Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

АВТОПРОЕКТИРОВАНИЕ ГОРНЫХ МАШИН В 3D: ПРОЕКТНО-МОДЕЛЬНЫЙ ПОДХОД

Бейсембаев К. М., Жолдыбаева Г. С., Дёмин В. Ф., Малыбаев Н. С., Шманов М. Н.,

2. Разработка элементов методики проектирования силовых гидроцилиндров

Гидроцилиндры широко применяются в работе горных машин. При этом осуществляют работу при движении штока или сдерживают давление других узлов (стойки механизированных крепей). Выдвижение штоков осуществляется давлением насосой станции, а сдерживание других узлов машины за счёт гидравлического замка, закрывающего рабочую полость гидроцилиндра и открывающегося при достижении предельного давления.

Силовые гидроцилиндры обычно состоят из цилиндра 1 штока с поршнем 2,3 грундбуксы 4 (рис. 2.1). Цилиндр имеет отверстия для нагнетания и слива рабочей жидкости. В зависимости от условий работы могут устанавливаться дополнительные устройства, например, на стойках, удерживаюших давление горных пород кровли, – гидрозамки. При подаче давления в поршневую полость шток выдвигается и рабочая жидкость из штоковой полости вытесняется на слив.

На шток действуют следующие нагрузки: Сила F, направленная по оси штока, в худшем случае она действует с некоторым смещением от оси (вследствие износа проушин или других причин). По поверхности поршня действует давление Р равное рабочему, или давлению срабатывания клапана гидрозамка. По поверхностям скольжения поршня и грундбуксы 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 расчитана исходя из площади дна поршня и давления Р .

По периметру грундбуксы и поршня который скользит по поверхности цилиндра, запрещены перемещения по осям Х и Y, а по площади дна поршня – перемещения по оси Z. Для моделирования действия грундбуксы на шток участок штока, на котором она действует, построен отдельно. Это позволяет выделять его отдельно от остальной поверхности штока для наложения граничных условий.

Рис. 2.1. Схема силового гидроцилиндра

Для цилиндра расчёт производиться при действии гидростатического давления Р, действующего по всей внутренней поверхности, за исключением зоны контакта с поршнем.

Ниже приведены методика и решение указанных задач [2, 4, 5]. Работа производилась программированием в текстовом файле (название предпочтительно 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 ввода в текстовый командный файл shtok.txt.

Порядок работы, рис. 1.2–1.9.

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

/BATCH

WPSTYLE,,,,,,,,0

/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

!Строки выше получены из файла в соответствии с выполнением меню на рис. 2.2.

/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*90 длиной L1350 – L1250 для моделирования действия грундбуксы

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

vglue,all ! склеивание деталей

Vmesh,all ! построение конечноэлементной сетки в свободном режиме

Рис. 2.2. Выбор объёмного статистического решения

Использование этого меню даст при сохранении Log – файла строки для выбора объёмного решения, которые затем 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

Используя команду меню: Read input from shtok.txt и в соответствии с командами файла результатом этого будет шток, показанный на экране (можно и по другому: команды файла скопировать и ввести в командную строку, с нажатием Enter).

Далее работаем в интерактивном режиме с меню, меню видно в центре и левой части рисунков, выполненных как копии экрана (рис. 2.3 а).

Произведено выделение кольца штока, по которому действует ограничение на перемещение по Х и Y, слева после строк Solution-Define Loads можно прочитать – Apple-Structural-Displagment-On Areas, в результате которого на экран выходит меню, позволяющее щелкать по нужным площадям. На рис. 2.3 б показан результат выполнения меню PlotCtrls – Numbering – AREF area numbers, которое позволяет увидеть номера площадей (иногда выделять площади затруднительно и это можно сделать в програмном файле, если знаешь номера площадей). Но сначала надо включить меню Plot – Areas. Точно также можно увидеть и другие элементы (точки, линии) с их номерами.

После выделения нужных площадей и нажатия ОК появится окно, 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 так же устанавливаются ограничения для поверхностей А3, А4 и для дна поршня. Далее устанавливаем со смещением от оси нагрузку на шток. На рис. 2.4 это стрелки.

а

б

Рис. 2.3. Выделение площадей

После выделения точек в окно диалога вводим направление и значение сил FZ, – 900000 (рис. 2.5), и нажимаем Solution-Define Loads-Apple-Structural-Forse/Moment-On Keypoints, что позволяет выделять точки (выделили 4 точки см. стрелки) в появившемся меню указать направление силы Fz и его значение – 900000, ОК.

Рис. 2.4. Номера площадей

Рис. 2.5. Введение парамеров силы

Меню решения справа на рис. 2.6. Sjlution is done показывает, что решение найдено.

На рис. 2.7 картина штока после решения, где указаны зоны закрепления и нагрузки.

Рис. 2.6. Граничные условия

Рис. 2.7. Решение

Смотрим деформацию штока с конечноэлементной сеткой. Эксцентриситет нагрузки вызвал искривление штока (рис. 2.8)

Рис. 2.8. Дефомация

Рис. 2.9. Повышение точности объёмного решения Выводы

Для объёмной задачи напряжения берутся с использованием меню Element Soly.

Рассмотрены сечения вдоль оси штока и перпендикулярно оси (рис. 20–22). Вид напряжений указан на самих рисунках, например SY – это σx.

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 извлечены и перенесены в программный файл нужные строки. Загружаем этот файл, войдя в папку командой Ghange Direktory:

/sol

DA,P51X,UX, ! ограничения накладываемые на смещения поверхностей

FLST,2,2,5,ORDE,2

FITEM,2,25

FITEM,2,-26

!*

/GO

DA,P51X,UY,

FLST,2,2,5,ORDE,2

FITEM,2,3

FITEM,2,-4

/GO

!*

/GO

DA,P51X,UX,

FLST,2,2,5,ORDE,2

FITEM,2,3

FITEM,2,-4

!*

/GO

DA,P51X,UY,

FLST,2,1,5,ORDE,1

FITEM,2,1

!*

/GO

DA,P51X,UZ,

FLST,2,4,3,ORDE,3

FITEM,2,49

FITEM,2,52

FITEM,2,-54

!*

/GO

FK,P51X,FZ,-900000 ! наложение нагрузки

EQSLV,PCG,1E-8 ! для повышения точности объёмного решения

SOLVE

Напомним, что перед использованием команды Solve для получения решения выбираем соответствующую точность решения по меню на рис. 2.9, а команду для командного файла EQSLV,PCG,1E-8 получаем копированием из Log – файла. Для получения картин деформации и напряжений при симметричном, осевом нагружении штока (давление по площади кольцевого сечения штока) внимательно ознакомтесь с меню рис. 2.8, слева. Здесь открыт вид картины деформации, а Nodal Solu откроет возможности через меню Stres увидеть напряжения по осям X, Y, Z, а также эквивалентные напряжении Von Mises Stress, которые используются для расчетов на прочность металлических деталей. Во многих случаях для точного расчета напряжений мы используем программу «График», куда вводим координаты начальной и конечной точек линии, по которой строится график. Код программы вводим в командную строку уже решенной задачи. Это проще, чем использовать меню пакета. Напряженное состояние цилиндра определить самостоятельно.

1. Моделирование зон контакта в районе грундбуксы и поршня выполнено за счет ограничения смещений по их поверхностям, что исходит из логики плотного взаимодействия штока с грундбуксой и поршня с цилиндром, в первом приближении эти смещения приняты нулевыми.

2. Моделирование показало, что такой подход имеет недостатки и в частности мы не зафиксировали существенного искривления штока между грундбуксой и поршнем, в то время когда внешняя часть штока заметно деформировалась.

3. Данную методику следует применять в случаях, когда смещения известны или могут быть рассчитаны для введения величин этих смещений в расчёт. На этапе первичного расчёта следует ограничивать смещения не площадью, а например, средней линией грундбуксы и поршня. В этом случае картина деформаций оси штока близка к реальной. Но в лучшем случае эти зоны должны моделироваться исходя из контактных задач с выделением целевой и контактной поверхностей и возможности их скольжения между собой. В этом случае будут учтены и силы трения, а также рассчитаны деформации зон контакта и неравномерные напряжения по ним. Методика решения с учетом контактных деформаций будет приведена в других разделах.

4. Учёт внецентренного нагружения вполне оправдан, и работа штока принципиально изменяется, однако следует накопить экспериментальные данные о величине эксцентрисистета Е и особенностях его изменения по мере эксплуатации силовых гидроцилиндров.

5. В решении задач со студентами мы использовали возможности осмотра контактых поверхностей гидроцилинров в месте их сопряжения с элементами проушин и опорных пят гидростоек на секциях механизированных крепей в машинном зале кафедры. При этом студентами на основании изучения таких проблем была предложенна методика по определению контактных пятен за счёт установки пакета плёночного материала между контактирующими поверхностями, что позволит выявить возможности внецентренной нагрузки на гидростойки. Для расширения диапазона работ были предложенны схемы безопасного использования оборудования машинного зала для выполнения установочных работ с горными машинами. Размещение учебных и исследовательских материалов решено выполнить в интернет с указанием в учебных пособиях ссылок на материалы.