиндров гидростоек / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2006 : материалы XI Междунар. науч.-практ. конф. - Кемерово, 2006. - С. 245.
20. Буялич, К. Г. Определение коэффициентов модели Mooney-Rivlin экспериментальным путем // Инновационные технологии и экономика в машиностроении : тр. V Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием, Юрга, 14Цсент. 2007 г. - Томск : Изд-во ТПУ, 2007. - С. 191Ц194.
21. Буялич, Г. Д. Результаты расчетов цилиндра с различными типами конечных элементов / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Вестник Кузбасского государственного технического ун-та. - Кемерово, 2007. - № 6. - С. 20Ц21.
22. Буялич, Г. Д. Выбор типа конечных элементов при расчёте гидростоек / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Инновационные технологии и экономика в машиностроении : тр. VI Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием, г. Юрга, 15Ц16 мая 2008 г. - Томск : Изд-во ТПУ, 2008. - С. 443Ц446.
23. Пат. 76072 РФ, МПК E 21 D 15/44 (2006.01). Гидравлическая стойка шахтной крепи / Буялич Г. Д., Антонов Ю. А., Буялич К. Г., Воеводин В. В. ;ГУ КузГТУ. - № 2008115571/22 ; заявл. 21.04.08 ; опубл. 10.09.08, Бюл. № 25. - 6 с.
24. Буялич, К. Г. Критерии оценки работоспособности силовых гидроцилиндров // Динамика, надежность и долговечность механических и биомеханических систем и элементов их конструкций : материалы междунар. науч.-техн. конф.
Ц Севастополь : Изд-во СевНТУ, 2008. - С. 419Ц422.
25. Буялич, К. Г. Критерии оценки герметичности гидростоек механизированных крепей // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности : тр. X Междунар. науч.-практ. конф. - Кемерово : ИУУ СО РАН, 2008. - С. 170Ц172.
26. Буялич, К. Г. Построение модели двухслойного рабочего цилиндра шахтных гидравлических стоек // Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики : материалы 4-й Междунар. конф. по проблемам горн. пром-ти, строительства и энергетики, Тула, 27Ц31 окт. 2008 / под общ. ред. Р. А. Ковалёва. - Тула : ТГУ, 2008. - С. 75Ц78.
27. Александров, Б. А. Радиальные деформации трёхслойного цилиндра шахтных гидравлических стоек / Б. А. Александров, К. Г. Буялич // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2008 : материалы XII Междунар.
науч.-практ. конф. - Кемерово : ГУ КузГТУ, 2008. - С. 232Ц233.
28. Александров, Б. А. Влияние параметров уплотняющего элемента на перекрытие зазора / Б. А. Александров, К. Г. Буялич // Инновационные технологии и экономика в машиностроении : тр. VII Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием, Юрга, 21-22 мая 2009. - Томск : Изд-во ТПУ, 2009. - С. 623Ц626.
29. Пат. 89611 РФ, МПК E 21 D 15/44 (2006.01). Гидравлическая стойка шахтной крепи / Буялич Г. Д., Антонов Ю. А., Буялич К. Г., Воеводин В. В. ; ГУ КузГТУ. - № 2009129020/22 ; заявл. 27.07.09 ; опубл. 10.12.09, Бюл. № 34. - 5 с.
30. Буялич, Г. Д. Определение количества элементов модели по толщине стенки силового гидроцилиндра / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Инновационные технологии и экономика в машиностроении : сб. тр. Междунар.
науч.-практ. конф. с элементами науч. шк. для молодых ученых, Юрга, 20Ц21 мая 2010 г. - Томск : Изд-во ТПУ, 2010. - С. 516Ц518.
31. Буялич, Г. Д. Параметрическая модель двухслойного гидроцилиндра / Г. Д. Буялич, А. В. Михайлова, К. Г. Буялич // Инновационные технологии и экономика в машиностроении : сб. тр. II Междунар. науч.-практ. конф. с элементами науч. шк. для молодых ученых, Юрга, 19Ц20 мая 2011 г. - Томск : Изд-во ТПУ, 2011. - С. 580Ц581.
32. Параметрическая модель двухслойного гидроцилиндра для прочностного анализа / Г. Д. Буялич, А. В. Михайлова, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Перспектива развития Прокопьевско-Киселевского угольного района как составная часть комплексного инновационного плана моногородов : сб. тр. III Междунар.
науч.-практ. конф., 30 марта 2011 г. - Прокопьевск, 2011. - С. 222Ц223.
33. Буялич, К. Г. Исследование деформаций двуслойного цилиндра гидростойки крепи 2ОКП70Б // Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах : материалы IX Междунар. науч.-практ. конф., Кемерово, 22Ц23 нояб. 2011 г. - Кемерово : КузГТУ, 2011. - С. 39Ц41.
34. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ 20086145РФ. Упрощенная параметрическая модель работы уплотнения поршня в зазоре / Буялич Г. Д., Воеводин В. В., Буялич К. Г. ; ГУ КузГТУ. - № 2008613516 ; заявл.
28.06.08 ; зарегистр. 22.09.08. - 7 с.
35. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ 20086146РФ. Параметрическая модель рабочего цилиндра гидростойки / Буялич Г. Д., Воеводин В. В., Буялич К. Г. ; ГУ КузГТУ. - № 2008613517 ; заявл. 28.06.08 ; зарегистр. 26.09.08. - 5 с.
36. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ 20126113РФ. Параметрическая модель двуслойного цилиндра гидростойки крепи М144 / Буялич Г. Д., Воеводин В. В., Буялич К. Г., Михайлова А. В. ; правообладатель Федер. гос. бюджет. образоват. учреждение высш. профессион. образования Кузбас. гос. техн. ун-т (КузГТУ). - № 2011619201 ; заявл. 02.12.11 ; зарегистр.
01.02.12. - 11 с.
Подписано в печать ____________ Формат 60x84/16.
Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе.
Уч. - изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ_______ КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Типография КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям