ШТОК ГИДРОЦИЛИНДРА Российский патент 2002 года по МПК F16J7/00 

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., Павловский С. А. Гидроцилиндры. М.: Машиностроение, 1966, с. 7, рис.2а). 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. - 365 с.)
∑δ_i = P/F+(M_Q+Py_t+Pe)/W ≤ [δ], (1)
где Р - 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; у_t - полный прогиб гидроцилиндра в результате его эксплуатационного продольно-поперечного нагружения; е - эксцентриситет приложения в опорах гидроцилиндра продольного сжимающего усилия Р; ∑δ_i и [δ] - текущие эксплуатационные и допускаемые напряжения в опасном сечении штока.

Известен гидроцилиндр (аналог) с полым штоком кольцевого сечения (см. Марутов В.А.. Павловский С.А. Гидроцилиндры. М.: Машиностроение. 1966, c.30, рис. 19, с. 68, рис.56, с. 124, рис.102), обладающим меньшим весом, а следовательно, и реакциями в подвижных сопряжениях гидроцилиндра, но большими суммарными нормальными напряжениями вследствие меньшей жесткости и прочности, что справедливо можно отнести к недостаткам данной конструкции.

Известен шток гидроцилиндра (прототип), имеющий внутреннюю полость, выполненную в виде круга с отсеченными сверху и снизу сегментами разных площадей, причем сегмент большей площади отсекается со стороны более сжатых волокон (Кобзов Д.Ю., Тарасов В.А. "Шток гидроцилиндра", патент Российской федерации 2133395 по заявке 95121842/06 (038635). приоритет от 26.12.95).

К недостаткам прототипа следует отнести недостаточную жесткость и прочность штока прототипа, а также его материалоемкость.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения надежности (долговечности) гидроцилиндра.

Указанный технический результат достигается тем, что у штока гидроцилиндра, имеющего внутреннюю полость, выполненную в виде круга с отсеченными сверху и снизу сегментами разных площадей, причем сегмент большей площади отсекается со стороны более сжатых волокон, наружная форма поперечного сечения штока описывается гладкой выпуклой кривой и подобна равнобедренному треугольнику со скругленными вершинами, причем основание треугольника расположено со стороны более сжатых волокон, а контур сечения описывается функцией
y(x)=±b[(x/a)^0.5-(x/a)]^0.5, (2)
где а и b - максимальные размеры поперечного сечения штока соответственно по оси симметрии и перпендикулярно ей.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4, на которых представлены формы поперечных сечений: заявляемого изобретения (фиг.1) и схема для аналитического описания параметров заявляемого сечения (фиг.2). Дополнительно представлены формы поперечного сечения аналога (фиг.3) и прототипа (фиг.4).

Заявляемый шток гидроцилиндра кольцевого сечения имеет внутреннюю полость в виде круга с отсеченными сверху и снизу сегментами разных площадей (фиг.1). Наружная форма (фиг.2) поперечного сечения штока описывается гладкой выпуклой кривой и подобна равнобедренному треугольнику со скругленными вершинами, причем основание треугольника расположено со стороны более сжатых волокон, а контур сечения описывается функцией (2).

При этом полученная на основании имеющихся знаний, накопленного опыта и интуиции аналитическая запись (2) обладает следующими замечательными свойствами.

Во-первых, интеграл заявляемой функции у(х) позволяет найти площадь заявляемого поперечного сечения штока гидроцилиндра (фиг.1 и 2)

равную, что замечательно, площади круга (контур аналога и прототипа) с характеристиками d= a= b при а=b (фиг.3 и 4) и эллипса (возможный вариант поперечного сечения) с параметрами а и b.

Во-вторых, центр тяжести Х_ц.т. заявляемого поперечного сечения (фиг.1) составляет

что позволяет увеличить осевой момент сопротивления сечения W для наиболее сжатых волокон и снизить эксцентриситет приложения продольного сжимающего усилия, что в итоге уменьшает напряжения ∑δ_i.
В-третьих, наибольший момент инерции I относительно главной центральной оси поперечного сечения штока составляет

то есть более чем на 6% превышает момент инерции прототипа, а следовательно, жесткость поперечного сечения последнего при прочих равных условиях.

В-четвертых, осевой момент сопротивления W для наиболее сжатых волокон поперечного сечения штока составляет
W = I/x_Ц.Г.= 17π•a²•b/448, (6)
что численно на 21% больше, чем у прототипа.

Кроме того, соответственно жесткость поперечного сечения штока возрастает на 6%, что дополнительно уменьшает прогиб у_t гидроцилиндра (выражение 1).

И, наконец, максимальные напряжения ∑δ_i сжатия для продольно и поперечно нагруженного гидроцилиндра явно и значительно уменьшаются, применительно к аналогу и прототипу.

Заявляемый шток гидроцилиндра работает следующим образом.

В результате эксплуатационного нагружения гидроцилиндра в его штоке, в частности, в опасном сечении возникают нормальные сжимающие и нормальные изгибающие напряжения, описываемые соответственно первым и вторым слагаемыми выражения (1). В результате этого суммарные нормальные напряжения неравномерно распределяются по сечению штока, что приводит к его неравномерному нагружению и последующему невосстанавливаемому искривлению в случаях аналога (фиг.3) и прототипа (фиг.4) (см. Кобзов Д.Ю. Диагностирование гидроцилиндров рабочего оборудования одноковшовых строительных экскаваторов: Дисс...канд. техн. наук/ ЛИСИ. - Л., 1987. - 365 с.). Однако большая часть материала штока 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 в сторону образования эксцентриситета е снижает негативное воздействие последнего (произведение Ре в выражении (1)) до минимума. Наконец, изобретение вызывает уменьшение величины прогиба у_t по причине увеличения жесткости поперечного сечения, а вместе с тем произведения Py_t. Все это в купе реализует задачу снижения текущих эксплуатационных напряжений ∑δ_i, вследствие чего растет разность {[δ]-∑δ_i}, а вместе с тем непосредственно и долговечность гидроцилиндра. Кроме того, в результате уменьшения значений е и y_t снижаются деформации гидроцилиндра и, как следствие, реакции в его подвижных герметизируемых сопряжениях и интенсивность изнашивания их структурных элементов, что косвенно также повышает долговечность гидроцилиндра.

Расчеты показывают, что в предлагаемой конструкции штока осевые моменты инерции и сопротивления его сечения увеличиваются на (25...35)% по сравнению с прототипом и на 60% по сравнению с аналогом, 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 гидроцилиндров возвратно-поступательного действия. Шток имеет внутреннюю полость, выполненную в виде круга с отсеченными сверху и снизу сегментами разных площадей, причем сегмент большей площади отсекается со стороны более сжатых волокон, при этом наружная форма поперечного сечения штока описывается гладкой выпуклой кривой и подобна равнобедренному треугольнику со скругленными вершинами, причем основание треугольника расположено со стороны более сжатых волокон, а контур сечения описывается функцией y(x)=±b[(x/a)^0,5-(x/a)]^0,5, где а и b - максимальные размеры поперечного сечения штока соответственно по оси симметрии и перпендикулярно ей. Технический результат - повышение надежности. 4 ил.

Шток гидроцилиндра, имеющий внутреннюю полость, выполненную в виде круга с отсеченными сверху и снизу сегментами разных площадей, причем сегмент большей площади отсекается со стороны более сжатых волокон, отличающийся тем, что наружняя форма поперечного сечения штока описывается гладкой выпуклой кривой и подобна равнобедренному треугольнику со скругленными вершинами, причем основание треугольника расположено со стороны более сжатых волокон, а контур сечения описывается функцией
y(x)= ±b[(x/a)^0,5-(x/a)] ^0,5,
где а и b - максимальные размеры поперечного сечения штока соответственно по оси симметрии и перпендикулярно ей.