Weight loss method of hydraulic drive



如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅或者付费存取

详细

The article explores the prospect of reducing the weight of a hydraulic drive by altering the design and manufacturing technology of the drive's actuator—the hydraulic cylinder. It suggests the possibility of changing the material of the hydraulic cylinder to a composite, which offers a low production cost.

全文:

Гидравлический привод имеет очень широкое распространение в различных отраслях народного хозяйства. Бесспорными преимуществами гидравлического привода являются: Простота конструкции элементов привода, высокие значения силовых характеристик, малые переходные процессы. К недостаткам относят: большие габариты, высокие требования к качеству рабочей жидкости, большая масса. Гидравлический привод нашел применение в системах управления летательных аппаратов из-за преимуществ, указанных выше. Предлагается и рассматривается метод уменьшения массы гидроцилиндра, что является актуальной проблемой для самолетов, беспилотников, космических ракет и аппаратов.

Общие сведения о конструкции гидроцилиндра

Гидравлический цилиндр – объемный гидравлический двигатель возвратно-поступательного действия. Основными составляющими являются гильза(корпус) – неподвижная часть и шток с поршнем – подвижная. Гидравлический цилиндр очень распространен во много из-за его высокого коэффициента полезного действия и простоты конструкции.

Описание предполагаемого метода снижения массы

Предлагается метод уменьшения массы за счет изменения материала гильзы гидроцилиндра применением композиционного материала. Композиционными материалами называют материалы, состоящие из двух и более компонентов и обладающие свойствами, отличными от свойств составляющих их компонентов.

Композитные материалы с алюминиевой матрицей становятся одним из самых востребованных материалов в промышленности из-за широкого спектра их применения в транспортном бизнесе, в том числе в автомобилестроении, аэрокосмической промышленности, поскольку они играют важную роль в снижении шума и расхода топлива по сравнению с другими материалами [1].

Компоненты КМ (композиционный материал) различны по геометрическому признаку. Матрица – компонент, обладающий непрерывностью по всему объему, она связывает композицию, придает ей форму. От свойств матрицы зависят технология получения КМ и эксплуатационные свойства. В качестве матриц в КМ могут быть использованы металлы и их сплавы, полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и др. материалы. Компоненты, разделенные в объеме КМ и равномерно распределенные в матрице, являются армирующими наполнителями или упрочнителями. Наполнители должны обладать высокими прочностью, твердостью и модулем упругости по сравнению с матрицей. С увеличением модуля упругости и временного сопротивления наполнителя повышаются соответствующие свойства КМ, однако они не достигают свойств наполнителя [2].

В соответствии с геометрией армирующих элементов Композиционные материалы делятся на порошковые, волокнистые и пластинчатые [3]. В данном исследовании рассматривается волокнистый КМ. Металлические матричные композиты на основе матрицы из низкоуглеродистой стали, армированные проволокой из высокоуглеродистой стали, были изготовлены комбинированным процессом холодной и горячей прокатки. Были получены как непрерывно, так и прерывисто выровненные композиты [4].

КМ, состоящий из двух металлов представляет собой биметалл.

Биметаллические градиентные сплавы в последнее время привлекают внимание исследователей в связи с их потенциальным применением в аэрокосмической и автомобильной промышленности. В этом исследовании биметаллические градиентные сплавы Al-20Si/7075 были успешно изготовлены методом совместного формования распылением и методом прокатки [5]. Алюминиево–стальной композитный пенопласт, обработанный методом гравитационного литья, состоит из стальных полых сфер и матрицы из твердого алюминиевого сплава. Пенокомпозитный материал сталь–сталь, обработанный методом порошковой металлургии (ПМ), состоит из стальных полых сфер, упакованных в стальную матрицу [6]. Магний и алюминий используются в самых разных аэрокосмических конструкциях и транспорте.

Магниевые сплавы привлекли большое внимание в академических исследованиях и в промышленных приложениях благодаря таким свойствам, как низкая плотность, хорошая перерабатываемость, высокая прочность, хорошая литейность и хорошие демпфирующие характеристики. Однако магниевые сплавы также имеют некоторые недостатки, такие как высокая реакционная способность в расплавленном состоянии, худшая усталостная ползучесть и низкая теплопроводность [7].

 В отличии от рассматриваемых вариантов, делается выбор в пользу простого и дешевого в производстве, далее речь будет идти о решении предлагаемой прикладной задаче биметаллического композиционного материала.

Гильза гидроцилиндра преставляет собой металлическую трубу, обычно стальную, предлагается заменить стальную трубу на специальный композит, состоящий из алюминия в качестве матрицы и стальных стержней и колец как наполнителя. Необходимо сравнить по прочным характеристикам стальную гильзу с композитным. Существуют и другие варианты, однако они обладают более сложной технологией производства и высокой стоимостью, к примеру: материал полученный прессованием композиции алюминия и нанопорошков. Прутки полученные таким образом имеют волокнистое строение и лучшие свойства, по сравнению с другими металлическими композитами [8]. В лабораторных условиях изготовлены полуфабрикаты из алюминиевого сплава, армированного порошком, содержащим стабильную квазикристаллическую фазу, полученный материал продемонстрировал повышенные прочностные свойства [9].  Очень часто в композитах используется материалы на основе титана, однако из-за очень высокой стоимости применять такой композит повсеместно затруднительно и в данном исследовании не рассматривается. Многие исследователи отмечают, что алюминиды титана , образующиеся в этой системе, характеризуются высокой твердостью, коррозионной стойкостью, термостойкостью и низким удельным весом. Из большого числа возможных интерметаллидов, образующихся между алюминием и титаном, наибольший интерес вызывает Al3Ti. Уникальный набор механических свойств делает триалюминид титана перспективным материалом для авиастроения [10].

Разработка объемных моделей и расчеты в Ansys mechanical

Создана объемная модель стальной трубы и композитная, которая геометрически не отличается от стальной. Внешний диаметр труб 60 мм, внутренний 50 мм, длина 300 мм.

 

Рис. 1 Стальная труба

 

Рис. 2 Модель алюминиевой матрицы композитной трубы

 

Рис. 3 Модель стального армирующего наполнителя

После создания моделей и определения примерных массовых характеристик производится расчет в Ansys mechanical. Создается сетка в сеточном генераторе Mesh с размером элемента 10-3 м, для данного расчета такой точности достаточно. Расчет проводится в системе Static structural. Задаются жесткие заделки по краям трубы и статическое давление во внутренней поверхности, равное 10 МПа.

 

Рис.4 Эпюра напряжения стальной трубы

 

 

Рис.5 Эпюра деформации стальной трубы

 

Рис.6 Эпюра напряжения композитной трубы

 

Рис.7 Эпюра деформации композитной трубы

Сравнение основных характеристик композитной и стальной труб приведено в таблице 1.

Таблица 1

 

Стальная труба

Композитная труба

Масса, г

2039,76

826,72

Напряжение по Мизесу, МПа

122

141

Максимальная деформация, м

71·10-5

1,79·10-5

 

 

Алюминий является наиболее слабым материалом, поэтому разумно сравнить предел прочности алюминия с полученным в ходе расчета.

Из библиотеки материалов Workbench для матрицы был выбран Aluminum Alloy. Предел прочности на растяжение σв=280 МПа. Предел прочности материала АМГ2М составляет 200 МПа, что является достаточным для данного случая.

При исследовании боралюминиевого композита из сплава Амг3 была получена диаграмма растяжения, из которой видно что при максимальном напряжении в 200 МПа, деформация составляет 1% от габарита заготовки, что является приемлемым и доказывает способность алюминиевых КМ выдерживать значительные нагрузки [11]. Сплав АМг3 претерпевает до разрушения значительные деформации. Боралюминиевый композит на основе сплава АМг3 с наноразмерным карбидом бора характеризуется по сравнению с исходным сплавом повышенными на 40-110 МПа прочностными свойствами [12].

Заключение

В результате проведенных расчетов можно сделать вывод о том, что предложенную технологию можно применять для уменьшения массы гидравлического привода, однако разумно предполагать что это приведет к снижению долговечности по этому внедрения композитного корпуса рекомендуется в тех областях где долговечность оборудования не имеет большого значения, но остро стоит проблема большой массы конструкции. Создание корпусов гидравлических цилиндров подобной конструкции резко снижает предел максимально возможного давления.

×

作者简介

Nikita Krivosheev

Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University

编辑信件的主要联系方式.
Email: ax@hydraulicunit.ru
ORCID iD: 0009-0009-1754-4315

Postgraduate

Higher school of power engineering

Institute of energy

俄罗斯联邦

Matvei Musienko

Peter the Great St.Petersburg Polytechnic University

Email: ax@hydraulicunit.ru
ORCID iD: 0009-0001-5793-060X
SPIN 代码: 3931-9246

Student

俄罗斯联邦, Polytechnicheskaya str. 29, Main Building, Room 262, St. Petersburg, Russia 195251; tel.: +7 (812) 297-84-30

Alexander Zharkovsky

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: azharkovsky@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-3044-8768
SPIN 代码: 3637-7853
Scopus 作者 ID: 7004534701
Researcher ID: T-3278-2018

Dr. Sci. (Engineering), Professor, Professor of the Higher School of Power Engineering

俄罗斯联邦, 29 Polytechnicheskaya street, 195251 Saint Petersburg

参考

  1. Amanollahi A. et al. Laminated steel/aluminum composites: Improvement of mechanical properties by annealing treatment //Materials Today Communications. – 2021. – Vol. 29. – p. 102866.
  2. Composite Materials: Textbook / A.A. Kuzina. – Samara: Samara University Publishing, 2023. – 64 p.
  3. Bataev A.A. Composite Materials: Structure, Production, Application / A.A. Bataev, V.A. Bataev. Textbook. Moscow: University Book; Logos, – 2006. – 400 p.
  4. Sun S., Pugh M. Fabrication and mechanical properties of steel–steel composites //Materials Science and Engineering: A. – 2001. – Vol. 300. – No. 1-2. – p. 135-141.
  5. Rohem N.R.F. et al. Development and qualification of a new polymeric matrix laminated composite for pipe repair //Composite Structures. – 2016. – Vol. 152. – p. 737-745.
  6. Vendra L., Neville B., Rabiei A. Fatigue in aluminum–steel and steel–steel composite foams //Materials Science and Engineering: A. – 2009. – Vol. 517. – No. 1-2. – p. 146-153.
  7. Chen Z.J. et al. Deformation inhomogeneities of Mg–Al laminated metal composites fabricated by accumulative roll bonding //Materials Research Innovations. – 2015. – Vol. 19. – No.sup4.– p.S147-S151.
  8. Kochkina G.V., Krushenko G.G Calculating the strength of aluminum composite fibers //Current Issues of Aviation and Cosmonautics.–2013.–Vol1.–No9.–p113-114
  9. Kuis D.V.et al Aluminum composite reinforced with quasicrystalline Al-Cu-Fe particles //Proceedings of BSTU No2.Forestry and Woodworking Industry.–2015.–No2175.–p229-233
  10. Bataev I.A Structural and mechanical properties of metallic-intermetallic laminate composite produced by explosive welding and annealing /I.A.Bataev,A.A.Bataev,V.I.Mali,D.V.Pavliukova//Material and Design–2012.–No35.–p225-234
  11. Gladkovsky S.V Technology of production and properties of laminated steel-aluminum composites /S.V.Gladkovsky,T.A.Trunina,E.A.Kokovikhin,S.V.Smirnova(Kuteneva)//Roll Production–2011.–No12.–p25-29
  12. Gladkovsky S.V et al Structure and properties of boron-aluminum composites obtained by hot rolling //Proceedings of the Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences.–2011.–Vol13.–No1-2.–p361-364

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载

版权所有 © Eco-Vector,