Разработка уточненной методики инженерного расчета контактных напряжений в опорах вала буровой лебёдки
|
Введение 4
1 Анализ эксплуатации и расчета опор вала буровых лебедок 6
1.1 Общее устройство и применение буровых лебедок 6
1.2 Опоры подъемного вала буровых лебедок 14
1.3 Причины выхода из строя подшипников качения вала буровой лебедки..18
1.4 Методы расчета опор с подшипниками качения 21
1.4.1 Износо-контактные задачи 23
1.4.2 Численные методы решения контактных задач 29
1.5 Выводы 32
2 Применение программных пакетов для расчета опор качения 34
2.1 Обзор программного обеспечения 34
2.2 Описание программного пакета ELCUT 39
2.3 Выводы 41
3 Анализ расчетной схемы и алгоритма для решения задач упругости в
подшипниковой опоре качения 42
3.1 Расчетная схема 42
3.2 Алгоритм решения задач упругости в программном пакете ELCUT 45
3.3 Выводы 54
4 Расчет контактных напряжений в опорах вала буровой лебедки 55
4.1 Исходные данные для расчета 55
4.2 Расчет 55
4.3 Анализ произведённого расчета 59
4.4 Выводы 64
Заключение 66
Список использованных источников 68
Приложение А Распределение физических величин по поверхности 71 Приложение Б Распределение физических величин на площадке сцепления по
глубине 73
Приложение В Распределение физических величин на площадке скольжения по
глубине 75
Приложение Г Комплект чертежей
1 Анализ эксплуатации и расчета опор вала буровых лебедок 6
1.1 Общее устройство и применение буровых лебедок 6
1.2 Опоры подъемного вала буровых лебедок 14
1.3 Причины выхода из строя подшипников качения вала буровой лебедки..18
1.4 Методы расчета опор с подшипниками качения 21
1.4.1 Износо-контактные задачи 23
1.4.2 Численные методы решения контактных задач 29
1.5 Выводы 32
2 Применение программных пакетов для расчета опор качения 34
2.1 Обзор программного обеспечения 34
2.2 Описание программного пакета ELCUT 39
2.3 Выводы 41
3 Анализ расчетной схемы и алгоритма для решения задач упругости в
подшипниковой опоре качения 42
3.1 Расчетная схема 42
3.2 Алгоритм решения задач упругости в программном пакете ELCUT 45
3.3 Выводы 54
4 Расчет контактных напряжений в опорах вала буровой лебедки 55
4.1 Исходные данные для расчета 55
4.2 Расчет 55
4.3 Анализ произведённого расчета 59
4.4 Выводы 64
Заключение 66
Список использованных источников 68
Приложение А Распределение физических величин по поверхности 71 Приложение Б Распределение физических величин на площадке сцепления по
глубине 73
Приложение В Распределение физических величин на площадке скольжения по
глубине 75
Приложение Г Комплект чертежей
В настоящее время проектирование с использованием компьютерного моделирования очень часто применяется в различных сферах деятельности человека. Моделирование в целях упрощения научных изысканий начали использовать еще в глубокой древности и со временем стали использовать практически во всех сферах науки: в конструировании, строительстве и архитектуре, астрономии, физике, химии, биологии и, в конце концов, в общественных науках.
Большинство задач, с которыми на данный момент сталкиваются исследователи и инженеры, не поддаются аналитическому решению или на их реализацию требуются огромные затраты сил и времени. Развитие в области реализации численных расчетных методов и моделирования с использованием компьютерного обеспечения дает возможность решать задачи более широкого круга. Данные, полученные при использовании таких методов решения задач, применяются практически во всех областях техники.
Укрупненный порядок решения классической инженерной задачи состоит из следующих основных этапов:
- предварительный анализ задачи;
- препроцессинг (CAD-технологии);
- решение (CAE-технологии);
- постпроцессинг (анализ и оценка);
- испытания (CAT-технологии).
Шаг предварительного анализа задачи подразумевает определение типа решаемой задачи и объекта моделирования. В основном, инженерные задачи, решаемые при помощи компьютерного моделирования, разделяются на следующие направления:
-прочность (движение твердых тел, давление твердого тела, контакт твердых тел);
- тепло (нагревание, высокие температуры, изменение температуры);
-электромагнетизм (устройство под действием постоянного или переменного тока, электромагнитные волны, возбуждение напряжений или заряда).
-жидкость (движение жидкости или газов в ограниченном объеме);
-газодинамика (движение объекта в воздушном либо жидкостном потоке);
-мультифизика (любая комбинация вышеперечисленных величин);
-связанные задачи.
Задача определения контактных напряжений имеет большое значение для расчета на прочность подшипников, зубчатых и червячных передач, шариковых и цилиндрических катков, кулачковых механизмов и других деталей машин. Использование программных пакетов для компьютерного моделирования упрощает решение подобного рода задач.
На данный момент существует большое количество программных продуктов, используемых для решения инженерных задач практически во всех отраслях техники. Метод конечных элементов, который является численным методом решения дифференциальных уравнений с частными производными, а также интегральных уравнений, возникающих при решении задач прикладной физики, является основным методом для таких расчетных программ. Данный метод широко применяется для нахождения решения задач механики деформируемого твёрдого тела, теплообмена, гидродинамики и электродинамики. Это позволяет решить большой круг инженерных задач, что иногда бывает невозможно при применении в расчетах с использованием классических методов.
Большинство задач, с которыми на данный момент сталкиваются исследователи и инженеры, не поддаются аналитическому решению или на их реализацию требуются огромные затраты сил и времени. Развитие в области реализации численных расчетных методов и моделирования с использованием компьютерного обеспечения дает возможность решать задачи более широкого круга. Данные, полученные при использовании таких методов решения задач, применяются практически во всех областях техники.
Укрупненный порядок решения классической инженерной задачи состоит из следующих основных этапов:
- предварительный анализ задачи;
- препроцессинг (CAD-технологии);
- решение (CAE-технологии);
- постпроцессинг (анализ и оценка);
- испытания (CAT-технологии).
Шаг предварительного анализа задачи подразумевает определение типа решаемой задачи и объекта моделирования. В основном, инженерные задачи, решаемые при помощи компьютерного моделирования, разделяются на следующие направления:
-прочность (движение твердых тел, давление твердого тела, контакт твердых тел);
- тепло (нагревание, высокие температуры, изменение температуры);
-электромагнетизм (устройство под действием постоянного или переменного тока, электромагнитные волны, возбуждение напряжений или заряда).
-жидкость (движение жидкости или газов в ограниченном объеме);
-газодинамика (движение объекта в воздушном либо жидкостном потоке);
-мультифизика (любая комбинация вышеперечисленных величин);
-связанные задачи.
Задача определения контактных напряжений имеет большое значение для расчета на прочность подшипников, зубчатых и червячных передач, шариковых и цилиндрических катков, кулачковых механизмов и других деталей машин. Использование программных пакетов для компьютерного моделирования упрощает решение подобного рода задач.
На данный момент существует большое количество программных продуктов, используемых для решения инженерных задач практически во всех отраслях техники. Метод конечных элементов, который является численным методом решения дифференциальных уравнений с частными производными, а также интегральных уравнений, возникающих при решении задач прикладной физики, является основным методом для таких расчетных программ. Данный метод широко применяется для нахождения решения задач механики деформируемого твёрдого тела, теплообмена, гидродинамики и электродинамики. Это позволяет решить большой круг инженерных задач, что иногда бывает невозможно при применении в расчетах с использованием классических методов.
В результате данной работы был проведён анализ эксплуатации буровой лебёдки, в частности подшипниковых опор подъёмного вала, определены основные причины выхода их из строя. На подшипниковые опоры действуют большие нагрузки, влияющие на износостойкость и долговечность узла и агрегата в целом, этим обосновывается необходимость в появлении различных методик расчета контактных напряжений в подшипниковых опорах.
Был проведён поиск основных методик решения контактных задач, вследствие чего были сделаны выводы о необходимости уточнения классических расчетов, не учитывающих условия трения при контакте, свойства поверхностей тел, а также граничные условия.
Для достижения поставленной цели был произведён анализ существующих программных пакетов, применяемых для расчета контактных напряжений методом конечных элементов, при котором учитывающих граничные условия и нагрузки при взаимодействии контактирующих тел.
Из группы рассмотренных программ выбрана студенческая версия программного пакета ELCUT, включающая в себя функцию, необходимую для достижения поставленной цели. Для проведения необходимого расчета изучен интерфейс программного пакета, его функционал, алгоритм составления расчетной модели, получения сетки конечных элементов для исследуемого образца и решения поставленной контактной задачи.
На данный момент решение инженерных задач производится на базе программного обеспечения, это поднимает проектную работу на качественно новый уровень, при этом возрастает интенсивность и качество результата проектирования, решение сложных инженерных задач стало более обосновано, хотя раньше они решались только упрощёнными методами, то есть с исключением из расчета различных условий, значительно усложняющих расчет.
Анализ контактных напряжений производился на основе площадки контакта Герца, с учетом скольжения и сцепления. В результате расчета были получены цветные карты распределения касательных напряжений, распределение напряжений в соответствии с критерий Мизеса, а также построены графики распределения касательных напряжений вдоль поверхности контакта и по глубине на площадках скольжения и сцепления соответственно. Проверено соответствие исследуемой модели критерию Мизеса.
Из полученных графиков сделаны выводы о том, что напряжения в крайних точках площадки контакта не равны нулю, а распространяются далее по дорожке качения, что уточняет методику расчета напряжений теории Герца. Следовательно, поставленная цель данной работы была достигнута.
Результатом применения данной методики расчета контактных напряжений взаимодействующих тел является учет свойств материала, из которых состоят контактирующие тела, сил трения, нагрузок, краевых условий, вследствие чего результат, полученный с помощью программного пакета ELCUT, можно считать более точным по сравнению с классическими методиками расчета, не учитывающих данные условия.
Был проведён поиск основных методик решения контактных задач, вследствие чего были сделаны выводы о необходимости уточнения классических расчетов, не учитывающих условия трения при контакте, свойства поверхностей тел, а также граничные условия.
Для достижения поставленной цели был произведён анализ существующих программных пакетов, применяемых для расчета контактных напряжений методом конечных элементов, при котором учитывающих граничные условия и нагрузки при взаимодействии контактирующих тел.
Из группы рассмотренных программ выбрана студенческая версия программного пакета ELCUT, включающая в себя функцию, необходимую для достижения поставленной цели. Для проведения необходимого расчета изучен интерфейс программного пакета, его функционал, алгоритм составления расчетной модели, получения сетки конечных элементов для исследуемого образца и решения поставленной контактной задачи.
На данный момент решение инженерных задач производится на базе программного обеспечения, это поднимает проектную работу на качественно новый уровень, при этом возрастает интенсивность и качество результата проектирования, решение сложных инженерных задач стало более обосновано, хотя раньше они решались только упрощёнными методами, то есть с исключением из расчета различных условий, значительно усложняющих расчет.
Анализ контактных напряжений производился на основе площадки контакта Герца, с учетом скольжения и сцепления. В результате расчета были получены цветные карты распределения касательных напряжений, распределение напряжений в соответствии с критерий Мизеса, а также построены графики распределения касательных напряжений вдоль поверхности контакта и по глубине на площадках скольжения и сцепления соответственно. Проверено соответствие исследуемой модели критерию Мизеса.
Из полученных графиков сделаны выводы о том, что напряжения в крайних точках площадки контакта не равны нулю, а распространяются далее по дорожке качения, что уточняет методику расчета напряжений теории Герца. Следовательно, поставленная цель данной работы была достигнута.
Результатом применения данной методики расчета контактных напряжений взаимодействующих тел является учет свойств материала, из которых состоят контактирующие тела, сил трения, нагрузок, краевых условий, вследствие чего результат, полученный с помощью программного пакета ELCUT, можно считать более точным по сравнению с классическими методиками расчета, не учитывающих данные условия.