К.т.н. Булатбаев Ф.Н.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

Имитационное моделирование контактных напряжений во втулках шарнирных соединений электромеханических установок

Эффективность эксплуатации механизма тормозного устройства шахтных электромеханических установок, в частности подъемных машин, зависит от надежности работы его основных элементов, в частности шарнирных соединений. При интенсивной эксплуатации подъемной машины в элементах рычажно-шарнирного механизма возникают повреждения, связанные с появлением зазоров из-за износа контактных поверхностей втулок. Это приводит к изменению рабочих параметров тормозного устройства и, как следствие, к увеличению времени его срабатывания.

С помощью имитационного моделирования проводился анализ возникновения контактных напряжений в зависимости от геометрической формы и площади поверхности контакта втулок.

Эксперимент проводился с пятью имитационными моделями шарниров с различными конструктивными параметрами по следующим вариантам (рисунок 1):

- первый вариант – типовая конструкция с цилиндрической внутренней поверхностью втулки по линии АК с диаметром d2;

- второй вариант имеет частичную коническую расточку внутренней поверхности втулки на 0,1 ее длины по линии АВС с диаметрами d2 и d3;

- третий вариант имеет частичную коническую расточку внутренней поверхности втулки на 0,35 ее длины по линии АВС с диаметрами d2 и d3;

- четвертый вариант имеет частичную коническую расточку внутренней поверхности втулки на 0,7 ее длины по линии АВС с диаметрами d2 и d3;

- пятый вариант имеет полную коническую расточку внутренней поверхности втулки на всю ее длину по линии АС с диаметрами d2 и d3.

Установлены зависимости величин напряжений на внутренней поверхности втулки σ при условии, что заданный интервал давления на втулку P лежит в пределах от 0,01 до 10 МПа. Экспериментальные данные обработаны статистико-детерминированным методом построения моделей с использованием ЭВМ.

Получены следующие однофакторные зависимости (1):

σ_мах1 = 167,338 + (-2,21892 · Р ₁),

σ_мах2 = 13,3101 + 0,598632· Р ₂,

σ_мах3 = 354,215 +(-4,2002 · Р ₃), (1)

σ_мах4 = 16,0993+ 0,210440· Р ₄,

σ_мах5 = 569,007+(-7,76837 · Р ₅),

где σ_мах1, σ_мах2, σ_мах3, σ_мах4, σ_мах5 – максимальные напряжения на контактной поверхности втулок имитационных моделей шарниров по 1, 2, 3, 4, 5 варианту соответственно, МПа;

Р _1, Р _2, Р _3, Р _4, Р ₅ – давления на втулках имитационных моделей шарниров по 1, 2, 3, 4, 5 варианту соответственно, МПа.

Благодаря использованию конической поверхности втулки и пальца снижаются контактные напряжения при эксплуатационных нагрузках. Геометрический смысл этого явления демонстрируется на рисунке 1. Снижение контактных напряжений и уменьшение износа втулки происходит за счет увеличения площади контакта втулки с пальцем, так как площадь контакта по поверхности тела с образующей АВС больше, чем площадь контакта по поверхности с образующей АК. Сумма длин сторон АВ и ВС больше длины стороны AC, следовательно, образующая линия с перегибом АВС более эффективна, чем прямая линия AC. При конструировании, точка С (и соответственно больший внутренний диаметр втулки d3) определяется из условия смятия втулки. Угол наклона СВК должен быть больше угла конуса Морзе (7⁰). При углах расточки менее 7⁰ может появляться схватываемость сопрягаемых поверхностей и заклинивание шарнира.

L1 - длина втулки; L2 - глубина расточки внутренней конической поверхности втулки; d1- наружный диаметр втулки; d2 - внутренний диаметр втулки; d3 - больший внутренний диаметр втулки после расточки; γ - минимальная возможная толщина стенки втулки из условия смятия

Рисунок 1 – Продольное сечение втулки

Рисунок 2 - Зависимость напряжений на контактной поверхности втулки от глубины расточки по отношению к ее общей длине

Анализ полученной зависимости напряжений на контактной поверхности втулки от глубины расточки (рисунок 2) позволил определить область натурного эксперимента на физических моделях. Эта область лежит в пределах глубины расточки втулки 0,35… 0,7 длины втулки.