CC BY
25
УДК 539.413:622.284.54 О.В. Белянкина
ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ СТОЙКИ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Рассмотрены вопросы контактного взаимодействия рабочих поверхностей гидростойки механизированной крепи. Параметры контактного взаимодействия определяются методом конечных элементов с использованием программного комплекса БоЫ-Шо^СОБМОБШо^. Результаты моделирования напряженного состояния гидростойки на ЭВМ позволяют обосновывать и назначать ее конструктивные параметры.
Семинар № 19
ЖЭ состав современных меха--я-3 низированных комплексов для добычи угля входит значительное количество гидростоек (стоек). Стойка находится в сложном деформированном состоянии, подвергаясь внецентровому сжатию, поперечному и продольному изгибу. Из-за наличия зазоров в соединениях и эксцентрично приложенной внешней нагрузки возникает перекос штока относительно цилиндра. Характер перекоса зависит от конструктивных параметров стойки и зазоров в соединениях, а также от деформаций поверхностей под действием нагрузок. В результате в местах контакта поршня с цилиндром и штока с грундбуксой возникают значительные контактные напряжения, которые не учитываются при расчетах по действующему отраслевому стандарту [1]. Поэтому оценку напряженного состояния стойки в зависимости от ее конструктивных параметров, действующих нагрузок и величины зазоров в соединениях предложено проводить с использованием метода конечных элементов.
Для моделирования напряженного состояния стойки использован программный комплекс SoHdWorks-COSMOSWorks [2]. Предварительно была разработана технология создания
твердотельной модели стоики и проведена настройка конечно-элементного комплекса в соответствии с действующими на стойку нагрузками. Основные конструктивные параметры, включенные в модель (рис. 1): наружный ^ц) и внутренний ^ц) диаметр цилиндра, диаметр поршня ^п), диаметр штока ^шт), наружный фгр) и внутренний (гїгр) диаметр грундбуксы, длина цилиндра (1ц), длина штока (1шт) и поршня (1п), длина грундбуксы (1гр), радиусы опорных элементов (го), зазоры в соединениях “цилиндр-поршень” и “грундбукса-
шток” (а), осевой зазор между грун-дбуксой и поршнем (Ъ). Исходные данные для расчета твердотельной модели стойки: рабочее расчетное сопротивление стойки ^), эксцентриситет приложения нагрузки на опорах стойки (е0), давление рабочей жидкости ^), ограничения на перемещение опор. При этом давление рабочей жидкости действует на стенку цилиндра, торцевую плоскость поршня и дно внутри цилиндра. Ограничения на перемещения верхней опоры не накладываются, а для нижней опоры запрещены перемещения по всем осям и вращение вокруг них. Сверху
а б
Рис. 1. Основные конструктивные параметры стойки: а - конструктивные параметры включенные в модель; б - зазоры в соединениях “цилиндр-поршень”, “грундбукса-шток”
Материал
Выбрагть источник материала ■ ЇЙспользовать |
[материалы 5 оііс^огкзі
Определенный
Г
ПОЛЬЗОВсГГелеМ Библиотека СепЬг
ЗапуститьI
Г Библиотечные Файлы
| БоУюогкз таІегіаІ$ ^
0-(0 Си лі
••••§ АІБІ 304
■В АІБ11020 4
0 Легировс и
0 Литая леї
0 Литая уп
■ІЗ Литаяне|
■ 13 ХромироЕ
■■■■0 Оцинков<^|
а
Модель материала
Хип: | Линейный Упругий Изстрс ▼ |
Единицы измерения: | Метрическая [МКЭ)
Имя материала Хромированная нержавеющая ст<
Свойство Описание Значение Единицы измере»
ЕХ Модуль упругости 203Э432.4 кдМспГ2
ГШХГ Коэффициент Пуассона 0.28 №
ОХУ М одуль сдвига 785181.48 кд^спгГ2
0Е№ М ассовая плотность 0.0078 кд/стл3
БІБХТ Предел прочности при рас 4217.6787 кд^стл2
БІБХС Предел прочности при сж кд^стл2
ЗІБУШ П редел текучести 1757.3Є8Є кдїУстл2
АІ.РХ Коэ ФФициент теплового р 1.1 е-005 /Сєпіідгасіе
КХ Т еплопроводность 0.043002 СаУ[ст.8.С)
С Удельная теплоемкость 10Э.Э42Б4 СаУ[кд.С]
ОК
Отмена
Справка
Рис. 2. Физико-механические характеристики материала элемента стойки
на шток действует эксцентрично приложенная нагрузка (Р), равная расчетному рабочему сопротивлению стойки. Эксцентриситет приложения нагрузки возникает из-за трения в опорах, зависит
от их конструкции и рассчитывается в соответствии с отраслевым стандартом.
Физико-механические характеристики материалов элементов стойки, соот-
Рис. 3. Деформированное состояние стойки
Рис. 4. Области контактного взаимодействия элементов стойки: а - контакт грундбуксы со штоком; б - контакт цилиндра с поршнем
ветствовали перечню, представленному на рис. 2.
При моделировании напряженного состояния стойки было обеспечено ее статическое равновесие согласно известным уравнениям теоретической
механики. На основе результатов моделирования напряженного состояния стойки на ЭВМ определяются:
• вид деформированной стойки по сравнению с исходным состоянием
(рис. 3). Помимо выявления деформи- рованного состояния стойки в
а
Параметрическое расстояние
б
Параметрическое расстояние
уоп Мізез (кд(/стл2) 0.60452, 4275.86
Рис. 5. Распределение напряжений по кромкам: а - эпюра распределения напряжений по кромке грундбуксы; б - эпюра распределения напряжений по кромке поршня
Выбранный список
Имя упражнения: Static Тип эпюры: Статический Узловое В ыбранная
поверхность:
рш
Выбранные
элементы:
Сумма:
1 Кромка
Значение Единицы у
Сумма 21103 | кдІ7стЛ2
Среднее зн 479.G2 кд^стЛ2
Макс 9ЄЗ.Є кд^стЛ2
Мин 331.06 кд^стл2
< ■ ■
Р Отразить рисунок кромки
Узел von Mises (кд1/ст"2| Е _Е X Y (mm) Z (ті л
415 7.328е+002 -38.897 -288.49 154.Ї
8570 8.388Є+002 -35.985 -255.17 154.Ї
41Є 8.9220+002 -33.834 -244.05 154!
85Є2 8.8550+002 -29.745 -233.38 154!
417 7.1980+002 -24.373 -223.32 154!
8558 3.985е+002 -17.822 -214.14 154.S
418 3.353е+002 -9.8242 -208 154.S
8552 3.789е+002 0.53958 -199.08 154.!
41Э 3.9490+002 9.4494 -193.52 154.!
854Є 3.9790+002 20.139 -189.43 154.!
420 4.042О+002 31.31 -186.92 154.! V
< 1 ш
Сохранить Обновить Эпюра | Закрыть | Справка
Рис. 6. Таблица результатов моделирования
целом, система фиксирует распределение напряжений в элементах, выделяя их интенсивность соответствующей окраской. Это позволяет определить наиболее нагруженные участки стойки;
• области контактного взаимодействия поршня с цилиндром, штока с грундбуксой (рис. 4) и распределение напряжений по кромкам контактирующих элементов (рис. 5);
• количественные значения силовых параметров, напряжений, деформаций и перемещений выдаются пользователю по запросу в виде таблицы, представленной на рис. 6. По этой таблице можно определить средние, минимальные и максимальные значения запрошенного расчетного параметра на интересующей пользователя поверхности. Кроме того, доступ-
Рис. 7. Сетка конечных элементов стойки
ны значения требуемого параметра в любом узле стойки в соответствии с сеткой разбиения на конечные элементы.
Необходимо отметить, что точность результатов расчетов и продолжительность вычислений, существенным образом зависит от масштаба построения сетки (рис. 7), на которую разбивается модель для последующего расчета. Масштаб сетки мы считали установленным и обеспечивающим требуемую точность, если при дальнейшем увеличении частоты сетки результаты расчетов практически не изменялись (менее 1 %).
Для выявления зависимостей напряжений в элементах стойки от конструктивных параметров было проведено моделирование на ЭВМ напряженных состояний с использованием программного комплекса SoШWorks-
COSMOSWorks по следующему алгоритму:
- фиксировался параметр, влияние которого на напряженное состояние стойки необходимо было выявить (П1);
- определялся диапазон изменения зафиксированного параметра (Птт-
Пimax);
- на ЭВМ строилась модель стойки, включающая все конструктивные
параметры. Значение зафиксированного параметра на первом шаге моделирования (п=1) принималось П11 = П1т1п;
- на ЭВМ моделировалось напряженное состояние стойки, определялись наиболее нагруженные элементы и величина напряжений;
- зафиксированный параметр изменялся на величину
(Д) П1п=П1т1п+А*(п-1). Значения всех остальных конструктивных параметров оставались неизменными;
- моделирование продолжалось до тех пор, пока значение зафиксированного параметра не становилось больше Пипах;
- по значениям напряжений в элементах стойки строилась их зависимость от величины зафиксированного параметра (П1).
По результатам моделирования напряженного состояния стойки при раз-
личных значениях конструктивных параметров получены следующие основные зависимости:
- зависимость напряженного состояния стойки от зазоров в соединениях рабочих поверхностей;
- зависимость контактных напряжений от базы заделки;
- зависимость контактных напряжений от эксцентриситета приложения нагрузки;
- зависимость контактных напряжений от величины рабочего сопротивления стойки.
В заключении отметим, что с использованием данных зависимостей можно обосновывать и выбирать конструктивные параметры гидростойки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ОСТ 12.44.245 - 83. Крепи механизированные. Стойки и домкраты. Расчет на прочность. Методика проверочного расчета на статическую прочность и устойчивость. - М.: Ги-проуглемаш, 1984. - 76 с.
2. Алямовский А.А. 8оНё-
Works/COSMOSWorks. Инженерный анализ методом конечных элементов. - М.: ДМК Пресс, 2004. - 432 с.: ил. ЕШ
— Коротко об авторе -----------------------------------------------------------------
Белянкина О.В. - старший преподаватель кафедры «Технология машиностроения и ремонт горных машин»;
Доклад рекомендован к опубликованию семинаром № 19 симпозиума «Неделя горняка-2008». Рецензент д-р техн. наук, проф. Л.И. Кантович.
