ШТОК ГИДРОЦИЛИНДРА Российский патент 1999 года по МПК F16J7/00 F15B15/14 

Изобретение относится к гидроприводу машин, работающих в условиях значительных нагрузок на рабочем оборудовании, в частности к силовым гидродвигателям возвратно-поступательного действия - гидроцилиндрам одно- или двухстороннего действия с односторонним штоком (см. Марутов В.А., Паловский С.А. Гидроцилиндры. М.: Машиностроение, 1993, с. 7, рис. 2a), подверженным в процессе функционирования продольно-поперечному изгибу. При этом возникающие в опасном сечении штока напряжения описываются следующим условием прочности (см. Кобзов Д.Ю. Диагностирование гидроцилиндров рабочего оборудования одноковшовых строительных экскаваторов: Дисс. .. канд. техн. наук /ЛИСИ.-Л, 1987, с.365).

Σσ_i= P/F+(M_Q+Py_t+Pe)/W ≤ [σ], (1)
где P - продольное толкающее (сжимающее) усилие гидроцилиндра;
M_Q - изгибающий момент от поперечной (вес гидроцилиндра) нагрузки;
F - площадь поперечного сечения штока;
W - осевой момент сопротивления сечения штока;
Y_t - полный прогиб гидроцилиндра в результате его эксплуатационного продольно-поперечного нагружения; e - эксцентриситет приложения в опорах гидроцилиндра продольного сжимающего усилия P;
Σσ_i и [σ] - текущие эксплуатационные и допускаемые напряжения в опасном сечении штока.

Известен гидроцилиндр (аналог) со сплошным штоком круглого поперечного сечения (см. Марутов В.А., Павловский С.А, Гидроцилиндры. М.: Машиностроение, 1966, с. 29, рис. 17).

Однако сплошной шток, обладая большим весом, вызывает значительные реакции в подвижных герметизируемых сопряжениях гидроцилиндра "шток-втулка" и "поршень-гильза", интенсифицируя процесс изнашивания направляющих и уплотнительных элементов сопряжений и, тем самым, снижая долговечность, а вместе с тем и надежность гидроцилиндра.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является гидроцилиндр (прототип) с полым штоком кольцевого сечения (см. Марутов В.А., Павловский С.А. Гидроцилиндры. М.: Машиностроение, 1966, с. 30, рис. 19, с. 68, рис. 56, с. 124, рис. 102), обладающим меньшим весом, в следовательно и реакциями в подвижных сопряжениях гидроцилиндра, но большим суммарными нормальными напряжениями вследствие меньшей жесткости и прочности.

Целью изобретения является повышение надежности (долговечности) гидроцилиндра через улучшение напряженно-деформированного состояния его штока (уменьшение прогиба Y_t и напряжений Σσ_i) путем увеличения его жесткости и прочности посредством оптимизации характеристик (момента I инерции и осевого момента W сопротивления) поперечного сечения за счет выбора рациональной формы внутренней полости при соблюдении следующих условий сравнения изобретения с прототипом:
* внешняя форма та же - окружность;
* площадь F поперечного сечение та же, а следовательно:
- напряжения σ_сж сжатия те же;
- вес штока тот же.

Теоретически названная цель реализуется соответствующим размещением материала в поперечном сечении штока.

Указанная цель достигается выполнением формы внутренней полости поперечного сечения штока в виде круга с отсеченными сверху и снизу сегментами разных площадей, причем сегмент большей площади отсекается со стороны более сжатых волокон.

Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг. 1), на котором представлены эпюры сжимающих (фиг. 1a), изгибающих (фиг. 1б) и суммарных (фиг. 1в) нормальных напряжений, а также формы поперечного сечения штока: сплошного - аналога (фиг. 1г), кольцевого - прототипа (фиг. 1д), предлагаемого при чистом изгибе (фиг. 1е) и предлагаемого для эксплуатационного нагружения гидроцилиндра (фиг. 1ж).

Заявляемый шток гидроцилиндра кольцевого сечения имеет внутреннюю полость в виде круга с отсеченными сверху и снизу сегментами разных площадей (фиг. 1ж). Причем сегмент с большей площадью отсекается со стороны более сжатых волокон. Таким образом, сечение штока представляет собой обращенный двутавр (фиг. 1е), а заявляемого - тавр (фиг. 1ж), толщина стенки h которого, зависящая от внешнего силового воздействия на шток гидроцилиндра, должна определяться для каждого рассматриваемого примера, но с обязательным учетом конкретных условий эксплуатации и алгоритма функционирования гидроцилиндра. При этом следует принимать во внимание, что для двутавровых сечений толщина стенки h ≤ 5% высоты тавра. Это положение справедливо так же для анализируемого случая по отношению к наружному диаметру штока.

Заявляемый шток гидроцилиндра работает следующим образом.

В результате эксплуатационного нагружения гидроцилиндра в его штоке, в частности в опасном сечении, возникают нормальные сжимающие (фиг. 1а) и нормальные изгибающие (фиг. 1б) напряжения, описываемые соответственно первым и вторым слагаемым выражения (1). В результате этого суммарные нормальные напряжения неравномерно распределяются по сечению штока (фиг. 1в), что приводит к его неравномерному нагружению и последующему невосстанавливаемому искривлению в случаях аналога (фиг. 1г) и прототипа (фиг. 1д) (см. Кобзов Д. Ю. Диагностирование гидроцилиндров рабочего оборудования одноковшовых строительных экскаваторов: Дисс... канд.техн.наук/ ЛИСИ.-Л, 1987, с.365). Однако большая часть материала штока (фиг. 1ж) со стороны больших сжимающих напряжений позволяет равномерно распределить напряжения по сечению штока. Далее, смещение центра тяжести сечения заявляемого штока гидроцилиндра из геометрического центра наружной окружности штока на величину H в сторону образования эксцентриситета e снижает негативное воздействие последнего (произведение Pe в выражении (1)) до минимума. Наконец, изобретение вызывает уменьшение величины прогиба y_t по причине увеличения жесткости поперечного сечения, а месте с тем произведения Рy_t. Все это в купе реализует задачу снижения текущих эксплуатационных напряжений Σσ_i, вследствие чего растет разность {[δ]-Σσ_i}, а вместе с тем непосредственно и долговечность гидроцилиндра. Кроме того, в результате уменьшения значений e и y_t снижаются деформации гидроцилиндра и, как следствие, реакции в его подвижных герметизируемых сопряжениях и интенсивность изнашивания их структурных элементов, что косвенно повышает долговечность гидроцилиндр.

Расчеты показывают, что в предлагаемой конструкции штока осевые моменты инерции и сопротивления его сечения увеличиваются на 20...30%, что соответственно ведет к уменьшению изгибающих нормальных напряжений в тех же пределах.

Принимая во внимание, что долговечность - свойство надежности, можно с уверенностью заключить, что в заявляемой конструкции штока гидроцилиндра реализуется поставленная цель изобретения.

Шток предназначен для силовых гидродвигателей возвратно-поступательного действия - гидроцилиндров одно- или двухстороннего действия с односторонним штоком, внутренняя полость сечения штока выполнена в виде круга с отсеченными сверху и снизу сегментами разных площадей, причем сегмент большей площади отсекается со стороны более сжатых волокон. Технический результат - повышение надежности гидроцилиндра. 1 ил.

Шток гидроцилиндра, имеющий внутреннюю полость, отличающийся тем, что внутренняя полость выполнена в виде круга с отсеченными сверху и снизу сегментами разных площадей, причем сегмент большей площади отсекается со стороны более сжатых волокон.