Способ определения деформаций гидроцилиндра под нагрузкой с шарнирными опорами штока и цилиндра
METHOD OF HYDRAULIC CYLINDER DEFORMATION UNDER LOAD WITH HINGE SUPPORTS OF ROD AND CYLINDER

Предлагаемое изобретение может быть использовано, преимущественно, для оценки деформаций гидростоек шахтной крепи с целью определения эффективности их конструкции и/или наличия необходимых зазоров для работы уплотнений поршня и цилиндра в условиях нагрузок, приближенных к условиям применения. При приложении нагрузки на гидроцилиндр под действием рабочей жидкости появляются радиальные деформации цилиндра, а также при работе гидроцилиндра за счет зазоров между поршнем и цилиндром продольная ось цилиндра может наклоняться от первоначального положения, в результате чего происходит перекос продольных осей цилиндра и штока с поршнем между собой, что также ведет к увеличению уплотняемого зазора и ухудшает условия работы уплотнительных элементов сопряжения поршня и цилиндра. Поэтому, с целью подбора уплотнения, соответствующего реальным уплотняемым зазорам, для гидроцилиндра с шарнирными опорами штока и цилиндра требуется определение его деформаций под нагрузкой.
Известно цифровое устройство косвенного измерения больших и малых наружных диаметров (пат. РФ на полезную модель №77416, МПК G01 5/08, опубл. 20.10.2008), согласно которому способ определения диаметров заключается в том, что устанавливают измерительную базу в контакте с внешней поверхностью цилиндра и измерительный элемент в измерительный контакт с внешней поверхностью цилиндра и на основе его данных определяют наружный диаметр. При этом используют измерительный элемент в виде индикатора прямолинейных перемещений, который устанавливают относительно измерительной базы с образованием измерительной точки, расположенной на внешней поверхности цилиндра в плоскости измерения, перпендикулярной продольной оси цилиндра, и с возможностью перемещения измерительной точки относительно поверхности цилиндра.
Недостатком данного способа является невозможность определения величины угла и направления наклона продольной оси цилиндра относительно измерительной базы в составе гидроцилиндра при изменении нагрузки, а значит невозможность определения угла перекоса цилиндра и поршня со штоком между собой из-за того, что измерительная база находится в контакте с поверхностью цилиндра и смещается вместе с ней при деформациях гидроцилиндра.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ определения деформаций гидроцилиндра под нагрузкой с шарнирными опорами штока и цилиндра, примененный в импульсном стенде для исследования характеристик шахтных гидростоек (а.с. СССР №303442, МПК E21D 15/44, опубл. 03.05.1971, Бюл. №16), при котором устанавливают поршень со штоком в положение, когда в поршневой полости имеется рабочая жидкость, позиционируют цилиндр в исходном положении относительно рамы, устанавливают измерительные элементы в контакт с внешней поверхностью цилиндра, затем фиксируют показания измерительных элементов, затем создают или изменяют направленную по прямой линии, соединяющей центры шарнирных опор штока и цилиндра, нагрузку на гидроцилиндр, после чего снова фиксируют показания измерительных элементов и по разнице их показаний до и после изменения нагрузки определяют радиальные деформации цилиндра на основе данных перемещений его внешней поверхности. В качестве измерительных элементов используют тензорезисторы, которые устанавливают в контакт с поверхностью цилиндра путем наклеивания.
Недостатком данного способа является высокая трудоемкость установки измерительных элементов в контакт с поверхностью цилиндра из-за необходимости наклеивания тензорезисторов, необходимость использования дополнительных измерительных приборов для тарировки тензорезисторов, а также низкие функциональные возможности из-за невозможности определения угла наклона продольной оси цилиндра от первоначального значения после изменения нагрузки, с помощью которого можно определить перекос продольных осей цилиндра и штока с поршнем между собой.
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение трудоемкости установки измерительных элементов в контакт с поверхностью цилиндра, путем исключения их неразъемного соединения между собой, а также обеспечение определения радиальных деформаций и угла наклона продольной оси цилиндра от первоначального значения после изменения нагрузки без использования дополнительных средств измерения.
Для достижения указанного технического результата в способе, при котором устанавливают поршень со штоком в положение, когда в поршневой полости имеется рабочая жидкость, позиционируют цилиндр в исходном положении относительно рамы и устанавливают измерительные элементы в измерительный контакт с внешней поверхностью цилиндра, затем, фиксируют показания измерительных элементов, затем, создают или изменяют направленную по прямой линии, соединяющей центры шарнирных опор штока и цилиндра, нагрузку на гидроцилиндр, после чего снова фиксируют показания измерительных элементов и по разнице их показаний до и после изменения нагрузки определяют радиальные деформации и угол наклона цилиндра на основе данных перемещений его внешней поверхности, применены следующие новые признаки.
Рама, относительно которой позиционируют цилиндр является измерительной базой. Используют измерительные элементы в виде четырех индикаторов прямолинейных перемещений, которые устанавливают неподвижно относительно измерительной базы попарно, по разные стороны от продольной оси цилиндра, в две взаимно перпендикулярные линии измерения в плоскости измерения, перпендикулярной продольной оси цилиндра до создания или изменения нагрузки на гидроцилиндр, и с возможностью перемещения мест измерительного контакта с внешней поверхностью цилиндра, перед созданием или изменением нагрузки на гидроцилиндр индикаторы устанавливают так, что линия прямолинейных перемещений индикаторов перпендикулярна измеряемой поверхности, измерения производят между параллельными линиями, проведенными касательно к измеряемым поверхностям цилиндра до и после изменения нагрузки, и по разнице их показаний до и после изменения нагрузки, с учетом расстояния от центра шарнирной опоры цилиндра до плоскости измерения, производят определение величины и направления наклона продольной оси цилиндра от первоначально установленных значений, с учетом которых определяют радиальные деформации цилиндра в поперечном его сечении.
В частном случае, возможность перемещения мест измерительного контакта с внешней поверхностью цилиндра обеспечена применением в качестве индикаторов прямолинейных перемещений индикаторов часового типа, измерительные штоки которых образуют непосредственный измерительный контакт с внешней поверхностью цилиндра и упруго прижаты к внешней поверхности цилиндра
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена измерительная схема, вид сбоку; на фиг. 2 - разрез по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид сбоку в увеличенном виде.
Способ определения деформаций гидроцилиндра под нагрузкой с шарнирными опорами штока и цилиндра заключается в следующем.
Шарнирными опорами штока 2 и цилиндра 3 могут являться сферические шарниры и/или продольные однонаправленные шарниры.
Устанавливают поршень 1 со штоком 2 гидроцилиндра путем его раздвижки в положении, при котором в поршневой полости имеется рабочая жидкость.
Позиционируют цилиндр 3 гидроцилиндра в исходном положении относительно рамы, являющейся измерительной базой 4. Устанавливают измерительные элементы в измерительный контакт с внешней поверхностью цилиндра 3. При этом используют измерительные элементы в виде четырех индикаторов 5 прямолинейных перемещений, которые устанавливают неподвижно относительно измерительной базы 4 попарно, по разные стороны от продольной оси цилиндра 3, в две взаимно перпендикулярные линии измерения в плоскости измерения, перпендикулярной продольной оси цилиндра до создания или изменения нагрузки на гидроцилиндр. Места измерительного контакта с внешней поверхностью цилиндра 3 имеют возможность перемещения, в том числе как в процессе создания или изменения нагрузки на гидроцилиндр, так и при их передвижении продольно внешней поверхности цилиндра 3 при позиционировании, что может быть обеспечено, например, применением в качестве индикаторов 5 прямолинейных перемещений индикаторов часового типа, измерительные штоки 6 которых образуют непосредственный измерительный контакт с внешней поверхностью цилиндра 3 и упруго прижаты к внешней поверхности цилиндра 3. Измерительные элементы, а именно индикаторы 5 прямолинейных перемещений, устанавливают в измерительный контакт с внешней поверхностью цилиндра 3 в том месте вдоль его продольной оси, где требуется производить измерение, причем индикаторы 5 прямолинейных перемещений могут быть установлены как в зоне поршневой, так и в зоне штоковой полости раздвинутого гидроцилиндра.
Затем, фиксируют показания измерительных элементов, а именно четырех индикаторов 5 прямолинейных перемещений. Измерения производят между параллельными линиями, проведенными касательно к измеряемой внешней поверхности цилиндра 3 до и после изменения нагрузки, для этого, например, измерительные штоки 6 индикаторов 5 прямолинейных перемещений часового типа могут быть выполнены с рабочей поверхностью в виде ножа, прямолинейное острие которого перпендикулярно направлению измерения и лежит в плоскости измерения.
После чего создают или изменяют направленную по прямой линии, соединяющей центры шарнирных опор штока 2 и цилиндра 3, нагрузку на гидроцилиндр. Нагрузка на гидроцилиндр может быть создана, например, с помощью приложения внешней силы Р (фиг. 1) нагрузочным механизмом 6 на шарнирную опору штока 2 при закрытой поршневой полости, либо путем ограничения раздвижки гидроцилиндра и подачи рабочей жидкости в его поршневую полость. В результате изменения нагрузки на гидроцилиндр происходит изменение давления в рабочих поршневой или штоковой полостях, что оказывает влияние на деформированное состояние цилиндра 3, а также, вследствие наличия зазоров между поршнем 1 и цилиндром 3, приводит к изменению угла наклона продольной оси цилиндра 3 от первоначального значения, а значит к появлению перекоса продольных осей штока 2 с поршнем 1 и цилиндра 3 между собой, что ухудшает условия работы уплотнительных элементов 7 сопряжения поршня 1 и цилиндра 3, так как за счет перекоса дополнительно изменяются форма и величина зазора между ними.
По разнице показаний индикаторов 5 прямолинейных перемещений до и после изменения нагрузки, с учетом расстояния от центра шарнирной опоры цилиндра до плоскости измерения, производят определение величины и направления наклона продольной оси цилиндра 3 от первоначально установленных значений, которые можно определить геометрически из следующих зависимостей:
1
3
x
x
x
δ-δ=2L[sinα+(1-cosα)tgα],
2
4
y
y
y
δ-δ=2L[sinα+(1-cosα)tgα],
1
2
3
4
3
1
4
2
где δ, δ, δ, δ - разница показаний четырех индикаторов 5 прямолинейных перемещений до и после изменения нагрузки, имеющая положительное значение при увеличении показаний (сокращении индикаторов 5) и отрицательное при уменьшении показаний (раздвижки индикаторов 5), при этом пары δ и δ, δ и δ - показания по перпендикулярным друг другу прямым линиям с противоположных относительно продольной оси цилиндра 3 сторон (фиг. 2);
L - расстояние от центра шарнирной опоры цилиндра 3 до плоскости измерения;
х
у
α и α - углы наклона продольной оси цилиндра 3 от первоначально установленных значений в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, после изменения нагрузки (фиг. 3).
х
у
3
4
Затем, с учетом значений углов α и α и значений, например, δ и δ определяют радиальные деформации цилиндра 3 в поперечном его сечении, которые можно определить геометрически из следующих зависимостей:
3
x
x
x
x
x
x
x
δ=Lsinα+(R+dR)(cosα+sinαtgα)+L(1-cosα)tgα-R,
4
y
y
y
y
y
y
y
δ=Lsinα+(R+dR)(cosα+sinαtgα)+L(1-cosα)tgα-R,
где R - исходный радиус цилиндра до изменения нагрузки;
x
y
dR и dR - радиальные деформации цилиндра 3 в виде изменения радиуса внешней поверхности цилиндра 3 после изменения нагрузки, в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, соответственно, направленные по осям х и у;
1
2
3
4
3
1
4
2
δ, δ, δ, δ - разница показаний четырех индикаторов 5 прямолинейных перемещений до и после изменения нагрузки, имеющая положительное значение при увеличении показаний (сокращении индикаторов 5) и отрицательное при уменьшении показаний (раздвижки индикаторов 5), при этом пары δ и δ, δ и δ - показания по перпендикулярным друг другу прямым линиям с противоположных относительно продольной оси цилиндра 3 сторон (фиг. 2);
L - расстояние от центра шарнирной опоры цилиндра 3 до плоскости измерения;
х
у
α и α - углы наклона продольной оси цилиндра 3 от первоначально установленных значений в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, после изменения нагрузки (фиг. 3).
х
у
Направление и величину смещения в пространстве продольной оси гидроцилиндра в месте измерения, а также перекос продольных осей цилиндра 3 и штока 2 с поршнем 1 между собой далее, при необходимости, может быть геометрически определен с учетом значений углов α и α, расстояния от центра шарнирной опоры цилиндра 3 до плоскости измерения L и текущей величины расстояния поршня 1 до дна цилиндра 3 (текущей раздвижки гидроцилиндра).
Погрешность определения деформаций гидроцилиндра под нагрузкой с шарнирными опорами штока и цилиндра определяется погрешностью индикаторов 5 прямолинейных перемещений и их базирования относительно рамы, являющейся измерительной базой 4, точностью измерения расстояния L от центра шарнирной опоры цилиндра 3 до плоскости измерения, а также погрешность обусловлена локальными неровностями внешней поверхности цилиндра 3, по которой происходит перемещение места измерительного контакта индикаторов 5 прямолинейных перемещений под действие нагрузки.
Таким образом, происходит уменьшение трудоемкости установки измерительных элементов в виде четырех индикаторов 5 прямолинейных перемещений в контакт с внешней поверхностью цилиндра 3, путем исключения их неразъемного соединения между собой, а также одновременное обеспечение определения радиальных деформаций и угла наклона продольной оси цилиндра 3 от первоначального значения после изменения нагрузки без использования дополнительных средств измерения, в частности, необходимых тарировки тензорезисторов.