Динамическое моделирование напряженно-деформированного состояния элементов аксиально-поршневых пневмомоторов

Описание конструкции аксиально-поршневого пневматического двигателя типа ДАР. Схематическое изображение в виде развертки реверсивного аксиально-поршневого пневматического двигателя. Определение поля напряжений в области контакта пальца с поршнем.

Рубрика Производство и технологии
Вид статья
Язык русский
Дата добавления 29.11.2018
Размер файла 2,3 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

УГЛТУ, г. Екатеринбург, РФ raevskaya@usfeu.ru

Динамическое моделирование напряженно-деформированного состояния элементов аксиально-поршневых пневмомоторов

Раевская Л.Т.

1. Описание конструкции аксиально-поршневого пневматического двигателя типа ДАР

Из аксиально-поршневых моторов многократного действия наибольшее применение в машиностроении лесного и горного комплекса нашли реверсивные аксиально-поршневые пневматические двигатели (пневмомоторы) типа ДАР с синусоидальным кулачковым диском ротора [1]. Двигатели ДАР имеют бесшатунный механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение выходного вала ротора. Динамический момент создается поршнями двухстороннего действия, каждый из которых имеет два подшипника, охватывающих синусоидальную профильную дорожку ротора. Двухсторонний профиль ротора очерчен огибающими кривыми, положение которых определяется дугами радиусов шлифовальных кругов при движении их центров по двум эквидистантным (на расстоянии dш) синусоидальным кривым. Сжатый воздух по воздухораспределительным каналам шейки ротора поступает в поршневые полости и создает усилие, которое через подшипники поршней передается на профильную дорожку ротора, приводя к появлению динамического момента.

поршневой пневматический двигатель реверсивный

Поршни двустороннего действия расположены в двух частях блока цилиндров и через ролики (наружное кольцо подшипника) взаимодействуют с синусоидальным профилем центрально расположенного кулачкового диска ротора. Число волн синусоиды диска задает кратность хода поршней. За время одного оборота ротора поршень делает три двойных хода.

Для более равномерного вращения ротора вдоль периферии кулачкового диска устанавливают несколько поршней. Соосное расположение поршней и выходного вала позволяет снизить габариты и массу пневмомоторов. Эти двигатели по сравнению с радиально-поршневыми той же мощности имеют в полтора-два раза меньшие габариты и массу

Преимуществами аксиально-поршневых пневмомоторов являются не только малые габариты, но и отсутствие загрязнения окружающей среды, высокая безопасность работы. Это обуславливает перспективность их применения в приводах технологических машин различного назначения.

2. Постановка задачи

Вместе с тем, опыт эксплуатации пневмомоторов на предприятиях показывает, что основные отказы в двигателе - 80% - приходятся на поршни и носят усталостный характер. Трещины появляются в зоне отверстия для пальца, на котором находится ролик, а также в области паза, через который проходит волнообразная поверхность торца кулачкового диска.

Как нами было получено, вблизи отверстий в теле поршня появляется концентрация повышенных напряжений, причем наибольшие из них могут в несколько раз превышать так называемые «средние напряжения» [2]. Недостаточное знание истинной картины напряженного состояния может привести к перетяжелению несущей конструкции или к разрушению. Поэтому проблеме концентрации напряжений уделяется большое внимание.

В настоящей работе рассматривается задача инженерного моделирования прочностной надежности элементов поршня и расчета напряженно-деформированного состояния при статическом нагружении с помощью программного комплекса ANSYS.

3. Математический аппарат

Математической основой, на которой построен вычислительный аппарат программного комплекса ANSYS, является метод конечных элементов (МКЭ), наиболее распространенный и достаточно универсальный метод анализа напряженно-деформированного состояния. В этом методе нет ограничений ни на форму тел, ни на способ приложения нагрузки. Основными моделями прочностной надежности, которые всегда присутствуют при проведении расчетов, являются модели материала, формы конструкции, условий нагружения, предельного состояния [3].

4. Результаты предыдущего расчета

Нами уже была предпринята попытка расчета поля напряжений в роторно-поршневой группе пневмомотора с использованием МКЭ [2]. Решение задачи численного анализа параметров режимов нагружения пневматического двигателя было выполнено в системе РС MatLAB, позволяющей работать с разряженными матрицами. Был разработан комплекс программ, который включал программы разбиения тела на конечные элементы, построения глобальной матрицы жесткости, учета граничных условий, вычисления напряжений, представления результатов расчетов.

Однако сделанные в работе [2] приближения:

поршень рассмотрен как цилиндрическая поверхность с заданным распределением отверстий определенной конфигурации; толщиной поршня пренебрегалось;

в качестве первого шага к расчету напряжений была сделана развертка поршня в деталь плоской формы; для расчета выбрана четверть развертки;

нагрузка была приложена вдоль линии пересечения торца поршня и цилиндрической поверхности не позволили в полной мере получить картину поля напряжений в поршне, хотя вблизи отверстия был получен результат, совпадающий с теоретическими оценками.

Концентрация напряжений возрастала вблизи отверстий и достигала максималных значений 857,9 Па в области контакта поршня и пальца.

Область напряжений вблизи отверстия для пальца представлена на рис. 2.

Рис.2 Поле напряжений в области контакта пальца с поршнем.

Моделирование динамических процессов

Расчет динамических нагрузок, напряжений и усталостной долговечности в элементах поршня дает возможность точнее подобрать их параметры, добиться более полного соответствия динамических характеристик элементов поршня поставленным требованиям. Моделирование динамических процессов в роторно-поршневой группе с учетом упругой деформации и демпфирования поршня позволяет уточнить картину нагружения поршня и исследовать характер действующих в нем сил.

Для моделирования механическая система заменена эквивалентной ей колебательной системой, для которой составлено уравнение движения. После решения уравнения исследовано влияние параметров (коэффициентов) на поведение системы. В результате анализа решена проблема оптимизации параметров, исходя из картины динамического нагружения [4].

Колебательная система, эквивалентная поршню в сборе с пальцем и роликом - это точечная масса m (равная массе поршня), связанная с ротором с помощью пружины и вязкого демпфера, моделирующие упругие свойства данной механической системы. Жесткость диска ротора в первом приближении не учтена.

При динамическом режиме работы системы выходная величина - ускорение поршня - непрерывно меняется со временем, и вид функции a(t) зависит от типа внешнего воздействия и собственных динамических свойств системы. Внешнее воздействие в данном случае - это давления в рабочей камере P1(t) и камере выхлопа P2(t), которые сами являются переменными величинами. Динамические процессы в общем случае описываются дифференциальными уравнениями.

Уравнение движения поршня вдоль оси Х, совпадающей с осью поршня, составлено в виде

(1)

где m -масса поршня, x(t), xo(t) - координаты верхней точки головки деформируемого и недеформируемого поршня, соответственно; (x'-xo')- скорость относительного движения этой точки, d - диаметр поршня, c - коэффициент жесткости, b - коэффициент демпфирования, характеризует вязкие свойства поршня, P1(t), P2(t) - давление в камере наполнения и камере выхлопа соответственно. Из закона движения центра ролика поршня в параметрическом виде и соотношения для расстояния от стенки цилиндра до точки, отстоящей от верхней точки профиля ротора на величину 0,5(ш-H), где ш - расстояние между центрами шлифовальных кругов, H - ход поршня, получили формулу для xo, а именно

(2)

Здесь lН- начальный зазор между поршнем и торцовой стенкой цилиндра, (t)- текущий угол синусоиды профиля ротора, Rш- радиус шлифовального круга, Rр- радиус ролика, Dср- средний диаметр волны ротора, A параметр, зависящий от числа волн синусоиды n

A = (n2 H2 Sin2(t)+DСР2)1/2 . (3)

Была уточнена картина нагружения поршня и исследован характер действующих в нем сил. Исходя из картины динамического нагружения, были оценены коэффициенты жесткости элементов поршня в области линейных деформаций, подобран коэффициент демпфирования.

6. Расчет поля напряжений. Объемная задача

Опубликованные в [4] результаты использованы в настоящей работе для вычисления напряжений в теле поршня методом конечных элементов.

Внешние воздействия, распределенные вдоль поверхности торца поршня, приняты равными сумме статической нагрузки от давления воздуха в магистрали и динамической составляющей [4]. Расчетное значение полной нагрузки с учетом динамической составляющей для пневмомотора ДАР-14М получилось равным 5480 Н. Давление в магистрали газораспределительной системы 0.5 *106 Н/м2. Жесткость системы С равна 1.39 * 109 Н/м.

При расчете использована упрощенная твердотельная модель поршня пневмомотора. Не учтены радиусы скруглений в сопряженных стенках, некоторые мелкие выемки и пазы для поршневых колец (уплотнителей), небольшие отверстия и пр.

Геометрическая модель поршня была построена путем вращения на задаваемые углы фигур простых форм (геометрических примитивов). Этот шаг оказался наиболее трудоемким. Конечно-элементная модель поршня выполнена из объемных тетрагональных элементов с 10 узлами SOLID 92 с помощью произвольной сетки, которая построена автоматически. Поскольку поршень имеет плоскость симметрии, то для уменьшения трудоемкости задачи было принято решение рассмотреть половину детали, что сократило число элементов почти вдвое (теперь это число приняло значение порядка 24000).

Рис.3 Полная геометрическая модель поршня

Рис.4 Упрощенная геометрическая модель поршня

Материал поршня - изотропный с постоянными свойствами. В расчете приняты следующие характеристики материала. Модуль упругости Е взят равным Па, коэффициент Пуассона - 0.3.

В качестве первого шага при решении прочностной задачи было решено определить только поле напряжений, собственные частоты колебаний будут определены позднее.

Схема закрепления. Запрещено движение сечения поршня плоскостью симметрии в направлении, перпендикулярном данному сечению. Кроме того, ограничено движение внутренней поверхности касания пальца и поршня с одной стороны поршня.

7. Результаты

В качестве результата задаем выдачу следующей информации: изменение формы поршня, наибольшее абсолютное смещение вдоль оси поршня, максимальное значение напряжения вдоль оси поршня, поле напряжение в режиме анимации. Полученные максимальные и минимальные значения приведены в табл. 1.

Теоретические оценки напряжений по оси Х дали значения .

Как видно из таблицы, расчетные данные совпадали с оценочными.

Изменение формы в виде анимации дает возможность увидеть сам процесс деформации. Наибольшее смещение происходит в точках на границе паза под ротор. Наибольшие напряжения возникают в областях опоры под палец смежных с торцом цилиндра и с ребром жесткости.

Таблица 1. Абсолютные смещения (мм), напряжения (Н/м2) и реакции (Н) в узлах в системе глобальных координат

На рис. 5-15 приведены графические результаты решения задачи.

Рис.5 Совмещенные изображения половины поршня до и после приложения нагрузок в пространстве

Рис.6. Совмещенные изображения половины поршня до и после приложения нагрузок в пространстве в плоскостях XY

На рис.6 указано максимальное значение смещения по оси х; видно, что сильно смещена внутренняя поверхность отверстия под палец, к которой не были приложены граничные условия.

а) б)

Рис. 7. Совмещенные изображения половины поршня до и после приложения нагрузок в пространстве (а) и в плоскостях XZ (б), с указанием максимального значения смещения по оси х

Видно, что сильно смещена внутренняя поверхность отверстия под палец, к которой не были приложены граничные условия.

Рис. 8

Рис. 9

Рис. 10

На рис.8-10 показано трехмерное цветное изображение поля нормальных напряжений в плоскостях перпендикулярных осям Х и У, на полях рисунков показаны максимальные и минимальные значения напряжений с указанием номеров соответствующих элементов.

На увеличенном изображении опоры под палец с полем напряжений в цвете отчетливо видна область красного цвета (растяжение) на внутренней части опоры и в районе контакта с ребром жесткости и область темно-синего цвета (сжатие) на противоположной стороне опоры.

На усредненном поле напряжений без сетки (рис. 11) видно, что угол паза также испытывает деформацию растяжения, превышающую средние значения, так что можно рекомендовать конструктивно изменить форму паза, сделав, например выточку в углу, чтобы убрать концентратор напряжений в этих точках.

Список литературы

Зинкевич В. Д., Ярмоленко Г. З., Калита Е. Г. Пневматические двигатели горных машин. М.: Недра.1975 г., 344 с.

Раевская Л.Т. Исследование поля напряжений в теле поршня пневматического двигателя. Сб. тезисов докладов Международной научно-технической конференции. Т.1, с.318-319, 3-4, ноябрь, 2004, Государственный технический университет, Архангельск.

Каплун А. Б., Морозов Е. М., Олферьева М. А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. Изд. 2-е, испр. М.: Едиториа УРСС, 2004.-272 с.

Раевская Л. Т., Анкудинов Д. Т., Карякин А. Л. Моделирование динамических процессов в пневматическом двигателе привода горных машин. Сб. докладов 12-й международной конференции по автоматизации в горном деле IСАМС'95, стр. 537-540. 13-15, сентябрь 1995, Силезский технический университет, Гливице, Польша.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

  • Назначение, конструкция, отличительные признаки и преимущества аксиально-поршневого двигателя с шайбовым механизмом, принцип работы. Определение дезаксиала аксиально-поршневого насоса, расчет диаметров поршня и разноски отверстий в блоке цилиндров.

    курсовая работа [1,5 M], добавлен 15.01.2014

  • Общая характеристика схемы аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком цилиндров и диском. Анализ основных этапов расчета и проектирования аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком. Рассмотрение конструкции универсального регулятора скорости.

    курсовая работа [4,1 M], добавлен 10.01.2014

  • Конструктивные особенности, области применения, технические и технологические параметры радиально-поршневых и аксиально-поршневых роторных насосов, их достоинства и недостатки. Схема конструкции и принцип работы аксиально-плунжерной гидромашины.

    реферат [318,3 K], добавлен 07.11.2011

  • Определение влияния механических примесей, содержащихся в масле, на износ качающего узла аксиально-поршневого гидронасоса. Методика проведения испытаний. Анализ результатов стендовых испытаний аксиально-поршневых насосов при загрязнении масла водой.

    контрольная работа [2,6 M], добавлен 27.12.2016

  • Проектирование приспособления для сверлильно-фрезерной операции. Метод получения заготовки. Конструкция, принцип и условия работы аксиально-поршневого насоса. Расчет погрешности измерительного инструмента. Технологическая схема сборки силового механизма.

    дипломная работа [1,6 M], добавлен 26.05.2014

  • Основные условия предварительного выбора гидродвигателей. Расход рабочей жидкости гидромотора аксиально поршневого нерегулируемого. Расчет и выбор трубопроводов. Уточнение параметров и характеристик объемного гидропривода, расчёт теплового режима.

    курсовая работа [157,3 K], добавлен 27.06.2016

  • Расчет процессов наполнения, сжатия, сгорания и расширения, определение индикаторных, эффективных и геометрических параметров авиационного поршневого двигателя. Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма и расчет на прочность коленчатого вала.

    курсовая работа [892,4 K], добавлен 17.01.2011

  • Классификация, устройство и принцип работы направляющей аппаратуры гидроприводов: логических клапанов, выдержки времени. Назначение и элементы уплотнительных устройств гидроприводов. Закон Архимеда. Расчет аксиально-поршневого насоса с наклонным блоком.

    контрольная работа [932,3 K], добавлен 17.03.2016

  • Структура и свойства антифрикционных гальванических покрытий. Влияние процессов трения на структуру гальванических покрытий Pb-Sn-Sb. Технические рекомендации по повышению износостойкости пары прения подпятник – планшайба аксиально-поршневого насоса.

    дипломная работа [5,7 M], добавлен 08.12.2012

  • Общая характеристика детали "ротор" - одной из основных частей аксиально-поршневого пневмомотора. Выбор комплекта инструментов для механической обработки данной детали. Проектирование патрона для крепления концевой фрезы по результатам патентного поиска.

    курсовая работа [659,1 K], добавлен 26.03.2012

  • Устройство аксиально-поршневых насосов. Электрические схемы и комплектующее оборудование электрогидравлических установок. Электрогидравлические устройства для обогащения руд и бесшахтной добычи ископаемых. Распределительные и защитные органы гидросистем.

    реферат [1,1 M], добавлен 03.06.2011

  • Построение схемы базирования и установки для заданной детали при фрезеровании паза. Определение потребной силы тяги пневматического двигателя для закрепления детали при токарной обработке в патроне. Расчет длины поверхности контакта детали с втулкой.

    практическая работа [593,0 K], добавлен 10.05.2011

  • Выбор и сравнение прототипов по ряду критериев. Геометрический и кинематический анализ механизма двухцилиндрового поршневого компрессора. Определение силовых и кинематических характеристик механизма. Динамическое исследование машинного агрегата.

    курсовая работа [1,4 M], добавлен 20.09.2012

  • Общая характеристика поршневых насосов, подробное описание конструкции, устройство основных узлов и агрегатов на примере одного насоса. Изучение принципа действия поршневых насосов на примере УНБ-600, проведение инженерного расчета, уход и эксплуатация.

    дипломная работа [7,6 M], добавлен 28.07.2010

  • Определение параметров невозмущённого потока по заданным исходным данным. Расчет параметров во входном сечении и по тракту диффузора. Уравнение равенства секундного расхода. Расчет геометрических параметров в сопловой части заданного двигателя.

    курсовая работа [177,1 K], добавлен 24.11.2010

  • Описание идеализированного цикла теплового двигателя с изохорно-изобарным процессом подвода энергии в тепловой форме и с политропными процессами сжатия и расширения рабочего тела. Определение параметров двигателя, индикаторная и тепловая диаграммы цикла.

    курсовая работа [3,1 M], добавлен 02.01.2014

  • Анализ напряженно-деформированного состояния элементов стержневой статически неопределимой системы. Определение геометрических соотношений из условия совместности деформаций элементов конструкции. Расчет балки на прочность, усилий в стержнях конструкции.

    курсовая работа [303,5 K], добавлен 09.11.2016

  • Современное состояние вопроса исследования напряженно-деформированного состояния конструкций космических летательных аппаратов. Уравнения теории упругости. Свойства титана и титанового сплава. Описание комплекса съемочной аппаратуры микроспутников.

    дипломная работа [6,2 M], добавлен 15.06.2014

  • Исследование особенностей аксиально–симметричных оптических элементов с конической либо тороидальной преломляющей поверхностью. Применение селектора рассеянного излучения при фотометрическом контроле. Коническая, сфероконическая и тороидальная линзы.

    дипломная работа [597,5 K], добавлен 07.05.2013

  • Методика выполнения расчётов симметричных и несимметричных сборных конструкций с применением модели "рабочая нагрузка". Отладка расчётной модели по 3-D модели SolidWorks, схемам приложения нагрузки. Расчёт напряженно-деформированного состояния сборки.

    лабораторная работа [6,2 M], добавлен 19.06.2019

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.