автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Синтез силовых гидроцилиндров строительных кранов

На правах рукописи

РГ5 ОД

2 2 Ш 1996

ВАТУЛИН ЯН СЕМЕНОВИЧ

СИНТЕЗ СИЛОВЫХ ГИДРОЦИЛИНДРОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ КРАНОВ

05.05.04 - Дорожные и строительные машины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1996

- г -

те.

Диссертация выполнена в Тульском государственном университе-Научный руководитель

- кандитад технических наук, доцент САЛЬНИКОВ В.Г. Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор РЯХИН В.А.

- кандидат технических наук, зав. отделом

ЦНИП ВНИИСТРОЙДОРМАШ ТИМИН Ю.Ф.

Ведущая организация АО "ВНИИСТРОЙДОРМАШ"

Защита диссертации состоится пМ "0<ки> 1996 г. в час. на заседании диссертационного совета К 053.11.03 в Московском государственном строительном университете по адресу: Москва. Ярославское шоссе, д.26. МСГУ, аудУ^Укорп. "Г".

С диссертацией можно ознакомитья в библиотеке университета.

Автореферат разослан "//1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат технических наук, профессор С/ ТОТОЛИН П. Е.

^Щ-ОЗЗ 6г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Количество гидрофицированных машин в парке мобильных грузоподъемных средств имеет неуклонную тенденцию роста. Гидрофикация опорного контура и телескопических стрел самоходных кранов существенно расширяет их эксплуатационные возможности в части маневренности грузом, быстроты позиционирования, расширения зоны обслуживания.

В то же время сравнение грузовысотных характеристик и показателей надежности как отечественных, так и зарубежных крановых установок оказывается не в пользу гидрофицированных машин. В наибольшей степени это относится к самоходным кранам с телескопической стрелой. Параметры силовых гидроцилиндров этих машин, в том числе весовые, существенно ухудшают грузовысотную характеристику и показатели надежности. Их совершенствование сдерживается недостаточным развитием комплексного метода расчета несущих крановых конструкций, включающих гидроцилиндр, как часть системы, так как:

- отсутствует универсальный метод расчета гидроцилиндров, позволяющий контролировать основные составляющие вектора напряженно-деформированного состояния с учетом взаимодействия с сопрягаемыми элементами металлоконструкции;

- не установлено влияние параметров деформирования металлоконструкции опорного контура и стрелы на нагруженность гидроцилиндров;

- не в полной мере используются базы данных по материалам, условиям нагружения и т.п. в задачах проектирования гидроцилиндров. в том числе с заданным уровнем надежности.

Перечисленное указывает на острую необходимость совершенствования методов проектирования силовых цилидров с целью обоснования параметров, отвечающих требуемому уровню надежности при снижении массы.

Исходя из сказанного следует, что тема диссертации является актуальной.

Целью работы является синтез силовых гидроцилиндров строительных кранов путем формализации варьируемых параметров на базе универсального метода расчета, отвечающих требуемому уровню надежности при снижении массы.

Для достижения поставленной цели необходимо в числе других

решить следующие задачи:

- разработать математическую модель гидроцилиндра, устанавливающую взаимосвязь между многомерным вектором напряженно-деформированного состояния в сечениях и условиями нагружения, отражающими степень взаимодействия элементов между собой, гидроцилиндра в целом с металлоконструкцией и опорными устройствами, позволяющую использовать результаты экспериментальных исследований в тех звеньях, где сегодня отсутствуют подходы к аналитическим решениям и максимально приспособленную для реализации на ПЭВМ;

- провести экспериментальные исследования по определению жесткостных характеристик узлов сочленения с варьированием материалов и формализации характеристик;

- установить закономерности формирования нагрузок на гидроцилиндры аутригеров в опорном контуре строительных кранов и гидроцилиндры телескопирования с учетом деформируемости элементов металлоконструкции, опорных устройств и основания;

- разработать методику и получить аналитические зависимости для формализации и оценки конструктивных параметров, в том числе весовых, и параметров надежности, обеспечивающих их рациональное сочетание;

- построить схему синтеза силовых гидроцилиндров и разработать технологию их производства, отвечающих требованиям минимальной массы при заданном уровне надежности.

В качестве объекта исследования приняты гидроцилиндры стреловых самоходных кранов на спецшасси автомобильного типа и автомобильных кранов с телескопическими стрелами.

Идея работы состоит в использовании для совершенствования гидроцилиндров аналитического метода, дополненного результатами экспериментальных исследований, базирующегося на конечноэлемент-ном подходе и позволяющего моделировать на ЭВМ процесс нагружения с варьированием влияющих факторов и выбором рациональных решений на основании вариантного проектирования.

Методы исследования заключаются в разработке математической модели гидроцилиндра на базе конечноэлементного подхода, проведении экспериментальных исследований, результаты которых вводятся в математическую модель в качестве функции связи между варьируемыми параметрами. Достижение поставленной в диссертации цели осуществлялось на базе комплексных теоретических и экспериментальных

исследований. В разработанной схеме синтеза гидроцилиндра использованы законы механики деформируемого твердого тела для установления закономерностей формирования нагрузок на элементы опорного контура, элементы теории надежности, теории размерностей, программирование на ПЭВМ. Экспериментальные исследования проводились на специально созданных установках и приспособлениях с применением современной регистрирующей аппаратуры, в том числе ЭВМ.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и их новизна:

- разработана математическая модель гидроцилиндра, устанавливающая взаимосвязь между многомерным вектором напряженно-деформированного состояния в сечениях и условиями нагружения, отражающими степень взаимодействия элементов между собой, гидроцилиндра в целом с металлоконструкцией и опорными устройствами, максимально приспособленная для реализации на ЭВМ и пакет программ;

- установлены закономерности формирования нагрузок на гидроцилиндры аутригеров в опорном контуре стреловых самоходных кранов и гидроцилиндры телескопирования с учетом деформируемости элементов металлоконструкции и опорных устройств;

- разработана методика и получены аналитические зависимости для расчета и оценки конструктивных параметров, в том числе весовых и параметров надежности, обеспечивающих рациональное их сочетание;

- экспериментально установлены закономерности деформирования гидроцилиндров в функции поперечной нагрузки при статическом наг-ружении и в функции числа ходов при циклическом нагружении;

- разработана и апробирована безотходная технология производства композитных гидроцилиндров.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций доказана предварительным анализом современного состояния методов расчета гидроцилиндров на прочность, устойчивость и надежность, применением современных математических методов с использованием ЭВМ и подтверждена удовлетворительной сходимостью теоретических результатов с известными ранее и полученными в ходе выполнения работы экспериментальными данными (отклонение не превосходит 15 проц.). внедрением рекомендаций работы.

Научное значение работы состоит в разработке метода синтеза силовых гидроцилиндров путем формализации максимального количест-

ва варьируемых параметров на базе конечноэлементной модели.

Практическое значение работы состоит.в установлении возможности снижения весовых характеристик гидроцилиндров, в том числе при применении композитных материалов. Промышленное внедрение элементов гидроцилиндров из композитных материалов вписывается I программу конверсии промышленных предприятий, выпускающих аналогичные изделия.

Реализация уезшьтатов. Полученные в ходе выполнения работ! практические предложения по совершенствованию гидроцилиндров использованы в хоздоговорных работах 83-792, 86-395, внедрены на П( "Завод им. Январского восстания" (г. Одесса) при разработке и испытании кранов КС-6371, КС-6472, а также на кафедре "Подъемно-транспортные машины и оборудование" Тульского государственноп университета; методические материалы используются в дипломно! проектировании.

Апуобация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры "Подъемно-транспортные машины и оборудование" Тульского политехнического института, научно- технической конференции Тульского государственноп технического университета (1991-95 г.), технического совета ■ П1 "Завод им. Январского восстания" (г.Одесса), международной конференции "Актуальные проблемы фундаментальных наук" (1992 г. МГТ; им. Н.Э.Баумана, г.Москва), международной научно-технической кон ференции " Проблемы повышения качества машин"(1994 г. БИТМ, г Брянск). Полностью диссертация доложена на заседании кафедры ПТ1 и 0 12.02.96.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 8 ста тей. в которых изложены основные положения диссертации, подан, заявка на патент.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав заключения, содержит 198 страниц машинописного текста, включая 2 таблиц, 67 рисунков, списка литературы из 104 наименований, при ложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Особенности условий применения и эксплуатации силовых гидроцилиндров (ГЦ) строительных кранов(СК) определяются комплексом факторов, присущих этому классу машин. Многообразие этих факторов. даже в одном типе кранов, требует при проектировании ГЦ применения универсальных методов расчета с возможностью варьирования широким спектром условий нагружения и взаимодействия с элементами крана.

В настоящее время накоплен определенный опыт в области исследования прочности, устойчивости и надежности ГЦ. в том числе СК. Во-первых, это исследования по выявлению общих закономерностей нагружения ГЦ, способов управления потоками рабочей жидкости при выполнении технологических операций и влиянию последовательности этих операций на нагруженность ГЦ и их элементов. Во-вторых, исследования по совершенствованию параметров ГЦ с точки зрения впи-сываемости в рабочее оборудование, влияния технологии изготовления применяемых материалов и давления рабочей жидкости. В-третьих, исследования прочности и устойчивости ГЦ в целом, надежности его элементов.

Несмотря на определенные успехи, достигнутые в этой области исследований, стремление найти оптимальные характеристики на основе синтеза перечисленных свойств и условий с учетом всего их многообразия наталкивается на значительные математические трудности. Поэтому получили распространение работы по созданию отдельных разделов оптимизационного процесса, с попытками объединить в один вычислительный комплекс отдельные ветви.

В реферируемой работе на основе анализа путей создания универсальной расчетной схемы и использования специальных компьютерных технологий разработана конечноэлементная модель, существенно отличающаяся от традиционных тем, что порядок матриц при формировании многомерного вектора напряженно-деформированного состояния (НДС) в сечениях не зависит от условий опирания, нагрузки, воздействий и граничных условий и при реализации алгоритма остается равным 5*5.

На рис. 1 представлена расчетная схема элемента для построения такой модели.

I I Ч'х'Ух

р

о-

Дифференциальное уравнение упругой лини1 стержня постоянно! (или выраженной в вид* непрерывной функцш координаты X) жесткости, загруженного непрерывной на всей длин! нагрузкой имеет вид:

Рис. 1

Е1(х)у!У(х) + Еу!!(х)=я(х), (1

где Е1(х)-жесткость, Е-продольная сила, я(х)-поперечная нагрузка,

у(х)-прогиб. После введения обозначения Х=/т/Е1(х) уравнение (1) приобретает вид

У!7(х) + Х2У!!(х)=я(х)/Е1(х). (2

С учетом особенностей расчетной схемы в общем случае продольно-поперечного изгиба (Х2>0) решение принято в форме:

У=У + У

1 'о 'част. >

где У0 -общее решение, Участ.-частное решение.

Соответствующее характеристическое уравнение имеет два кратных корня и два мнимых корня; следовательно общий интеграл одно родного уравнения

У0=С1+С2х+С3созХх+С4з1пХх. (4

Здесь С! ...С4 -постоянные интегрирования, определяемые и: граничных условий задачи. Следуя конечноэлементной пр<эцедуре записано уравнение связи между узловыми силами и узловыми перемеще ниями элемента.

С использованием четырёх производных (4) и метода начальны: параметров (за начальные параметры приняты параметры левого н. рис.1 сечения) после решения однородного уравнения сформулирован; система

С!=У0+Е1У0(Ь2/Х2Е1); С3=-Е1У0(1/7Х2Е1);

С2=У0+Е1У0(Ь3/Х3Е1); С4=-Е1У0(Ь3/Х3Е1).

(5

В результате подстановки С1...С4 в уравнение (4) и в три ег последующих производных при Х=Ь система приобретает вид:

у1=у0+ф0ь+—— м0+—-— а0; ф1=«р0-

М1=созХ1Л0+

N ) ^ Хп

о0:

^ N

'Т

N

N

а=-Хз1пХ1М0+созХЮ0. (6)

Частное решение (2) определено методом вариации произвольных постоянных, считая в решении (4) постоянные интегрирования функциями X

Ч=С1(х)+С2(х)х+С3(х)созХх+С4(х)Хз1пХх. (7)

При использовании граничных условий Х=0 получено

11 част"

ч

■ (2созХЬ+ХгЬг-2); Е1У1част 2ХгШ

——] (ХЬ-з1пХЬ); ЕП1част=| —

ХН ) Ми

X2' Ч

з!пХЬ. (8)

Это приводит разрешающую систему метода начальных параметров в матричной форме к виду А!=Ь*А0:

У1

Ч>1

м,

1 I О 1 О О О О

1-соэХЬл АЬ-з1пХЬ

N ) -Хз1пХЦ

N ,1

согХЬ

ХИ согХЬ-!

С 4

-ч

-XcosXL

N

з!пХЬ\ N ) соэХЬ

(2созХЬ+ХгЬг-2) (ХЬ-з1пХЬ)

хш

Ч ^

— (ЬсогХЬ) \г)

—|э!пХЬ

Уо

Фо

*

Мо

а0

(9)

Для случая X -0 (поперечный изгиб) в соответствии с корнями характеристического уравнения

У0=С1+С2х+С3х2+С4х3+ях4/24. (10)

Тогда разрешающая система метода начальных параметров в матричной форме видоизменится по отношению к (9)

1 -I Ь2/2Е1 Ь3/6Е1 яЬ4/24Е1 О 1 -1/Е1 -Ь2/2Е1 -ЯЬ3/6Е1

* (11)

0 0 1 I С[1г/2

ООО 0 1

Ф1

«1

Фо

*

Мо

Оо

Для случая продольного изгиба (Х<0) в разрешающем уравнении (10) будет отсутствовать грузовой (последний) столбец, так как дифференциальное уравнение (2) не будет иметь частного решения.

При переходе незагруженных границ элементов матрица вырождается в единичную. Если на границе элементов имеют место сосредоточенные воздействия, то на основании разработанного способа совместность граничных условий формирует матрицу перехода.

При наличии упруго-податливой и упруго-вращающейся опоры (рис. 2) статические условия имеют вид:

Ик=-эеУк; Мк =-Мч>к (12)

где реакция упругой опоры; ¡1 - угловой коэффициент жесткости опоры; Ук-прогиб в опорном сечении; фк- угол поворота опорного сечения. К*

Рис. 2

Из условия равновесия следует:

Укл=Укп: Фкл=ФкП: мкл=мкп-ж>к; Окл^т-У«*. аз)

Аналогичные соотношения получены для сечений с упругой вставкой, характеризуемой жесткостью сочленения двух участков под углом К. а обобщённая матрица перехода приобретает вид:

1 0 0 0 0

0 1 £ 0 ФП

0 -м 1 0 0

-эе 0 0 СОБ^ 0

0 0 0 0 1

Имея набор матриц пролетов и переходов, можно путем их перемножения получить вектор НДС в конечном сечении. При перемножении матриц А, Ь, Г порядок матриц остается 4*5 и менее. Таким образом, в последнем сечении расчетной схемы неизвестными оказываются (4-ш) составляющих вектора, где ш-количество известных сос-

- И -

тавляющих в начальном сечении. Исходя из граничных' условий для последнего сечения, составляются (4-гп) алгебраических уравнения, которые позволяют записать вектор НДС последнего сечения в численном виде. После этого повторным ходом можно вычислить векторы НДС во всех сечениях.

Разработанный алгоритм реализован автором в виде пакета программ для ПЭВМ.совместимых с IBM/PC. Особенностью пакета является наличие собственного графического редактора, организующего процесс ввода-вывода информации в интерактивном режиме с использованием набора изображений типовых элементов расчетных схем. Графическая среда пакета позволяет непосредственно изображать расчетную схему на экране дисплея, параллельно производится избирательный ввод информации.При реализации алгоритма в целях выравнивания числовых значений элементов матриц введены безразмерные параметры: Y* = (EI/PL3)Y; q>' = (EI/PL2)ip; M'=M/PL2; Q'=Q/P; q*=qL/P.

Для сохранения матриц квадратными в пятую строку введено тривиальное равенство 1=1.

Исследования показали, что использование алгоритма и пакета позволяет контролировать векторы НДС в сечениях ГЦ при широком варьировании условий нагружения, граничных условий, внешних деформационных воздействий и т. д. В то же время выявлена необходимость экспериментального определения коэффициента жесткости телескопического сочленения. При постановке эксперимента учитывалась также необходимость формализации свойств сочленения в зависимости от применяемых для изготовления поясков материалов.

В качестве объекта экспериментальных исследований принят узел телескопического сочленения, представляющий собой фрагмент цельнотянутой трубы (материал сталь 50). со вставленными с обоих концов штоками (материал 40Х) , на которых установлен поршень с направляющими поясками.

Постулируя недеформируемость контура при общем изгибе принималось, что угловое расстройство сечений поршня и гильзы складывается за счет двух видов деформаций: смятия направляющего пояска и местной деформации стенки гильзы под пояском. Вследствие этого в эксперименте приняты две системы замеров. Полное значение угла расстройства определялось посредством системы упругих кольцевых датчиков, тензорезисторы которых подключены на вход тензомоста. Доля угла за счет местной деформации фиксировалась посредством

прецезионных механических датчиков.

Обработка полученного числового массива проводилась по специально составленным программам на ЭВМ.

За критерий отказа принято появление пластической деформации в зоне контакта направляющих поясков с гильзой.

В ходе эксперимента установлено, что величина базы заделки поршня в гильзе влияет на величину упругой зоны деформации гильзы (Рис.З.а).

Э.з-ю"3 7«10"Э им 0.02Э им

а). б).

Рис. 3

Материал и форма контактирующей поверхности направляющих поясков (Рис.З.б) не оказывают существенного влияния на появление пластических деформаций в зоне контактирования поршня с гильзой (разброс не превышает 5-7%).

Наряду с результатами формализации параметров узла телескопического сочленения, что позволило использовать их в расчетной модели, по результатам экспериментов сделан важный вывод в отношении материала поясков, используемый далее при синтезе ГЦ: при определенной толщине материала поясков ее значение перестает играть существенную роль.

Для оценки эффективности построенной математической модели проведен сравнительный анализ с имеющимися результатами. На рис.4 приведены теоретические и экспериментальные кривые, построенные Йу Ч.(США). В теоретической модели на базе классического МКЭ учитывались начальный излом оси и податливость узла телескопического сочленения в несколько отличной форме. Анализ сравнительных ре-

зультатов показывает, что разработанная модель дает меньшее отклонение от экспериментальной кривой, нежели метод конечного элемента в классическом виде.

Г,1Ь (Р.кН)

60000 (267.2)

40000 (170.1)

20000 (89.0)

¡2

I

1_

/

-моделирование МКЭ -• -эксперимент -предлагаемая методика

1

(0.025)

С целью подтверждения работоспособности уплотнительных узлов с полимерными поясками проведена серия ресурсных испытаний.

Испытания проводились на специально сконструированном и построенном стенде ресурсных испытаний. В результате проведенных исс-оГйоледований установлено:

износные процессы узла телескопического сочленения с по-вписываются в линейную теорию износа с

Рис. 4

лиамидными направляющими использованием коэффициентов, полученных на машинах трения;

- сопоставление величины утечек и износа с числом двойных ходов поршня в гильзе показало наличие запаса ресурса полиамидных направляющих поясков для кранов с режимом работы 2К. ,.4К.

- имеет место явление "поглощения" полиамидными направляющими поясками твердых загрязняющих включений рабочей жидкости, попадающих в зазор между пояском и зеркалом гильзы, и таким образом предотвращающее появление продольных рисок на зеркале ГЦ.

В соответствии с целью диссертации разработана расчетная схема, учитывающая упругую (для элементов металлоконструкции) податливость всех звеньев крановой установки, включая податливость основания.

Вследствие статической неопределимости такой схемы зависимость между внешними воздействиями представлена в виде:

т = 6 _(ш) (га) (т) + Озр + 0ЗУ =

О (Э=1.....Ш).

(15)

где ХК-усилия в отброшенных связях при выборе основной системы

метода сил; бзк-единичные перемещения; -заданные смещения опор. Предложенная модель позволяет учесть, воздействий, зазоры в опорных элементах.

3р-грузовые перемещения;

кроме внешних силовых просадку опор, неточ-

ность установки опорных подушек.

В качестве расчетного случая при определении наибольшей нагрузки на гидроцилиндр аутригера рассматривается случай отрыва одной из опор. Для этого в алгоритме реализации матричного уравнения (15) предусмотрена процедура "сужения системы уравнений" по И.М.Рабиновичу:

т = 6

Л = Гзкб5р (3=1.....Ш).

где гзк-коэффициенты матрицы, обратной матрице коэффициентов 5зк. Проводя ступенчатое пропорциональное загружение на каждой ступени определяются отрицательные Хк и происходит удаление строк с этим порядковым номером. Новые значения неизвестных вычисляются по соотношениям:

Хк=Хк+г1Са[+г1пап+г17ау+.... (16)

где 1,п,V - порядковые номера отрицательных неизвестных. Значения ас, а„ и ач определяются из решения системы линейных уравнений:

гп»а1+гпп«п+гп»ау+...- -Х„

г»1«1+гупап+г„„ап+...- -X»

Существует такое значение грузового момента, при котором два или три неизвестных, принадлежащих одной опоре, становятся отрицательными. После пересчета по (16) значений остальных неизвестных определяется наиболее нагруженный гидроцилиндр аутригера и нагрузка на него.

Проведена оценка напряженно- деформированного состояния существующих и пер спективных конструкций ГЦ телескопирования ' и аутригеров стреловых кранов на спецшасси. В качестве примера рассмотрены гидроцилиндры крана КС-6371, КС-6472.

Так как ГЦ телескопирования стрелы находится в ограниченном пространстве металлоконструкции стрелы и жестко связан с ней в крайних и в промежуточных сечениях, его прогибы определяются, в том числе, и прогибами стрелы. Вследствие этого рассматривалось совместное деформирование металлоконструкции стрелы и ГЦ телескопирования. Расчетная схема задачи приведена на рис.5. Нагружение системы "стрела-ГЦ телескопирования" проводилось ступенями.

На каждой ступени определялись параме тры НДС стрелы и ГЦ и выявлялись зазоры между корпусом ГЦ и стенками стрелы. В случае закрытия зазора на следующей ступени нагружения в этом сечении в расчетной схеме устанавливалась опора, и процесс нагружения продолжался таким же образом до достижения заданного уровня нагрузок. Анализ параметров НДС ГЦ те-лескопирования показал. что. во-первых, структура напряжений в сечениях- штока значительно отличается от'структуры, которую дают общепринятые модели: значительно возрастает доля изгибных напряжений от принудительного прогиба ГЦ стрелой; во-вторых, наибольшие изгибающие моменты в сечениях штока возникают не при максимальной раздвижке. Существенного снижения изгибных напряжений и давлений на пояски удалось добиться только при применении органопластиковых ГЦ.

В развитие исследований по надежности силовых ГЦ построена модель надежности, которая учитывает изменчивость эксцентриситета приложения осевой нагрузки, величин зазоров в телескопическом сочленении и поперечной нагрузки. Для корпусных деталей (гильза, шток) в качестве отказа принимается достижение рабочим напряжением предела текучести в расчетной точке. Для целей проектного расчета разрешающее уравнение получено в виде:

(р2-и^)02+ 2бтрБ + б" - 1^=0.

где р.Бр - матожидание и среднее квадратическое отклонение

рабочего давления жидкости в поршневой полости ГЦ, Б-обобщенный геометрический параметр (коэффициент функции связи).

В тех случаях, когда коэффициент вариации эксцентриситета значителен_ параметры закона распределения напряжений определены методом линеаризации функций случайных величин. Если б является нелинейной функцией эксцентриситета е , зазоров е и давления Р, но дифференцируема по е. е. р. то ф(е,е,р) разлагается в ряд Тейлора в окрестности точек (е,е.р):

Ф(е. Е,р)=ф(5,1,р)+1|1фе(е, Е.р)(е1-51). (17)

Для практического использования разработана программа, при реализации которой был сделан ряд выводов.

В соответствии с поставленной в работе целью проведено исследование весовых характеристик ГЦ в функции давления рабочей жидкости. Поскольку вес ГЦ является функцией многих параметров (рабочее давление, удельный вес материалов, конструктивные особенности исполнения, прочность материалов и т.д.) для упрощения решения использована теория размерностей. Применительно к одно-раздвижному ГЦ безразмерные параметры веса С, давления р* и напряжения б* приняты в виде:

С-в/^Ь3 ; р*=рЬ2/Г ; б' = [б]Ь2/Г. (18)

где к - объемный вес материала, Ь - ход штока, [б] - значение напряжения, приводящее к отказу. В виде зависимости (18) можно представить безразмерный вес любого элемента ГЦ, а суммарный вес оказывается функцией двух безразмерных параметров р* и б". В частности, для ГЦ подъема стрелы функция безразмерного веса имеет вид:'

1+7.33 /— ]+ ---г~ (р*|/$+/1- 25б'+2б'/1/Яр')

/ Жб') р*(б'-р/З)

6Ч

Для определения Сга1п необходимо производную С/ р* прирав-

нять нулю:

31/7Г ^р")+\П571б' ^(р7)+5/зб,р,-б,/1. 257Гб' Лр7) -3(б')2=0. Анализ кривых "безразмерный параметр б* -безразмерный пара-

метр р*" показывает, что минимальному весу соответствует только одно значение рабочего давления; как уменьшение этого давления, так и увеличение ведет к росту веса ГЦ. Кроме того "чувствительность" различных материалов к давлению различна. Чем менее прочный материал, тем быстрее масса ГЦ реагирует на изменение давления.

Более значительное снижение собственного веса стрелового оборудования достигнуто за счёт использования высокопрочных орга-нопластиков для производства корпусных деталей ГЦ.

Изготовление силовой оболочки выполнено производится методом намотки пропитанных связующим нитей (жгутов или ленты) на оправку (цилиндр-матрица). Для намотки использован "сухой" метод укладки нитей, позволяющий контролировать степень армирования композита и осуществлять равномерное распределение связующего по толщине стенки, что повышает качество изделия.

Разработана альтернативная технология производства металлоп-ластиковых гильз (штоков), которая позволяет получать зеркало в виде тонкостенной металлической оболочки путем газотермического напыления металлического порошка на поверхность цилиндра-матрицы, внешний диаметр которого и чистота поверхности соответствуют внутреннему диаметру и требуемой чистоте зеркала гильзы. По завершению циклов намотки и полимеризации композита готовая гильза снимается с матрицы. Дополнительной механической обработки для большинства типов ГЦ при этом не требуется.

Технология прошла промышленные испытания, получен образец с диаметром зеркала 80 мм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано новое решение актуальной задачи синтеза силовых гидроцилиндров строительных кранов, отвечающих требуемому уровню надежности при снижении массы, что позволило более обоснованно подойти к определению грузовысотной характеристики крана.

Основные научные и практические результаты исследований заключены в следующем:

1. сформулированы требования к расчетной модели гидроцилиндра, которая могла бы служить базой синтеза силовых гидроцилиндров стреловых самоходных кранов;

2. на базе конечноэлементного подхода разработана математическая модель прочности и устойчивости ГЦ, в которой взамен традиционных методов сил и перемещений использован метод начальных параметров, что позволило создать матричный алгоритм, сохраняющий на любой стадии расчета низкий (5*5) порядок матриц, это .максимально упрощает пользование алгоритмом. Адекватность модели подтверждена сравнением результатов с экспериментами и' численными примерами, выполненными в том числе зарубежными учеными. Модель долговечна, так как позволяет проводить исследования и практические расчеты при любом способе опирания и количестве ступеней, с учетом взаимодействия с металлоконструкцией стрелы и опорным контуром;

3. на основании проведенных экспериментальных исследований установлен ряд новых закономерностей взаимодействия поршня и гил'ьзы в узле сочленения. Доказано, что, во-первых, материал направляющих поясков практически не влияет на величину местных деформаций стенки гильзы, во-вторых, коэффициент жесткости в значительном диапазоне постоянен, в-третьих, удалось формализовать свойства сочленения с последующим использованием в математической модели прочности и устойчивости. В процессе проведения ресурсных испытаний установлено, что износ пары трения "направляющий поясок - зеркало цилиндра" для полимерных поясков носит линейный характер, ресурс по критерию износа составляет 6-Ю5 двойных ходов поршня, что обеспечивает нормативный срок службы крана в режиме 4К;

4. предложена расчетная схема металлоконструкции опорного контура, позволяющая определить весь комплекс воздействий на гидроцилиндр аутригера;

5. разработана обобщенная математическая модель телескопической стрелы, включающая металлоконструкцию и гидроцилиндр те-лескопирования. Модель позволяет провести полный анализ взаимодействия металлоконструкции и гидроцилиндра и определить дополнительные нагрузки на гидроцилиндр. Результаты, полученные при анализе модели, дают отличную от принятой структуру напряжений в поперечном сечении;

6. разработана методика выбора размеров поперечных сечений, исходя из требуемого уровня надежности;

7. предложено конструктивное решение и технология произволе-

тва композитного гидроцилиндра.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Ватулин Я.С.. Собина Л.Г. Механические характеристики телескопического сочленения силового гидроцилиндра // Расчет и конструирование подъемно-транспортных машин. - Тула: ТулПИ, 1989. - с. 57-61.

2. Никулин К.К., Завадский Е.Б., Ватулин Я.С., Расчет выносных опор стреловых самоходных кранов. - Тула, 1990. - 8с. -Деп. в ЦНИИТЭТтяжмаш 26.12..90. N 95 сд-90.

3. Подъемщиков А.Н.. Ватулин Я.С. К вопросу о методе продолжения. -Тула. 1992. -4с. -Деп. в Машмир 2.12.92. N 45 сд-92.

4. ПотудинО.В., Сальников В.Г. Ватулин Я.С., Напряженно-деформированное состояние гильзы гидростойки при внутреннем давлении // Комплексная механизация горных работ на шахтах.:Сб. науч. тр./ТулГТУ.-Тула. 1992.-с.84-90.

5. Совершенствование конструкций силовых гидроцилиндров стреловых кранов / Никулин К.К.. Сальников В.Г., Ватулин Я.С.. Резников И.И. -Тула. 1988.-6с.-Деп. в ЦНИИТЭИТтяжмаш 29.И.88. N 296.

6. Сальников В.Г..Ватулин Я.С. Расчет силовых гидроцилиндров стреловых самоходных кранов. // Тез. докл. международ, конф. "Актуальные проблемы фундаментальных наук." М: МГТУ им. Н. Э. Баумана 1992. -Зс.

7. Ватулин Я.С. Повышение надежности телескопических стреловых самоходных кранов. // Тез. докл. международ, конф. "Проблемы повышения качества машин." БИТМ, Брянск 1994. -1с.

8. О выборе размеров поперечного сечения силовых гидро- и пневмоцилиндров, соответствующих требуемому уровню надежности / Сальников В.Г., Ватулин Я.С., Филиппов A.B. - Тула. 1995,- Деп. в ВИНИТИ 29.05.95 1503-В95 25 с.

Подписано в печать .Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага типограф. № 2.

Офсетная печать. Усл. печ-а./ЙЛ Уса. жр.-ст.^ОЗ. Уч-ивзд-ь^^ТпражАтсэкз. ЗшхазЛ&Я.

■. Тульский государе шешщй уштеропе!. 300600, Туда, просп. Лепила, 92.

Подразделение оперативной полиграфия Тульского государственного уппвер-■ сятста. 300600 Тула, ул.Бщщти;., 151.