2.6 Расчет штока на устойчивость и прочность

Шток- это деталь гидроцилиндра, к которой предъявляются повышенные требования к прочности, устойчивости как к механическим нагрузкам, так и агрессивным средам. Штоки гидроцилиндров работают на растяжение (сжатие) и изгиб.

Определяем максимально допустимое рабочее усилие на штоке гидроцилиндра:

F= Fкр/n, Н

(13)

где Fкр- критическая сила, при которой шток теряет устойчивость и прогибается, Н

n-коэффициент запаса прочности, n=2,53,5 (для стали)

Fкр= , Н

(13)

где -модуль упругости, МПа

(для стали = 0,21106 МПа)

J- момент инерции сечения, м4

J= 0,049d4 (для круглого сечения) (20)

Lпр- приведенная длина стержня, м, определяется в зависимости от способа крепления цилиндра (см. рисунок 2)

Lпр=fcL

(14)

Рисунок 2- Способы крепления гидроцилиндров

Должно выполняться условие: FфактF

7. Выбор уплотнений в гидроцилиндре

Важными элементами конструкции гидропривода являются уплотнительные устройства, обеспечивающие герметичность в подвижных и неподвижных соединениях гидравлических машин. От типа применяемых уплотнений зависит конструкция поршней гидродвигателей (гидроцилиндров, гидромоторов), их параметры, а также величина рабочего давления.

Обычно все применяемые в системах гидропривода уплотнения подразделяют по назначению на три группы:

- уплотнения неподвижных поверхностей;

- уплотнения подвижных поверхностей при относительных возвратно-поступательных перемещениях;

- уплотнения подвижных поверхностей при относительном вращательном их перемещении.

Для обеспечения высокой степени герметизации применяют различного типа уплотнения (рисунок 3), изготовленные из различных материалов:

- набивочные;

- манжетные;

- резиновые кольца;

- металлические кольца.

Рисунок 3 - Уплотнительные устройства: а - резиновое кольцо прямоугольной

формы; б - резиновое кольцо круглого сечения; в-манжетное U-образное уплотнение; г- манжетное V-образное уплотнение;

b' - ширина резинового кольца прямоугольного сечения; b - ширина канавки; d - диаметр сечения круглого кольца; D – диаметр уплотняемого соединения; h - глубина канавки; l – ширина рабочей части манжеты

Принцип действия всех уплотнений из упругих материалов основан на их свойствах создавать начальное давление на уплотняемых поверхностях, контактируемых с уплотнением.

При этом с увеличением рабочего давления соответственно увеличивается усилие прижатия уплотнения к уплотняемым поверхностям.

Набивочные уплотнения применяют в гидравлических прессах, гидроцилиндрах, насосах, гидроаппаратуре.

Материалом уплотнения служат хлопчатобумажные, асбесто-металлические набивки, пропитанные коллоидным графитом, и т. д. К уплотняемым деталям набивка прижимается натяжными втулками с контактным давлением,

превышающим рабочее.

Силу трения набивочного уплотнения определяют по формуле

F тр=dlk, Н

(15)

где d - диаметр уплотняемого соединения;

k - удельная сила трения, принимаемая в расчетах равной 0,04 - 0,13 МПа (в зависимости от степени затяжки натяжной втулки);

l - длина набивочного уплотнения, обычно принимается по соотношению l = (6 - 8)h; где, соответственно, h – толщина (радиальная) сечения слоя набивки, определяемая по зависимости h = (1,5 - 2,5) d (для малых диаметров штока h принимается не менее 3 - 4 мм, для больших - не менее 30 мм).

Манжетные уплотнения

Манжетой в общем случае называют упругое фигурное кольцо, которое прижимается давлением рабочей жидкости к соответствующим деталям и оказывает уплотняющее действие.

Форма манжет разнообразна, однако наиболее распространенными являются U-образные и V-образные (шевронные) манжеты (рисунок 3).

Эти манжеты применяют при давлениях рабочей жидкости до 35 МПа.

Сила трения при уплотнении манжетами с шевронным (V-образным) профилем определяется по формуле

F тр=dlk, Н

(15)

где d - диаметр уплотняемого соединения;

k - удельная сила трения, равная 0,22 МПа;

l - ширина уплотнения (определяется на основе данных таблицы 1

Таблица 1- Размеры манжетных уплотнений

Размеры манжет l (ширина уплотнения) выбирают по величине диаметра d. Рекомендуемое число манжет в пакете приводится в таблице 2

Таблица 2- Количество манжет в пакете

Силу трения в уплотнениях из манжет U-образного профиля определяют по формуле

F тр=dl( Pр + Pк) fм, Н

(16)

где d - диаметр уплотняемого соединения;

l - ширина рабочей части манжеты (таблица 1);

PP - рабочее давление;

PK - монтажное давление, составляющее 0,2 ÷ 0,5 МПа;

fМ - коэффициент трения, равный:

для кожи 0,06 - 0,08;

для капрона 0,02 - 0,03;

для фторопласта 0,03 - 0,05;

для резины 0,1 - 0,13.

Силу трения, создаваемую уплотнением из металлических колец, определяют по формуле

F тр=db(iPр + Pк) fк, Н

(16)

где fK - коэффициент трения кольца, принимаемый равным 0,07 при скорости более 6 - 8 м/мин и 0,15 - при скорости менее 6 м/мин и реверсе;

i - число колец в уплотнении (рекомендуемое число колец в

зависимости от величины давления и диаметра цилиндра

приводится в таблице 3);

b - ширина поршневого кольца (определяется в зависимости от

диаметра поршня в соответствии с таблицей 4);

PК - монтажное (контактное) давление кольца, принимаемое равным 0,1 - 0,2 МПа.

Таблица 3- Определение числа поршневых колец

Таблица 4- Определение ширины поршневого кольца

Силу трения при уплотнении резиновыми кольцами определяют по зависимости

F тр=qкd , Н

(17)

где d - диаметр уплотняемого соединения;

qК - удельная сила трения на единицу длины уплотнения, определяется по графику (рисунок 2).

Рисунок 2.- График для определения удельной силы трения

Суммарная сила трения FТР определяется в зависимости от выбранных типов уплотнений на штоке и поршне, то есть

F тр= , Н

(17)

Металлические кольцевые уплотнения удовлетворительно работают при давлениях от 7 до 10 МПа (при диаметрах до 180 мм).

Их недостатком является необеспечение полной герметичности и неисключение возможности появления задиров.

Кольцевые резиновые уплотнения в подвижных соединениях работают при рабочих давлениях до 32 МПа; резиновые манжетные и шевронные из прорезиненных материалов - до 50 МПа.