Одноступенчатые штоки гидравлических лифтов, работающие на сжатие

В лифтах, в которых нагрузка, создаваемая собственным весом лифта и весом поднимаемых пассажиров или грузов, приходится на основание шахты, поршень перемещается в том же направлении, что и кабина. Поскольку жидкость под давлением, противодействующим действию нагрузки, стремится выталкивать поршень из цилиндра, для удержания жидкости достаточно и наиболее экономично устанавливать только одно уплотнение на головке цилиндра [23].

Как уже говорилось, шток поршня может оказывать прямое или косвенное воз-
действие на корпус кабины.

В первом случае его верхняя часть оборудуется сферической самоустанавливающейся опорой. Это позволяет уменьшить передачу на шток изгибающих моментов, которые могут возникать при загрузке и разгрузке или при эксцентричном положении груза в кабине.

Во втором случае, т.е. когда кабина удерживается канатами, к верхней части штока гидроцилиндра прикрепляется стальная рама со шкивами канатного мультипликатора (рис.3.6). Эта конструкция имеет ползуны, которые скользят по направляющим, обеспечивая вертикальную траекторию перемещения головки штока и исключая перекос в плунжерной паре.

Как в одном, так и в другом случае поршень действует как стержень, на верхний конец которого действует сила тяжести кабины и груза.

Конструкция штока должна обладать достаточной прочностью и необходимым запасом продольной устойчивости.

Из теории продольной устойчивости известно, что устойчивая или неустойчивая форма оси сжатого стержня существенно зависит от величины сжимающей силы.

Сжимающая нагрузка стержня, при которой прямолинейная форма его продольной оси перестает быть формой устойчивого равновесия, получила название критической.

При нагрузке, превышающей критическую величину, прямолинейная форма оси стержня становится неустойчивой и стержень переходит к новой криволинейной форме устойчивого равновесия. Эта криволинейная форма устойчива, но даже при крайне небольшом превышении критической нагрузки внезапно возникает резко нарастающий поперечный прогиб стержня, завершающийся его разрушением, так как напряжения достигают предела прочности материала. Так, при шарнирном закреплении верхнего и нижнего концов продольно сжатого стержня, даже если нагрузка превышает критическое значение всего на 0,1 %, максимальный прогиб в середине пролета стержня длиной е имеет величину умакс = 0,0282 • е ,

Математическое исследование продольной устойчивости впервые было выполнено известным русским математиком Эйлером еще в 1744 году. Им была получена аналитическая зависимость для расчета величины критической силы, при которой сжатый стержень с жесткой заделкой опорной части теряет устойчивость:

При практическом рассмотрении задачи продольной устойчивости штока гидроцилиндра, следует помнить, что в идеальном случае, т.е. когда предполагается, что ось стержня идеально прямолинейна, материал однороден, а точка приложения нагрузки на верхний конец совпадает с центром поперечного сечения, кривая сила-деформация является прямой линией, совпадающей с осью нагрузки (отрезок 1 на рис. 3.21). Иначе говоря, под действием силы, меньшей, чем критическая Ре, ось штока остается прямолинейной [23].

С чисто теоретической точки зрения, даже если Р> Ре, ось может оставаться прямолинейной (отрезок 2). Однако, достаточно незначительного изменения нагрузки для перехода от состояния неустойчивого равновесия к изгибу стержня (отрезок 3), поскольку линия действия нагрузки уже не проходит через центр тяжести сечения и возникает
момент сжимающей силы Ме, зависящий от величины деформации стержня. Лавинообразное возрастание изгибающего момента приводит к потере устойчивости с последующим разрушением стержня.

В идеальном случае до тех пор, пока нагрузка Р< Ре, стержень остается прямым в состоянии устойчивого равновесия. Если же сжимающая сила Р достигает значения Р& происходит внезапное разрушение, когда внутренние напряжения, вызванные прогибом, превышают предел прочности материала.

В реальной производственной практике условия идеальной прямолинейности, однородности материала и точного совпадения точки приложения нагрузки с центром тяжести сечения стержня конечно же, никогда не выполняются.

Продольно сжатый стержень изгибается даже при нагрузке меньше Ре (отрезки 4 и 5 на рис.3.21), так как при наличии начального эксцетрицитета^ стрела прогиба увеличивается с ростом нагрузки Р, пока величина механических напряжений в материале стержня не достигнет предела прочности и стержень не разрушится.

Предельная нагрузка Рсп соответствующая достижению предела прочности, тем больше приближается к, критическому значению Ре, чем меньше начальное значение величины и чем эффективнее меры по устранению начальных конструктивных и технологических дефектов.

Проблема предельной нагрузки штока гидроцилиндра имеет два аспекта: устойчивость и прочность.

Вопросы продольной устойчивости имеют преимущественное значение при относительно небольших начальных дефектах и тонкостенной конструкции штока.

Прочностной аспект превалирует при наличии существенных начальных дефектов и значительном поперечном сечении штока.

При использовании гидравлических лифтов, кроме исключительных случаев, поршни могут быть сравнимы с тонкими стержнями, поэтому большое значение приобретает их устойчивость к пиковым предельным нагрузкам.

Что касается неизбежных дефектов, следует учитывать, что в процессе изготовления обеспечивается почти абсолютная прямолинейность оси штока. Отклонение от прямолинейности оси не превышает 0,5 мм на длину штока (плунжера).

Для исключения дополнительных погрешностей в ходе монтажа максимальное внимание следует уделять тому, чтобы поршень занимал строго вертикальное положение и чтобы действие его силы тяжести не создавало начального прогиба.

Конструкция гидравлических лифтов, при наличии направляющих кабины, сферической самоустанавливающейся опоры головки штока гидроцилиндра прямого действия или дополнительных направляющих башмаков при канатной подвеске кабины, практически обеспечивает центральное приложение нагрузки и отсутствие действия поперечных сил на продольно сжатый шток гидроцилиндра.

Следовательно, с хорошим приближением, можно считать, что определяющей устойчивость штока величиной является величина критической нагрузки Ре при соответствующем нормативном значении коэффициента запаса устойчивости.

При прочностном расчете по пределу текучести шток отождествляется с толстым стержнем, когда его относительное удлинение не превышает 100 ^ 110.

Как в случае применения гидроцилиндра прямого действия, так при использовании канатного мультипликатора верхняя часть штока имеет шарнирное крепление, допускающее только вертикальное перемещение.

Нижняя часть штока плунжера, при полностью выдвинутом расчетном положении, фиксируется направляющими кольцами головки цилиндра.

Поскольку расстояние между направляющими кольцами ограничено, можно считать, что и на нижнем конце поршня имеется шарнир.

Согласно нормам международного стандарта и нормативам, действующим в Италии в настоящее время, поршень должен быть рассчитан на:

- простое сжатие с коэффициентом надежности(запаса) не ниже 6 относительно величины предела прочности применяемого материала;

- устойчивость при критической нагрузке Ре с коэффициентом надежности не ниже 3, при шарнирном креплении и минимальной гибкости = 100.

Что касается целесообразности уменьшения веса поршня, то следует учитывать, что если, с одной стороны, вес поршня в сумме с весом кабины определяет фазу спуска лифта, то с другой стороны, он служит для задания максимального статического давления, лежащего в основе определения размеров всего гидравлического оборудования. И, наконец, не следует забывать о том, что на его подъем также затрачивается энергия.

Известно, что центральная часть заполненного круглого сечения незначительно влияет на увеличение момента инерции.

Поскольку при одинаковом внешнем диаметре уменьшение веса, достигаемое благодаря полой конструкции, более ощутимо, чем последующее уменьшение момента инерции, можно достичь нужного компромиссного решения. Обычно это достигается при использовании тонкостенной трубы, при а > 0,7

Имели место многочисленные попытки повышения продольной устойчивости плунжеров(штоков) различными техническими приемами. Одни предлагали заполнить полую часть инертным газом при повышенном давлении, другие- заполнить ее рабочей жидкостью.

Все они оказались безуспешными, так как не уменьшали и принципиально не могли уменьшить поперечную гибкость, определяющую эффект потери устойчивости.

Внешняя поверхность поршня тщательно шлифуется для уменьшения трения и износа уплотнений. Опыт показывает, что бесполезно, а в некоторых случаях и нежелательно, чрезмерно уменьшать шероховатость поверхности.

При использовании плунжеров (штоков) с тщательно полированной и хромированной поверхностью с шероховатостью 0,025 --- 0,2 мкм, существенно уменьшается сопротивление трению и повышается срок службы уплотнений. Однако, в этом случае отмечаются явления прилипания уплотнений, в связи с чем, плунжер начинает двигаться рывками. Выходом из подобной ситуации является соответствующий выбор материала уплотнений.