Оценка параметров герметичности гидростоек механизированных крепей
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 обра зования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева» по адресу:
650026, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.
Факс (384-2) 36-16-87. E-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государ ственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессио нального образования «Кузбасский государственный технический универси тет 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 фак торы накладывают повышенные требования к надёжности работы КМЗ.
Исследованиями работы механизированных крепей в различных условиях (КузНИУИ) было уставлено, что одной из основных причин простоев КМЗ явля ются отказы гидрооборудования крепи из-за потери герметичности, при этом из этих отказов 31 % приходится на гидростойки, а 23 % - на другие силовые гидро домкраты. В структуре отказов из-за потери герметичности гидростоек 58 % отка зов 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 ра боты комплексов, но и экономические потери.
Существующие методики расчёта параметров гидростоек механизирован ных 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 наруша ющих нормальную эксплуатацию уплотнений.
Несмотря на большое количество исследований, посвящённых работе гид ростоек механизированных крепей, вопросы их герметичности в различных усло виях нагружения являются недостаточно изученными.
Кроме того, для уменьшения радиальных деформаций рабочих цилиндров и улучшения работы в них манжетных уплотнений предлагаются различные тех нические 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 образова ния и науки РФ (2002–2004 гг.), Федерального агентства по образованию РФ (2005–2010 гг.) и Министерства образования и науки РФ, а также по договору с ЗАО «Распадская» (2006 г.).
Цель работы – оценка параметров герметичности гидростоек механизиро ванных крепей.
Идея работы – использовать для оценки герметичности гидростоек вели чину 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 мате риала и давления рабочей жидкости.
3. Обосновать технические предложения для совершенствования гидросто ек 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, раз мерами 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 реко мендаций подтверждаются: корректным использованием метода конечных эле ментов и выбранных моделей поведения материалов, широко апробированных при решении других задач;
обоснованностью принятых элементов и параметров сетки конечных элементов в используемых моделях, позволяющих получить по грешность вычислений по отношению к теоретическим расчетам при определении радиальных деформаций до 3,2 % и при определении напряжений – до 5–8 %, в зависимости от размерности моделей;
относительной погрешностью результатов расчета уплотнений по упрощенным моделям до 0,05 %;
сопоставимостью ре зультатов 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.
Личный 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 рабо ту в этом зазоре уплотнений с различными параметрами.
Практическая ценность заключается в разработке моделей для определе ния НДС рабочих цилиндров и манжетных уплотнений гидростоек механизиро ванных 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 доклады вались и получили одобрение на: IV, VI–IX Междунар. науч.-практ. конф. «Без опасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» («Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регио нах»)(г. Кемерово, 2000, 2005, 2007, 2009, 2011);
I–III регион., IV Всерос. науч. практ. конф. «Информационные недра Кузбасса» (г. Кемерово, 2001, 2003–2005);
II Междунар. науч. конф. «Динамика и прочность горных машин» (г. Новосибирск, 2003);
X–XII Междунар. науч.-практ. конф. «Природные и ин теллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс» (г. Кемерово, 2004, 2006, 2008);
V– VII Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием и I–II Междунар. науч. практ. конф. «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (г. Юрга, 2007–2011);
интернет-конф. «Творчество молодых в науке и образова нии» (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 кон струкций» (г. Севастополь, 2008), X Междунар. науч.-практ. конф. «Энергетиче ская безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленно сти» (г. Кемерово, 2008), 4-й Междунар. конф. по проблемам горн. пром-ти, стро ительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2008), III Между нар. науч.-практ. конф. «Перспектива развития Прокопьевско-Киселёвского угольного района как составная часть комплексного инновационного плана моно городов» (г. Прокопьевск, 2011), ежегодных науч. конф. студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава Кузбасского государственного техни ческого ун-та (г. Кемерово, 2000–2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 печатных работ, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 патента на полезные мо дели 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 раз личных режимах нагружения внесли такие ученые, как Александров Б. А., Бала бышко 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 исследова ния 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 па раметров герметичности механизированных крепей был обоснован и выбран ме тод конечных элементов. Данный метод позволяет определить зазор между рабо чим 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 рас чётах 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 даль нейшее увеличение их количества существенно не влияет на погрешность вычис лений.
Для определения радиальных деформаций цилиндров различных гидрав лических стоек механизированных крепей разработана параметрическая конечно элементная модель цилиндра с регулярной сеткой. Такая сетка увеличивает точ ность полученных результатов и сокращает время на решение. Исходными пара метрами для модели являются: размеры цилиндра (длина, толщина стенки и дни ща, внутренний диаметр), раздвижность стойки, давление в поршневой полости, свойства материала. Для описания материала цилиндра использовалась модель билинейного кинематического упрочнения с параметрами: секущий и касатель ный модули упругости, предел упругости, коэффициент Пуассона, плотность.
С помощью данной модели рассчитаны радиальные деформации по длине цилиндра при различных раздвижностях для гидростоек некоторых механизиро ванных крепей (табл. 1). Установлено, что абсолютные значения радиальных де формаций 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, М130 0,045 0,047 0,066 0,069 0,093 0, М138 0,045 0,051 0,063 0,080 0,088 0, М142 0,040 0,047 0,062 0,073 0,087 0, М145 0,049 0,044 0,081 0,069 0,114 0, JOY 0,042 0,043 0,066 0,068 0,099 0, Glinik 0,088 0,095 0,138 0,150 0,193 0, Для оценки работоспособности гидростоек предложены критерии, число вые 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 едини 0, цы n max, где 0,3 – критические деформации цилиндра (Шубин В.Ф.), мм;
2 dR min коэффициент запаса по минимальному допуску n min, числовое ( 2 dR3 ) значение которого должно быть либо больше единицы (в подавляющем большин стве случаев), либо отрицательным, где min – минимальный зазор между порш нем 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 max 2,34 2,27 2,38 2,42 1,85 2,27 1, n min 9,54 8,74 1168,22 10,73 4,90 5,68 3, Раздвижность lр=lр max n max 2,27 2,17 1,88 2,05 2,17 2,21 1, n min 6,49 6,22 11,16 10,33 4,72 4,56 2, Уплотняемый зазор между порш нем 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 вышеописан- гидростойки М130 под нагрузкой ной модели расчетов смещения (dx) с учётом перекоса штока внутренних стенок рабочего ци линдра (1 и 3) гидростойки кре пи М130 по его длине (lц) при номинальном рабочем сопро тивлении, нулевом угле уста новки, максимальной раздвиж ности и заделке опоры цилин дра. Смещение оси симметрии изображено пунктиром (2).
При этом первоначальный максимально возможный зазор в области уплотнения, определяе мый полями допусков цилиндра и поршня (280 мкм), увеличива ется под нагрузкой до 490 мкм, что необходимо учитывать при Рис. 3. Параметрическая модель двуслойного проектировании уплотняемого рабочего цилиндра узла.
Для уменьшения Максимальные напряжения во внутреннем цилиндре, при Р=50 МПа радиальных деформаций рассмотрено использование 500 Отношение толщ ин многослойности в цилиндрах. 10/15 мм Отношение толщ ин Напряжения, МПа При исследовании НДС таких 12,5/12,5 мм Отношение толщ ин цилиндров использовалась 15/10 мм параметрическая конечно- Отношение толщ ин 20/5 мм элементная модель (рис. 3), в ко- Предел текучести 490 МПа торой расчёт проводится в два шага: сначала рассчитывается Натяг, мм 0,1 0,2 0,3 0,4 0, НДС от натяга, а затем – от дав ления жидкости. Максимальные напряжения в наружном цилиндре, при Р=50 МПа На рис. 4 и 5 представлены полученные напряжения и Отношение толщ ин 10/15 мм радиальные деформации для Отношение толщ ин Напряжения, МПа 800 12,5/12,5 мм двуслойного цилиндра Отношение толщ ин гидростойки ОКП70 (внутренний 15/10 мм Отношение толщ ин цилиндр выполнен из стали 600 20/5 мм Предел текучести 30ХГСА, внешний – из стали 670 МПа 9ХФ), анализ которых позволил сделать следующие выводы. Натяг, мм 0,1 0,2 0,3 0,4 0, Все конструкции двуслойных цилиндров, даже с минимальным Рис. 4. Напряжения в слоях двуслойного ци натягом, имеют меньшие ради- линдра альные деформации dR4 по срав нению с однослойным цилиндром с теми же параметрами, что благотворно ска зывается на работе уплотне- Отношение толщин 15/10 мм ния, повышая герметичность 0. стойки. Однако у многослой- 0.15 Длина цилиндра, м ных цилиндров радиальные 0. Радиальные деформации, Натяг 0,104 мм деформации dR3 в несколько 0. Натяг 0,15 мм раз больше по абсолютной Натяг 0,2 мм -0.05 0 0.2 0.4 0.6 0.8 величине, чем у однослой мм Натяг 0,25 мм ных, что требует специаль- -0. Натяг 0,3 мм ных конструктивных реше- -0.15 Натяг 0,4 мм ний. -0.2 Натяг 0,5 мм -0. В целом использование Допуск на сжатие -0. двуслойных цилиндров на Серийная примере гидростойки крепи Рис. 5. Деформации по длине двуслойного ОКП70 позволяет увеличить цилиндра коэффициент запаса по мак симальному зазору в 1,1–1,8 раза, а коэффициент запаса прочности довести до 2,78 (против 1,75 для однослойного цилиндра при тех же размерах и металлоём кости).
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 уве личении 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 коэффи циента запаса по минимальному зазору ( n min ), т. к. деформации «сжатия» dR становятся больше, чем минимальный зазор между поршнем и цилиндром, обу словленный полями их допусков.
Для удовлетворения условий работы гидростойки как по dR4, так и по dR более предпочтительными являются варианты с наибольшей толщиной внутрен него 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 max ), который для цилиндра гидростоки 4М увеличивается по сравнению с серийной (однослойной) конструкцией в 2,4– 50,9 раза при коэффициентах запаса прочности 1,47–2,98.
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.
Расчёт ведётся в два этапа: на первом этапе моделируется деформирован ное 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 2М прилегать 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.
L величина выдавливания, отнесенная к зазору K з s.
максимальное контактное давление уплотнения по уплотняемой поверхности pк, МПа.
max коэффициент запирания рабочей p жидкости К зп к, где p к – среднее p контактное давление по уплотняемой поверхности, МПа;
p – герметизируемое давление рабочей жидкости, МПа.
Значения критериев, рассчитанных с по мощью разработанной параметрической моде ли 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 рас пределение напряжений в поршнем и цилиндром с помощью метода 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 жидко ния ности зазор ное к зазору ление сти Lз, мм pк, МПа max nзп Kз Kзп 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 «усиков». 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 зако номерности 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 уплотне нии: расстояние от торца канавки поршня вдоль оси цилиндра(H_pl), расстоя ние 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 0,5–0,8 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 1,4–2,5 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 гид ростоек, которые увеличиваются по абсолютной величине прямо пропорциональ но 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 поз воляют 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 увеличива ется с 280 мкм до 490 мкм (на примере гидростойки М130).
4. Выполнение цилиндров многослойными влияет на величину их радиаль ных деформаций и коэффициента запаса прочности. У двуслойных цилиндров ко эффициент запаса по максимальному зазору изменяется с 1,78 до 3,19, а коэффи циент 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 прочно сти с 1,68 до 2,93.
5. Разработаны критерии, характеризующие работу уплотнения и расчет ным 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 рабо чей жидкости, принимает значения от 0,97 до 1,14;
выдавливание в зазор, прини мает значения от 0,63 мм до 1,06 мм;
выдавливание в зазор, отнесённое к вели чине 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 линей ным зависимостям прямо пропорционально радиусу скругления кромки канавки поршня, уплотняемому зазору, давлению рабочей жидкости и обратно пропорци онально радиусу скругления уплотнения;
максимальные напряжения находятся в непосредственной близости от кромки канавки поршня.
7. Установка армирующей пластины по разработанным рекомендациям по ложительно 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 цилин дров гидростоек / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Вестник Кузбас ского государственного технического ун-та. – Кемерово, 2004. – № 5. – С. 42–44.
2. Воеводин, В. В. К вопросу определения контактного давления в уплотни тельных узлах / В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Вестник Кузбасского государ ственного технического университета. – Кемерово, 2004. – № 6.1. – С. 58–59.
3. Буялич, К. Г. Критерии оценки качества работы уплотнения гидростойки механизированной крепи // Горное оборудование и электромеханика. – 2009. – № 5. – С. 8–10.
4. Александров, Б. А. Влияние геометрических параметров уплотнительно го узла на величину выдавливания в зазор / Б. А. Александров, К. Г. Буялич // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал).
– 2010. – Отд. вып. 3 : Горное машиностроение. – С. 88–92.
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. 26–30.
6. Буялич, Г. Д. Оценка точности конечно-элементной модели рабочего ци линдра гидростойки крепи / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). – 2011.
– Отд. вып. 2 : Горное машиностроение. – С. 203–206.
Статьи в прочих изданиях 7. Буялич, Г. Д. Определение безопасных режимов работы шахтных гид ростоек / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Безопасность жизнедея тельности предприятий в угольных регионах : материалы IV Междунар. науч. практ. конф., 21–23 нояб. 2000 г. – Кемерово : КузГТУ, 2000. – С. 126.
8. Буялич, Г. Д. Оценка герметичности гидростоек механизированных кре пей / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Динамика и прочность горных машин : сб. тр. II Междунар. конф., 28–29 мая. – Новосибирск : Ин-т горного дела СО РАН, 2003. – Т. 2. – С. 86–88.
9. Буялич, Г. Д. Расчёт на прочность гидравлического домкрата с учётом перекоса штока / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Творчество моло дых 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. 59–62.
10. Буялич, К. Г. Расчёт манжеты для уплотнения поршня силового гид роцилиндра // Информационные недра Кузбасса : тр. III регион. науч.-практич.
конф. – Кемерово : Кемер. гос. ун-т, 2004. – С. 268–269.
11. Воеводин, В. В. Контактное давление в уплотнительном узле гидро стойки 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. 219–220.
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. 227–229.
13. Буялич, К. Г. Методы исследования свойств эластичных материалов // Информационные недра Кузбасса : тр. IV Всерос. науч.-практич. конф., Кемерово, 3–4 февр. 2005 г. – Кемерово : ГУ ВПО «Кемер. гос. ун-т», 2005. – С. 191–192.
14. Буялич, К. Г. Параметрическая модель уплотнительного узла гидро стойки механизированной крепи М130 / К. Г. Буялич, Б. А. Александров // Сбор ник лучших докладов студентов и аспирантов Кузбасского государственного тех нического университета по результатам юбилейной 50-й научно-практической конференции, ГУ КузГТУ, 18–23 апр. 2005. – Кемерово, 2005. – С. 87–89.
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. 234–235.
Буялич, Г. Д. Особенности построения модели гидростойки при её 16.
расчётах на герметичность / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Безопас ность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах : материалы VI Меж дунар. науч.-практ. конф. – Кемерово : Кузбас. гос. техн. ун-т, 2005. – С. 246–247.
17. Буялич, К. Г. Определение напряжённо-деформированного состояния уплотнительного узла гидростойки механизированной крепи М130 // Строитель ство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений : матери алы 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. 208–209.
19. Буялич, Г. Д. Влияние формы конечных элементов на точность расчё тов цилиндров гидростоек / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Природ ные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2006 : материалы XI Меж дунар. науч.-практ. конф. – Кемерово, 2006. – С. 245.
20. Буялич, К. Г. Определение коэффициентов модели Mooney-Rivlin экс периментальным путем // Инновационные технологии и экономика в машино строении : тр. V Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием, Юрга, 14– сент. 2007 г. – Томск : Изд-во ТПУ, 2007. – С. 191–194.
21. Буялич, Г. Д. Результаты расчетов цилиндра с различными типами ко нечных элементов / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Вестник Кузбас ского государственного технического ун-та. – Кемерово, 2007. – № 6. – С. 20–21.
22. Буялич, Г. Д. Выбор типа конечных элементов при расчёте гидростоек / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Инновационные технологии и эко номика в машиностроении : тр. VI Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участи ем, г. Юрга, 15–16 мая 2008 г. – Томск : Изд-во ТПУ, 2008. – С. 443–446.
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 гидроци линдров // Динамика, надежность и долговечность механических и биомеханиче ских систем и элементов их конструкций : материалы междунар. науч.-техн. конф.
– Севастополь : Изд-во СевНТУ, 2008. – С. 419–422.
25. Буялич, К. Г. Критерии оценки герметичности гидростоек механизи рованных крепей // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к разви тию угольной промышленности : тр. X Междунар. науч.-практ. конф. – Кемерово : ИУУ СО РАН, 2008. – С. 170–172.
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, 27–31 окт. 2008 / под общ. ред. Р. А. Ковалёва. – Тула : ТГУ, 2008. – С. 75–78.
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. 232–233.
28. Александров, Б. А. Влияние параметров уплотняющего элемента на перекрытие зазора / Б. А. Александров, К. Г. Буялич // Инновационные техноло гии и экономика в машиностроении : тр. VII Всерос. науч.-практ. конф. с между нар. участием, Юрга, 21-22 мая 2009. – Томск : Изд-во ТПУ, 2009. – С. 623–626.
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, 20–21 мая 2010 г. – Томск : Изд-во ТПУ, 2010. – С. 516–518.
31. Буялич, Г. Д. Параметрическая модель двухслойного гидроцилиндра / Г. Д. Буялич, А. В. Михайлова, К. Г. Буялич // Инновационные технологии и эко номика в машиностроении : сб. тр. II Междунар. науч.-практ. конф. с элементами науч. шк. для молодых ученых, Юрга, 19–20 мая 2011 г. – Томск : Изд-во ТПУ, 2011. – С. 580–581.
32. Параметрическая модель двухслойного гидроцилиндра для прочност ного анализа / Г. Д. Буялич, А. В. Михайлова, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Пер спектива 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. 222–223.
33. Буялич, К. Г. Исследование деформаций двуслойного цилиндра гид ростойки крепи 2ОКП70Б // Безопасность жизнедеятельности предприятий в про мышленно развитых регионах : материалы IX Междунар. науч.-практ. конф., Ке мерово, 22–23 нояб. 2011 г. – Кемерово : КузГТУ, 2011. – С. 39–41.
34. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ РФ. 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 РФ. Параметрическая модель рабочего цилиндра гидростойки / Буялич Г. Д., Вое водин В. В., Буялич К. Г. ;
ГУ КузГТУ. – № 2008613517 ;
заявл. 28.06.08 ;
заре гистр. 26.09.08. – 5 с.
36. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ РФ. 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.