Анализ работы уплотнений гидростоек механизированных крепей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© Г.Д. Буялич, К.Г. Буялич, 2012

Г.Д. Буялич, К.Г. Буялич

АНАЛИЗ РАБОТЫ УПЛОТНЕНИЙ ГИДРОСТОЕК МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ

Пользуясь методом конечных элементов, установлен характер поведения уплотнений гидростоек механизированных крепей.

Ключевые слова: метод конечных элементов, механизированная крепь, гидростойка, уплотнение.

Оцним из важных условий сохранения работоспособности гидростоек механизированных крепей является качество работы поршневых манжетных уплотнений. Для качественной и количественной оценки работы различных видов манжет по герметизации уплотняемого зазора были разработаны конечно-элементные модели уплотнительного узла, которые учитывают:

• конструкцию, форму, размеры уплотнения и канавки поршня;

• величину уплотняемого зазора между поршнем и рабочим цилиндром;

• свойства материалов уплотнения и трение манжеты о цилиндр;

• давление рабочей жидкости.

Методику и этапы построения конечно-элементных моделей более подробно рассмотрим на манжетном уплотнении, выполненном по ГОСТ 6678-72.

На первом этапе производится построение геометрической модели. Для этого в соответствии с основными размерами строится контур поперечного сечения манжетного уплотнения, используя следующие параметры (рис. 1 и рис. 2):

D1, d1 — внешний и внутренний диаметры по усикам;

D2, d2 — внешний и внутренний диаметры сплошной части;

Ж, Ж — высота по усикам;

R1-R6 — радиусы скруглений;

А, В — ширина сплошной части усиков.

„ Рис. 1. Основные габа-

„ ритные размеры манже-

Рис. 2. Cхема расположения радиусов скруглений (Я) и ширины усиков (А, В) на плоской модели

После построения геометрической модели манжетного уплотнения приступают к разработке конечно-элементной модели.

Для моделирования гиперэластичных свойств резинопо-добных материалов, которые используются в манжетных уплотнениях гидростоек механизированных крепей, использовалась модель материала с функцией распределения плотности энергии напряжений по Муни-Ривлину. а б

а б

Рис. 4. Контактные пары уплотнения по ГОСТ 6678-72: а — «манжета — цилиндр» б — «манжета — канавка поршня»

Карта размеров для сетки конечных элементов строится таким образом, чтобы в зоне выдавливания уплотнения в зазор находилось не менее 3-4 элементов.

Для построения конечно-элементной сетки использовались двумерные четырехузловые элементы с осесимметрич-ными и гиперупругими свойствами (рис. 3).

а б

Рис. 5. Граничные условия конечно-элементной модели манжеты: а — ГОСТ 6678-72; б — ГОСТ 6969-54

а

_ .306351 .612702 .919053 1.225

б

Рис. 6. Контактные давления манжеты по ГОСТ 6678-72 в МПа(а) и деформации манжеты по ГОСТ 6969-54(6) после сборки гидроцилиндра

.012001 1.356 2.701 4.045 5.309

.684156 2.028 3.373 4.717

а

б

5823^ . 144Е+07 .282Е+07 .420Е+07 П ЗЁ+07

747766 .213Е+07 .351Е+07 .48Д+07

Рис. 7. Распределение напряжений в манжете по ГОСТ 6678-72 в МПа (а) и манжете по ГОСТ 6969-54 в Па (б) после предварительной деформации — сборки гидроцилиндра

На последнем этапе создания расчетной модели задаются граничные условия и нагрузки.

С трех сторон манжетное уплотнение граничит со стенками поршня и цилиндра, которые можно считать абсолютно жесткими

а б

Рис. 8. Исходная конечно-элементная модель (а) и ее деформации после сборки гидроцилиндра (6) для манжеты ГОСТ 6678-72

по отношению к уплотнению. Для моделирования такого взаимодействия создаются две контактные пары. Первая - для взаимодействия части уплотнения (контактной поверхности) со стенкой силового гидроцилиндра и частью поршня, которая является абсолютно жесткой ответной поверхностью для манжеты (рис. 4, а). Вторая контактная пара — для контакта манжеты с поршнем (рис. 4, б). Канавка поршня в этом случае является абсолютно жесткой ответной поверхностью. Тип контактного элемента в контактных парах — поверхность с поверхностью.

Нормали контактирующих поверхностей должны быть направлены навстречу друг другу (см. рис. 4). При несоблюдении этого условия сходимость решения по нахождению точки соприкосновения поверхностей резко уменьшается. Наиболее сложным местом нахождения области контакта является область скругления на усике, что связано с нелинейностью геометрии манжетного уплотнения в этой области.

При установке манжеты во время сборки силового гидроцилиндра в ней возникают предварительные напряжения и деформации. Для моделирования этих условий стенка, имитирующая рабочий цилиндр, смещается в горизонтальном направлении

14.522

29.044

43.567

7.261 21.783 36.306 50.828

Рис. 9. Напряжения по Мизесу в МПа (а) и контактные давления в МПа (б) при Р=50 МПа для манжеты ГОСТ 6678-72

а б

Рис. 10. Исходная конечно-элементная модель (а) и ее деформации после сборки гидроцилиндра (б) для манжеты ГОСТ 14896-84

до диаметра D2, а поверхность, которая ограничивает канавку поршня, — до диаметра d2 (см. рис. 1). При этом перемещения происходят навстречу друг другу до нужного зазора между ними. Во всех остальных направлениях перемещения стенки гидроцилиндра и поршня запрещаются. Схема приложения перемещений и граничные условия показаны на рис. 5.

Предварительные деформации манжеты, возникающие при ее взаимодействии с цилиндром и поршнем после сборки гидроцилиндра, представлены на рис. 6 и 7.

Давление рабочей жидкости моделируется в виде распределенной нагрузки, которая воздействует на поверхности манжеты со стороны поршневой полости. Давление прикладывается за несколько шагов, с тем, чтобы улучшить сходимость решения и отследить внутренние деформации манжеты и ее поведение при разных режимах работы гидростойки.

Для упрощения построения конечно элементной модели и автоматизации проведения расчетов была разработана параметрическая модель уплотнительного узла на языке APDL,

учитывающая: высоту ^ и Н1), ширину по усикам C и ширину

14.456 29,345 44.6748 „ „

3,123 20,912 ЗО^ВаЗ £1,345

а

б

Рис. 11. Напряжения по Мизесу в МПа (а) и контактные давления в МПа (б) при Р=50 МПа для манжеты 14896-84

а б

Рис. 12. Исходная конечно-элементная модель (а) и ее деформации после сборки гидроцилиндра (б) для манжеты ГОСТ 6969-54

а б

Рис. 13. Напряжения по Мизесу в Па (а) и контактные давления в Па (б) при Р=50 МПа для манжеты ГОСТ 6969-54

сплошной части (Ь) манжеты (см. рис. 1); ширину усиков ^ и B) и радиусы скругления ^1, R2, R3, R4, R5, R6) манжеты (см. рис. 2); материалы манжеты и цилиндра, давление в поршневой полости зазор между поршнем и внутренней стенкой гидроцилиндра.

Результаты расчетов деформаций, напряжений и контактных давлений в уплотнительном узле приведены на рис. 8-13.

Комплексно оценить работу уплотнения в герметизируемом зазоре можно оценить с помощью специальных критериев, числовые значения которых для рассмотренных типов манжет находятся в следующих диапазонах:

• коэффициент запаса прочности - от 3,1 до 4,9;

• коэффициент запирания рабочей жидкости [1]- от 0,97 до 1,14;

• максимальное контактное давление — от 48,9 до 57,1 МПа;

• выдавливание в зазор - от 0,63 мм до 1,06 мм

• выдавливание, отнесенное к зазору — от 2,6 до 4,2.

Анализ приведенных на рисунках распределений напряжений и деформаций, а также анализ полученных числовых значений критериев показал, что по характеру запирания рабочей жидкости и поведения в зазоре между рабочим цилиндром и поршнем лучшие показатели из числа рассмотренных уплотнений имеет уплотнение, выполненное в соответствии с ГОСТ 6969-54.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Макаров Г.В. Уплотнительные устройства [Текст] / Г. В. Макаров. — М., Л. : Машиностроение, 1965. —200 с. вгсга

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Буялич Геннадий Даниилович — доктор технических наук, профессор Юр-гинского технологического института (филиала) Национального исследовательского Томского политехнического университета, профессор Кузбасского государственного технического университета имени Т.Ф. Горбачева gdb@kuzstu.ru,

Буялич Константин Геннадьевич — кандидат технических наук, старший преподаватель Кузбасского государственного технического университета имени Т.Ф. Горбачева, bkg@kuzstu.ru