автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Обоснование и выбор параметров гидростойки повышенной несущей способности для механизированных крепей

на правах рукописи

МИСЬКО Дмитрий Владимирович

УДК 622.022:621.227.3

ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ГИДРОСТОЙКИ ПОВЫШЕННОЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ДЛЯ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ

Специальность 05.05.06 - Горные машины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-2004

Работа выполнена в Московском государственном горном университете и в ОАО «Малаховский экспериментальный завод».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Балабышко Александр Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Красников Юрий Дмитриевич;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Санин Сергей Александрович.

Ведущая организация - ОАО «ГИПРОУГЛЕМАШ» (г. Москва)

Защита состоится £ //. О_на заседании

диссертационного совета Д-212.128.09 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991,Москва, В-409, Ленинский проспект, 6

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного горного университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. техн. наук, проф. Шешко Е.Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основным направлением комплексной механизации очистных работ является применение механизированных комплексов с гидрофицированными крепями. Комплексы оборудования с механизированными крепями являются.в настоящее время наиболее прогрессивными средствами механизации работ в очистных забоях.

Работоспособность. крепей при взаимодействии с кровлей во многом зависит от надежной работы гидростоек, предназначенных для создания определенного усилия сопротивления опусканию кровли.

Несущую способность стойки можно повысить несколькими способами:

• увеличением диаметра стойки (ее поршня);

• увеличением давления рабочей жидкости в стойке;

• усовершенствованием конструкции стойки без. изменения

диаметра и давления рабочей жидкости.

В первом случае увеличивается вес стойки и, следовательно, металлоемкость крепи. Во втором - повышение давления в стойке двойной гидравлической раздвижки приводит к возрастанию напряжений в её узлах.

Обзор и анализ проведенных ранее исследований по эксплуатации механизированных крепей показал, что применение серийно выпускаемых мехкрепей в условиях с нормально управляемыми кровлями обеспечивает высокие производственные показатели, однако в очистных забоях с трудноуправляемой кровлей, склонной к зависанию и периодическому крупноблочному обрушению, имеют место случаи повреждения механизированных крепей, которые можно ликвидировать путем усовершенствования конструкции гидравличгской стойки. Всё это указывает на необходимость проведения широкого круга исследований и обоснования параметров гидравлических стоек повышенной несущей способности, что является актуальной научной задачей.

Целью работы является установление зависимостей для обоснования и выбора параметров гидравлических стоек повышенной несущей способности для механизированных крепей.

Идея работы заключается в использовании дополнительных активных площадей плунжера гидравлических стоек с целью повышения несущей способности.

Научные положения, разработанные соискателем, и их новизна:

1. Математическая модель напряженного состояния гидростойки, построенная с использованием метода конечных элементов и позволяющая определить предел устойчивости стойки и прогибы в различных сечениях, а также выявить концентраторы местных напряжений.

2. Зависимость ресурса и величины деформации гид стойки от давления, позволяющая

БИБЛИОТЕКА

о» ^'

давления, обеспечивающего максимальный ресурс и повышение несущей способности гидравлической стойки.

3. Зависимость появления местных концентраторов напряжения от конструкции, позволяющая на стадии проектирования определить слабые места конструкции.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются использованием представительного объема экспериментальных и стендовых испытаний гидростоек, аналитических расчетов и моделирования их параметров, достаточной сходимостью расчетных и экспериментальных показателей (расхождение не превышает 10%), использованием для расчетных исследований и моделирования программного обеспечения по МКЭ - Design Space v.5.0 для Windows NT, выпущенного в 2000г.

Научное значение работы состоит в разработке математической модели, позволяющей определить предел устойчивости и прогибы в различных сечениях стойки, а также местные концентраторы напряжения.

Практическое значение работы заключается в разработке методики выбора параметров гидростоек повышенной несущей способности.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Разработанная методика выбора параметров гидроцилиндров гидростоек повышенной несущей способности утверждена и принята к использованию в ОАО «Малаховский экспериментальный завод» и в ООО «Гидротехнология».

С учетом рекомендаций, разработанных в диссертации, в ОАО «Малаховский экспериментальный завод» были изготовлены опытные образцы гидростоек повышенного рабочего сопротивления и проведены стендовые испытания. Промышленные испытания крепи были осуществлены ОАО «Воркутауголь», и по результатам испытаний было принято решение оснащать секции крепи стойками данного типа.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались на научно-практических конференциях «Неделя Горняка» (Москва, МГГУ, 2000-2002 гг.), на научном семинаре кафедры ГМО МГГУ (Москва, 2002г).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 работы.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, содержит 26 рисунков, 5 таблиц и список литературы из 62 наименований.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю - д.т.н., проф. A.M. Балабышко, зав. кафедры ГМО, д.т.н., проф. Л.И. Кантовичу, гл. механику ОАО «Воркутауголь» к.т.н. В.Ф. Тужикову и руководству ОАО «МЭЗ» за содействие и всестороннюю помощь в проведении исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Состояние вопроса, задачи исследования. Большой вклад в исследования в области гидравлики, разработку методов расчета, создание и внедрение в промышленную практику оригинальных конструкций стоек, предназначенных для повышения надежности работы механизированных крепей, внесли ученые и специалисты: Б.А. Александров, Ф.П. Глушихин, А.В. Докукин, В.И. Клишин, А.Ф. Кожухов, Ю.А. Коровкин, СВ. Мамонтов, Б.К. Мышляев, Ю.Ф. Пономаренко, В.М. Рачек, А.С. Садыков, С.А. Санин, В.Н. Хорин, СИ. Швыряев, Ю.Г. Шеин, Г.И Ягодкин и многие другие специалисты, работы которых в рассматриваемой области получили известность как в нашей стране, так и за рубежом.

В условиях подземной добычи угля проблема повышения производительности труда решается путем создания новых, высокопроизводительных и надёжных средств комплексной механизации и автоматизации производственных процессов.

Комплексы оборудования с механизированными крепями являются в настоящее время наиболее прогрессивными средствами механизации работ в очистных забоях.

Механизированная крепь - самопередвигающаяся металлическая гидрофицированная крепь очистного забоя, предназначенная для поддержания пород кровли, сохранения очистной выработки в рабочем и безопасном состоянии. Она обеспечивает механизацию процессов крепления и управления породами кровли, передвижения и удсржапия става забойного конвейера или базовой балки вместе с выемочной машиной.

Применение серийно выпускаемых мехкрепей в условиях с нормально управляемыми кровлями обеспечивает высокие производственные показатели. Эти условия характеризуются весьма малыми и средними скоростями опускания кровли, которые исчисляются всего несколькими миллиметрами в час.

Попытки расширить область применения мехкрепей за счет внедрения их на пласты с трудноуправляемыми кровлями показывают, что для этих условий необходимо дальнейшее совершенствование крепей и дополнительные исследования.

Область применения современных механизированных крепей -очистные забои пологих, наклонных и крутых пластов мощностью от 0,7 до 5 м. Они могут работать при подвигании очистного забоя по простиранию, восстанию и падению.

В очистных забоях с трудноуправляемой кровлей, склонной к зависанию и периодическому крупноблочному обрушению, имеют место случаи повреждения механизированных крепей. В связи с этим

очень важным является повышение их надежности. Надежность механизированной крепи - способность ее, деформируясь под действием нагрузок от сил горного давления, сохранять свои прочностные характеристики и реакцию на силовые воздействия, не получая остаточных деформаций, а также пространственное положение, при котором обеспечивается выполнение требуемых, функций в системе крепь-вмещающие породы.

Исследования взаимодействия механизированных крепей с трудноуправляемыми кровлями показали, что смещение кровли и нагружение гидростоек крепи по мере продвижения очистного забоя носят неравномерный характер. Резкие смещения кровли могут оказывать вредное воздействие на работу мезанизированной крепи и безопасное состояние очистного забоя.

Стоечная гидросистема применяющихся в настоящее время механизированных крепей в основном рассчитана для условий с нормально управляемыми кровлями. Увеличение надежности механизированной крепи возможно при увеличении наружного диаметра и начального распора, а также при модификации конструкции гидростоск. Тенденция к повышению прочности и надежности механизированной крепи ведет к увеличению её несущей способности, что непосредственно связано с увеличением несущей способности гидравлических стоек.

Из результатов проведенного аналилиза можно сделать вывод о необходимости создания гидростоек нового технического уровня (с высоким рабочим сопротивлением).

Данная проблема может быть решена путем создания гидравлических стоек плунжерного типа с устройством для повышения несущей способности. Одна из таких стоек представлена на рис. 1. Гидростойка состоит из цилиндра 1 и плунжера 2. В плунжере 2 применено устройство для повышения несущей способности, состоящее га штока 3 с поршнем 4, соединенных с дном цилиндра, по которым передвигается плунжер 2 с удлинителем 6.

Работа гидравлической стойки плунжерного типа с устройством для повышения несущей способности осуществляется следующим образом. При подаче рабочей жидкости под давлением Р в подвод П рабочая жидкость попадает в полость ПП и начинает давить на плунжер. Из полости ПП через отверстие в штоке 3 рабочая жидкость поступает в полость ПД и давит на плунжер 2.

Таким образом несущая способность гидравлической стойки составляет:

Г =(тг02/4- тА2!А) Р +(ЛО,2/4) Р. (1)

При подаче рабочей жидкости в подвод II плунжер 2 может передвигаться до упора в поршень 4, при этом рабочая жидкость из полости ПШ выдавливается в отвод Ш через отверстие в плупжере2.

При подаче рабочей жидкости под давлением Р в подвод Ш рабочая жидкость через отверстие в плунжере 2 поступает в полость ПШ устройства для повышения несущей способности и перемещает плунжер 2 до упора в дно корпуса. При этом гидростойка складывается. Усилие складывания составляет:

Рсм={яВ,2/4-7к12/4)Р. (2)

Для обоснования целесообразности оснащения механизированных крепей очистных забоев гидравлическими стойками повышенной несущей способности в данной работе проведены теоретические

исследования гидростоек

повышенной несущей

способности: по определению циклической и статической прочности гидроцилиндров стоек и построению математической модели

напряжений гидравлической стойки на основе метода конечных элементов. При определении циклической и статической прочности

гидроцилиндров стоек

выполнен расчет их несущей способности на основе анализа общих и местных напряжений в гидравлической стойке.

В основу определения циклических и статических нагрузок на гидростойки механизированных крепей положены принципы оценки прочности по следующим предельным состояниям: повышения несущей способности. а) по деформациям

(возникновение остаточных изменений формы и размеров, приводящее к невозможности эксплуатации стоек при циклическом нагружении);

б) по прочности (возникновение" пластической деформации по сечению гидроцилиндра от контактного давления поршня при перекосе плунжера).

Определение циклических нагрузок на гидроцилиндры ведется по допускаемым деформациям и допускаемым амплитудам переменного Внутреннего давления рабочей жидкости: допускаемая амплитуда внутреннего давления принимается равной амплитуде переменного давления, при которой накопление остаточных деформаций на внутренней поверхности гидроцилиндра будет минимальной.

• Проверяется возможность накопления деформаций цилиндром под воздействием переменного внутреннего давления заданного уровня по условию:

• Затем определяется интенсивность относительных остаточных деформаций на внутренней поверхности цилиндра после N -циклов нагружения:

• По формуле определяется величина остаточной радиальной деформации на внутренней поверхности цилиндра после N циклов нагружения:

иа = ^3/2.стт\Е.а. ё,-™. (6)

• Для определения допускаемого ресурса эксплуатации цилиндров стоек по формуле вычисляется ДМ):

Я» Г(2[иа1ЕЛ/З.От*а) - (ёЛ- ё,<с))].[(С,-С2).( ё11р(0)- ^Л)]"1

(7)

Определение циклической прочности показало, что при рабочем давлении 40 МПа запас прочности превышает 200%, а допускаемый ресурс эксплуатации для заданного уровня давления превышает 5000 циклов. При пиковых нагрузках, достигающих 100 МПа, запаса прочности практически нет, так как критический уровень давления составляет 93,6 МПа, а допускаемый ресурс безаварийной эксплуатации составляет приблизительно 10 циклов.

Интенсивность относительных упругих деформаций после N=1000 циклов нагружения при рабочем давлении 40 МПа составляет 0.245, а при нагрузке 100 МПа она равна 0.595, что оказывает влияние на ресурс эксплуатации гидроцилиндра.

Интенсивность относительных остаточных деформаций после N=1000 циклов нагружения при рабочем давлении 40 МПа составляет 1.516, а после N=1000 циклов нагружения при рабочем давлении 100 МПа она равна 15.5, что значительно превышает допустимое значение.

Определение статической прочности гидроцилиндров ведётся по допускаемым деформациям, которые принимаются равными

деформациям, соответствующим началу текучести материала по точкам внутренней поверхности гидроцилиндров.

• Определяется усилие, прижимающее плунжер к цилиндру:

Р, = [ла,2/А1Ь].Р„н,[евЬ+(е0+е»).(12+Ь)]. "(8)

• Определяется величина максимальной диаметральной податливости стенок цилиндра в результате контактного давления поршня:

IV"" = 3.51(гср[Л1п), 5.[РЕН.„.а„2 .^соз2ф0(л2-4(р02)А„]/[Д11Ь.со5ф0.(712-16(ро2).ЕЬ„]. (9)

• Определяются величины диаметральной податливости стенок цилиндра при оценке статической прочности и устойчивости стоек в виде дополнительного угла перекоса смежных ступеней за счёт контактной податливости стенок цилиндра:

7л = и2апгаи/Дв. (10)

• Из условия контактной прочности стенок гидроцилиндров определяется минимальная допускаемая величина базы заделки:

Луи"*1 = [(Р»и.п.ап2.А„)/(ат.Ь.гср)]^(К(К-1/Ь)+1/Ь2). (и)

В качестве основных характеристик материалов, используемых при определении статической прочности гидроцилипдров стоек, приняты: предел текучести, модуль упругости, модуль упрочнения при однооспом растяжении и параметры циклического упругопластического деформирования при одноосном растяжении-сжатии.

При определении статической прочности гидроцилиндров выявлено, что эксцентриситет приложения нагрузки в опоре цилиндра равен 0,45.10-2 м, вследствие чего момент инерции равен 180.103 Нм. Эксцентриситет приложения нагрузок в опоре штока равен 0,9.10"3 м, а момент равен 36*103 Им.

Математическая модель напряженного состояния гидростойки, выполненная с применением метода конечных элементов, основана на том, что гидростойка работает в условиях продольного изгиба. Для расчета продольного изгиба требуется определение предела устойчивости стойки и прогибов в различных сечениях. В связи с тем, что стойка имеет переменную жесткость по высоте, что усложняет определение предела устойчивости и прогибов, необходимо применение метода конечных элементов, который облегчает определение параметров за счет применения компьютерного моделирования.

Основа концепции МКЭ - это разбиение математической модели конструкции на непересекающиеся компоненты простой геометрии, называемые конечными элементами. Гидравлическая стойка разбита на

конечные элементы в форме тетраэдров, механическое поведение каждого элемента выражается с помощью конечного числа степеней свободы или значений искомых функций во множестве узловых точек.

Все степени свободы собираются в матричный вектор, обозначаемый U и называемый вектором степеней свободы.

Эти силы объединяются в матричный вектор, обозначаемый F. Соотношение между ними выражается следующим основным уравнением:

Ки = Б (12)

где К называется матрицей жесткости.

Соотношение между силами и перемещениями линейное, но неоднородное, уравнение 12 обобщено в следующее соотношение:

1Ш=Рм + И (13)

где - узловой вектор начальных сил; - вектор механических сил. • При конечно-элементной дискретизации гидравлической стойки формируются элементные векторы, содержащие в определенной последовательности координаты узлов соответствующего конечного элемента:

и глобальный вектор координат узлов, содержащий координаты всех узлов сетки:

Х =

х\ /I гУ • ' • ха. У а. 2а

••-ч^чч]

(15)

Каждый элементный вектор связан с глобальным вектором с помощью алгебраического матричного соотношения:

(16)

где представляет собой матрицу связи.

• С использованием вариационного принципа Лагранжа производится аппроксимация искомых функций перемещений:

где - элементный вектор перемещений, - глобальный вектор перемещений.

формирование системы алгебраических уравнений осуществляется на основе принципа минимума потенциальной энергии Лагранжа. Затем

алгебраические и дифференциальные соотношения преобразуются в матричную форму.

е'Г~2

3 Щ ЗИ)

1x7

(20)

Линейная связь напряжений с деформациями в матричной форме принимает следующий вид:

где О - матрица упругих модулей:

(21)

Формирование глобальной системы алгебраических уравнений осуществляется на основе принципа возможных перемещений. Вариация вектора перемещении:

(23)

(24)

¿и "Ща'гби

где 5и - вектор перемещений,

бг-ВЦби

где - вектор деформаций.

На основе глобальной системы уравнений потенциальной энергии составляется элементная и глобальная матрицы жесткости гидравлической стойки:

К

СГ, ВЕ,*?-\ |

♦4 у

= бит 2 а

\ г/

В* ¿V

№и=зиг к и

(25)

где

-

элементная матрица жесткости

- глобальная матрица жесткости

Используя основную формулировку разрешающего соотношения метода конечных элементов, составляется глобальный вектор узловых перемещений:

(28)

К и = + (26)

{Рт+Р3) (27)

Вычисление деформаций и напряжения в любой точке каждого тетраэдра производится согласно условиям: е=В1Г=В'а}и = е(х,уа) сг= РВ'ар = (г[х,у.г)

При программной реализации МКЭ для задачи теории упругости

расчетный блок содержит следующую последовательность шагов (Рис.2).

При построении

модели методом конечных элементов определено, что критическая нагрузка стойки по устойчивости равна 1645,8 т. Максимальная нагрузка на стойку по условию срабатывания

предохранительного клапана составляет 201,062 т, тогда коэффициент запаса по устойчивости равен 8,185, что значительно превышает допустимый запас, равный 1,45.

Максимальное напряжение в цилиндре стэ=424,8 Па. Запас прочности цилиндра по текучести где Па для

стали ЗОХГСА. Тогда что превышает допустимое по ОСТ значение, равное 1,1

алгебраических уравнений

Учет граничных

Определение

Анализ результатов

Диагностика точности

Вывод результатов в графическом виде

Рис. 2. Алгоритм построения математической модели методом конечных элементов.

Максимальное напряжение в плунжере равно 421,9 Па и коэффициент запаса но текучести равен 1,42, что также превышает допустимое значение 1,1.

Экспериментальные исследования гидростойки проводились в ОАО «Малаховский экспериментальный завод».

Основные случаи напряжённого состояния гидроцилиндров стоек при возможном сочетании действующих эксплуатационных нагрузок состоят в следующем:

- максимальные напряжения не превосходят предела текучести материала гидроцилиндра;

напряжения превышают предел текучести в локальных зонах, когда влияние окружающей упругой области является преобладающим;

напряжения превышают предел текучести в нелокализованных зонах, и в стенках гидроцилиндра создается существенное

перераспределение напряжений и деформаций.

Последние два случая связаны с появлением и накоплением в гидроцилиндрах радиальных

остаточных деформаций,

обусловливающих снижение ресурса

стоек.

Установление взаимосвязи напряженно-деформированного состояния и ресурса гидростоек с характером их нагружения вызывает необходимость проведения экспериментальных исследований, задачами которых явиляются:

• Определение влияния уровня гидростатического давления на величину и характер деформирования гидроцилиндров стоек механизированных крепей.

• Выявление закономерностей деформирования гидроцилиндров в режиме малоциклового нагружения.

• Установление влияния радиальных остаточных деформаций гидроцилиндров на ресурс гидростоек.

Экспериментальное исследование прочности и долговечности гидростоек механизированных крепей показало:

1. При исследовании закономерностей деформирования гидроцилиндров в режиме малоциклового нагружения при отсутствии перекоса в сочленении поршень-цилиндр при давлении 85 МПа максимальные остаточные деформации отмечены на расстоянии 300... 350мм от верхних торцев гидроцилиндров и достигают ОД мм.

2. При анализе радиальных остаточных деформаций

гидроцилиндров при наличии перекоса в сочленении поршень-цилиндр деформация гидроцилиндра в поперечных сечениях имеет эллиптический характер. Характер деформации обусловлен повышенным контактного давления в сочленении поршень-цилиндр, что вызвано перекосом смежных ступеней стоек. Деформация составляет от 0,25 до 0,35 мм.

3. Достоверность и обоснованность результатов исследований циклической прочности подтверждается результатами стендовых испытаний, расхождение параметров не превышает 10%. (Рис. 6.)

4. Эллиптический характер поперечных сечений деформированных гидроцилиндров определяется повышенным контактным давлением в сочленении поршень-цилиндр.

5. При испытании стойки повышенной несущей способности с рабочим диаметром 220 мм с настроенным клапаном на давление 40 МПа относительно гидростойки традиционной конструкции с рабочим диаметром 220 мм начальный распор гидростойки М200П равен 160т. при давлении насосной станции 32 МПа, тогда как у гидростойки традиционной конструкции начальный распор составляет 120т., что на 24% или в 1,3 раза, меньше по сравнению с гидростойкой М200П.

300

1 250 о

& „„

ж 200 ' &

0

160

" 100 к

1

| 50 х

0

0

■Несущая способность пцравличесюй стойки плунжерного типа повышенной несущей способности

— — Несущая способность гидравлической стойл тала М-138

Рис. 7. Сравнение несущей способности гидравлических стоек.

6. Увеличение несущей способности гидростоек на 32.2 %, составило 200 т. (Рис.7). Испытания на давление 50 МПа показали увеличение несущей способности стоек до 250 т.

Промышленные испытания гидравлической стойки плунжерного типа повышенной несущей способности проведены в шахте «Комсомольская» «Воркутауголь», в ходе которых подтверждена работоспособность гидростойки.

На основе сравнительного анализа гидростоек повышенной несущей способности и гидростоек традиционной конструкции выявлены оптимальные параметры гидравлических стоек повышенной несущей способности (Табл. 1.)

Таблица. 1.

Основные параметры гидравлических стоек традиционной конструкции

(ТК) и стоек повышенной несущей способности (СПНС)

(■рОСПЬ! Дчч| »»«»л ДашI» В.ЮП4 яГдошГ* « Мяи <Ч» мпряи ■»«омьде жувй пмрксйпСШС

•I* СПВС та спас "ПС свис те СПНС те

160 160 110 1« 60 64 85 80 107 34

1» 200 200 - 150 160 (0 100 140 125 176 41

окатан. 1«. ОИППВ^ЮГЯ 223 220 ]«0 183 83 123 160 153 200 32

ЫК*,ЯШ9 250 250 - 189 200 90 156 218 196 273 39

Перспектива 280 230 - 200 220 100 196 272 246 340 38

300 300 - 220 220 110 226 317 283 зет 40

320 320 - 220 »0 125 285 340 322 425 31

На основе проведенных исследований разработана гидравлическая стойка повышенного рабочего сопротивления (Рис.8), изменения в конструкции которой снизило местные концентраторы напряжений.

Рис.8. Перспективная конструкция гидростойки повышенного рабочего сопротивления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано новое решение актуальной научной задачи, заключающееся в обосновании и выборе параметров гидравлических стоек повышенной несущей способности для механизированных крепей, в разработке математической модели напряженного состояния гидростойки, построенной с использованием метода конечных элементов, и позволяющей определить предел устойчивости стойки, прогибы в различных сечениях, а также выявить концентраторы местных напряжений.

Использование результатов работы позволяет на стадии' проектирования гидравлических стоек определить рациональные параметры гидравлической стойки для заданных условий эксплуатации.

Основные выводы, научные и практические результаты работы:

1. Применение серийно выпускаемых мехкрепей в условиях с нормально управляемыми кровлями обеспечивает высокие производственные показатели. В очистных забоях с трудноуправляемой кровлей, склонной к зависанию и периодическому крупноблочному обрушению, имеют место случаи повреждения механизированных крепей, одной из основных причин которых является поломка гидростоек вследствие повышенного горного давления.

2. Использование дополнительных активных площадей плунжера гидравлических стоек с целью повышения несущей способности обеспечивает надежное функционирование на всех режимах, а также наличие преимуществ перед гидростойками, применяющимися в настоящее время в механизированных крепях.

3. Математическая модель, построенная на основе метода конечных элементов, показала, что критическая нагрузка стойки по устойчивости равна 1645800 Н. Максимальная нагрузка на стойку по условию

срабатывания предохранительного клапана составляет 201062 Н, а коэффициент запаса по устойчивости равен 8,185, что значительно превышает допустимый запас, равный 1,45.

4. Установлено, что циклическая прочность гидростойки при рабочем давлении 40 МПа имеет запас прочности превышающий 200%, а допускаемый ресурс эксплуатации для заданного уровня давления превышает 5000 циклов. При пиковых нагрузках, достигающих 100 МПа, запаса прочности практически нет, так как критический уровень давления составляет 93,6 МПа, а допускаемый ресурс безаварийной эксплуатации - приблизительно 10 циклов.

Установлено, что при увеличении давления в гидроцилиндре до 80 МПа отмечено накопление остаточных деформаций достигающих 0.2 мм, а при наличии перекоса в сочленении поршень-цилиндр деформации составили 0.35 мм.

5. Построены зависимости ресурса и величины деформации гидравлической стойки от давления, появление местных концентраторов напряжения и изменение несущей способности от конструкции. В результате чего определены оптимальные значения давления и диаметра, а также рекомендовано применение в гидростойках различных типоразмеров устройства повышенного рабочего сопротивления.

6. В результате проведенных исследований разработана методика, позволяющая определить параметры гидравлических стоек повышенной несущей способности. Методика принята к использованию в ОАО «Малаховский экспериментальный завод» и в ООО «Гидротехнология», рекомендуется к использованию при просктиронании гидравлических стоек.

С учетом рекомендаций, разработанных в диссертации, в ОАО «Малаховский экспериментальный завод» были изготовлены опытные образцы гидростоек повышенного рабочего сопротивления и проведены стендовые испытания. Промышленные испытания гидравлических стойки плунжерного типа повышенной несущей способности проведены в шахте «Комсомольская» «Воркутауголь», в ходе которых подтверждена работоспособность гидростойки.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Мисько Д.В. Гидравлические стойки повышенной несущей способности. // Международная, научно-практическая конференция «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности»: Тезисы докладов. -г.Кемерово, 2001.-С.73

2. Мисько Д.В. Гидравлические стойки повышенной несущей способности для механизированных крепей // ГИАБ.-2001.-№5.

3. Мисько Д.В. Гидравлические стойки повышенной несущей способности плунжерного типа для механизированных крепей // ГИАБ.- 2003.- № 7.

Подписано п печать 25.05'.ОН Объем ^ *.>4 Тираж 100 экз.

Формат 60x90/16. Заказ 122.*

Типография Московского государственного горного университета Москва, Ленинский проспект, 6

¡i* 13 913

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ

КРЕПЕЙ.

1.1 Обзор и анализ существующих исследований особенностей эксплуатации механизированных крепей.

ГЛАВА II. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ СИЛОВЫХ И

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОСТОЕК ПОВЫШЕННОЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ДЛЯ

МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ.

2.1 Теоретические основы исследования гидростоек повышенной несущей способности.

2.2. Определение циклических нагрузок на гидростойки повышенной несущей способности.

2.3 Определение статической прочности гидроцилиндров повышенной несущей способности.

2.4 Математическая модель напряженного состояния гидростойки

М200П, выполненная с применением метода конечных элементов.

ГЛАВА 1П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОСТОЕК

ПОВЫШЕННОЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ.

3.1. Результаты экспериментальных исследований гидростоек повышенной несущей способности.

3.2. Исследование закономерностей деформирования гидроцилиндров в условиях малоциклового нагружения.

3.3. Результаты шахтных исследований гидростоек повышенной несущей способности.

Основным направлением комплексной механизации очистных работ является применение механизированных комплексов с гидрофицированными крепями. Комплексы оборудования с механизированными крепями являются в настоящее время наиболее прогрессивными средствами механизации работ в очистных забоях.

Работоспособность крепей при взаимодействии с кровлей во многом зависит от надежной работы гидростоек, предназначенных для создания определенного усилия сопротивления опусканию кровли.

Несущую способность стойки можно повысить несколькими способами:

• увеличением диаметра стойки (ее поршня);

• увеличением давления рабочей жидкости в стойке;

• усовершенствованием конструкции стойки без изменения диаметра и давления рабочей жидкости.

В первом случае увеличивается вес стойки и, следовательно, металлоемкость крепи. Во втором случае увеличение давления в стойке двойной гидравлической раздвижки приведет к возрастанию напряжений в её узлах.

Обзор и анализ проведенных ранее исследований по эксплуатации механизированных крепей показал, что применение серийно выпускаемых мехкрепей в условиях с нормально управляемыми кровлями обеспечивает высокие производственные показатели, однако в очистных забоях с трудноуправляемой кровлей, склонной к зависанию и периодическому крупноблочному обрушению, имеют место случаи повреждения механизированных крепей, которые можно ликвидировать путем усовершенствования конструкции гидравлической стойки. Всё это указывает на необходимость проведения широкого круга исследований и обоснования параметров гидравлических стоек повышенной несущей способности, что является актуальной научной задачей.

Целью работы является установление зависимостей для обоснования и выбора параметров гидравлических стоек повышенной несущей способности для механизированных крепей.

Идея работы заключается в использовании дополнительных активных площадей плунжера гидравлических стоек с целью повышения несущей способности.

Научные положения, разработанные соискателем, и их новизна:

1. Математическая модель напряженного состояния гидростойки, построенная с использованием метода конечных элементов и позволяющая определить предел устойчивости стойки и прогибы в различных сечениях, а также выявить концентраторы местных напряжений.

2. Зависимость ресурса и величины деформации гидравлической стойки от давления, позволяющая установить значение рабочего давления, обеспечивающего максимальный ресурс и повышение несущей способности гидравлической стойки.

3. Зависимость появления местных концентраторов напряжения от конструкции, позволяющая на стадии проектирования определить слабые места конструкции.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются использованием представительного объема экспериментальных и стендовых испытаний гидростоек, аналитических расчетов и моделирования их параметров, достаточной сходимостью расчетных и экспериментальных показателей (расхождение не превышает 10%), использованием для расчетных исследований и моделирования программного обеспечения по МКЭ - Design Space v.5.0 для Windows NT, выпущенного в 2000г.

Научное значение работы состоит в разработке математической модели, позволяющей определить предел устойчивости и прогибы в различных сечениях стойки, а также местные концентраторы напряжения.

Практическое значение работы заключается в разработке методики выбора параметров гидростоек повышенной несущей способности.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Разработанная методика выбора параметров гидроцилиндров гидростоек повышенной несущей способности утверждена и принята к использованию в ОАО «Малаховский экспериментальный завод» и в ООО «Гидротехнология».

С учетом рекомендаций, разработанных в диссертации, в ОАО «Малаховский экспериментальный завод» были изготовлены опытные образцы гидростоек повышенного рабочего сопротивления и проведены стендовые испытания. Промышленные испытания крепи были осуществлены ОАО «Воркутауголь», и по результатам испытаний было принято решение оснащать секции крепи стойками данного типа.

Основные выводы, научные и практические результаты работы:

1. Применение серийно выпускаемых мехкрепей в условиях с нормально управляемыми кровлями обеспечивает высокие производственные показатели. В очистных забоях с трудноуправляемой кровлей, склонной к зависанию и периодическому крупноблочному обрушению, имеют место случаи повреждения механизированных крепей, одной из основных причин которых является поломка гидростоек вследствие повышенного горного давления.

2. Использование дополнительных активных площадей плунжера гидравлических стоек с целью повышения несущей способности обеспечивает надежное функционирование на всех режимах, а также наличие преимуществ перед гидростойками, применяющимися в настоящее время в механизированных крепях.

3. Математическая модель, построенная на основе метода конечных элементов, показала, что критическая нагрузка стойки по устойчивости равна 1645800 Н. Максимальная нагрузка на стойку по условию срабатывания предохранительного клапана составляет 201062 Н, а коэффициент запаса по устойчивости равен 8,185, что значительно превышает допустимый запас, равный 1,45.

4. Установлено, что циклическая прочность гидростойки при рабочем давлении 40 МПа имеет запас прочности превышающий 200%, а допускаемый ресурс эксплуатации для заданного уровня давления превышает 5000 циклов. При пиковых нагрузках, достигающих 100 МПа, запаса прочности практически нет, так как критический уровень давления составляет 93,6 МПа, а допускаемый ресурс безаварийной эксплуатации -приблизительно 10 циклов.

Установлено, что при увеличении давления в гидроцилиндре до 80 МПа отмечено накопление остаточных деформаций достигающих 0.2 мм, а при наличии перекоса в сочленении поршеиь-цилиндр деформации составили 0.35 мм.

5. Построены зависимости ресурса и величины деформации гидравлической стойки от давления, появление местных концентраторов напряжения и изменение несущей способности от конструкции. В результате чего определены оптимальные значения давления и диаметра, а также рекомендовано применение в гидростойках различных типоразмеров устройства повышенного рабочего сопротивления.

6. В результате проведенных исследований разработана методика, позволяющая определить параметры гидравлических стоек повышенной несущей способности. Методика принята к использованию в ОАО

Малаховский экспериментальный завод» и в ООО «Гидротехнология», рекомендуется к использованию при проектировании гидравлических стоек.

С учетом рекомендаций, разработанных в диссертации, в ОАО «Малаховский экспериментальный завод» были изготовлены опытные образцы гидростоек повышенного рабочего сопротивления и проведены стендовые испытания. Промышленные испытания гидравлических стойки плунжерного типа повышенной несущей способности проведены в шахте «Комсомольская» «Воркутауголь», в ходе которых подтверждена работоспособность гидростойки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано новое решение актуальной научной задачи, заключающееся в обосновании и выборе параметров гидравлических стоек повышенной несущей способности для механизированных крепей, в разработке математической модели напряженного состояния гидростойки, построенной с использованием метода конечных элементов, и позволяющей определить предел устойчивости стойки, прогибы в различных сечениях, а также выявить концентраторы местных напряжений.

Использование результатов работы позволяет на стадии проектирования гидравлических стоек определить рациональные параметры гидравлической стойки для заданных условий эксплуатации.

1. Аносов А.С., Кривцов И.И. Экономическая эффективность повышения надежности крепи в выработках // Уголь Украины, 1981, N 12. - С. 2324.

2. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1976.- 607 с.

3. Бобров Г.Н.и др. Характер взаимодействия крепей и параметры обрушения кровли при резких осадках // сб. «Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами. Вопросы горного давления».- Новосибирск: ИГД ИСО АН СССР, 1935.- Вып. 43.

4. Бреннер В.А. и др. Вероятностные методы в задачах выбора параметров механизированных крепей // Физико-технические проблемы разработки подземных ископаемых, 1975.- № 4.

5. Бурчаков А.С., Зиглин JI.H. Осадки основной кровли и установление сопротивления механизированной крепи // Уголь, 1970.- № 7.

6. Бурчаков А. С., Зиглин JI. А., Комиссаров С.Н. О режиме работы стоек механизированной крепи // Уголь, 1970.- № 7.

7. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969,- 376 с.

8. Галаев А.Н., Садыков Н.М., Ялышев Э.И. Исследование параметров динамического нагружениямеханизированных крепей в очистных выработках угольных шахт // Сб. Теория и практика управления горным давлением на угольных шахтах.- JI.: ВНИМИ, 1983.

9. Гетопанов В.Н., Рачек В.М. Проектирование и надежность средств комплексной механизации. М.: Недра, 1986 - 208 с.

10. Грицаюк Б.И. Методы выбора оптимальной надежности очистных комплексов//Горные машины и автоматика. 1967, N 1.-е. 10-12.

11. Грицко Г.И., Фролов Б.А., Принципы аналитического построения и расчета схем адаптирующихся гидравлических крепей для пластов с труднообрушаемыми кровлями // Вопросы горного давления.

12. Докукин А.В. и др. Механизированные крепи и их развитие.- М.: "Нефа", 1984.

13. Журило А. А. Горное давление в очистных забоях с труднообрушающимися кровлями. М.: Недра, 1980.- 124 с.

14. Исследование взаимодействия механизированных крепей с кровлями очистных выработок.- JL: ВНИМИ, 1969.- № 73.

15. Каретников В.Н., Клейменова Э.А. Методические рекомендации по расчету механизированных крепей на прочность и устойчивость с помощью ЭВМ // Исследование и совершенствование очистных комплексов и агрегатов. Тула: ТулПИ, 1973. с. 37-42.

16. Ковалевский В.Ф., Железняков Н.Т., Бейлин Ю.Е. Справочник по гидроприводам горных машин. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Недра, 1973. - 504 с.

17. Корин В.Н. Расчет и конструирование механизированных крепей. -М.: Недра, 1988. 255 с.

18. Коровкин Ю.А. Исследование и обоснование основных параметров механизированных крепей для пологих пластов с трудноуправляемой кровлей: Автореферат дисс. На соискание ученой степени канд. Техн. Наук.-М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1969.

19. Косырихин B.C. Математическое моделирование динамического нагружения гидростоек в системе «крепь-вмещающие породы» // Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов. ■ Тула: ТулГШ, 1988. С. 20 - 37.

20. Краткий И.С., Степанов В.М. Разработка пологих угольных пластов в неустойчивых породах. М.: Недра, 1986.-207 с.

21. Кузнецов С.Г. и др. Проявление горного давления в очистных выработках при применении механизированных крепей.-М.: Недра, 1966.

22. Леконцев Ю.М. Исследование режимов работы механизированных крепей в условиях трудноуправляемых кровель. Автореф. канд. техн. наук. Кемерово: КувНИУИ, 1977. -23 с.

23. Методика расчета механизированных крепей для экстремальных условий / Степанов В.М., Никонов В.И. // Подземная разработка пластов тонкой и средней мощности.- Тула: 1982.- С. 32-44.

24. Методические рекомендации по испытанию гидростоек механизированных крепей в динамическом режиме нагружения,- JL: ВНИМИ, 1977.- 18 с.

25. Микляев Е.И. и др. Исследование взаимодействия крепи повышенного сопротивления с трудноуправляемой кровлей // Уголь, 1974.- № 3.

26. Орлов А.А. и др. Взаимодействие механизированных крепей с кровлей.- М.: "Недра", 1976.

27. Попов B.JI. Горное давление и рудничная крепь.- М.: Росгортехиздат, 1962.- 299 с.

28. Пронников А.С. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978. -591 с.

29. Сады ков Н.М. Классификация кровли очистных выработок по интенсивности опусканий для расчета гидросистем стоек // Сб.

30. Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами. Вопросы горного давления.- Новосибирск (ИГД СО АН СССР), 1985.-Вып. 43.

31. Садыков Н.М., Орлов А.А. Работа гидравлических опор крепи при резких осадках кровли // Уголь, 1977.- № 1.

32. Садыков Н.М., Орлов А.А., Ялышев Э.И. О направлениях совершенствования механизированных крепей для лав с редкими осадками кровли// сб. Торное давление и горные удары".-Л.: ВНИМИ, 1976,- Вып. 99.

33. Садыков Н.М., Япышев Э.И., Поляков С.В. Методика и результаты испытаний стоек механизированных крепей на ударные нагрузки // Сб. Горное давление и горные удары.- Л.: ВНИМИ, 1976.- Вып. 99.

34. Садыков Н.М., Ялышев Э.И., Поляков С.В. Динамические нагружения крепи в очистных выработках // сб.41. «Управление горным давлением и борьба с горными ударами».- Л.: ВНИМИ, 1980.

35. Садыков Н.М., Ялышев Э.И., Поляков С.В. Работа гидростоек в условиях резких осадок кровли // Сб. Геомеханическое обоснование параметров механизированных крепей. Вопросы горного давления.-Новосибирск (ИГД СО АН СССР), 1979,- Вып. 37.

36. Санин С.А. Гидростойка повышенного рабочего сопротивления // Совершенствование технологии и средств комплексной механизации при подземной добыче угля. М.: ИГД, 1977. - С. 112-114.

37. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия/Госстрой СССР. -М.: ЦиТП Госстроя СССР, 1986.- 36 с.

38. Совершенствование гидравлической крепи для лав на пластах опасных в отношении горных ударов / Угольная промышленность, экспресс информация.- 1973.- №21.

39. Солод В.И., Гетопанов В.Н., Шильберг И.Л. Надежность горных машин и комплексов. М.: МГИ, 1972.- 56 с.

40. Солод В.И., Гетопанов В.Н., Рачек В.М. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов,- М.: Недра, 1982.- 351 с.

41. Справочник по технической механике.- М.: Недра, 1970.- 873 с.

42. Стендовые испытания гидродинамической стойки механизированной крепи на ударные динамические нагрузки / В.С.Косырихин, В.М.Степанов, С.А.Санин, Л.И.Кузнецов//Механизация горных работ. Тула: ТулПИ, 1988. - С. 45-48.

43. Степанов В.М. Влияние проявлений горного давления на надежность механизированных крепей // Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов. Тула, 1985.- с. 107-114.

44. Степанов В.М. Обоснование технологических и конструктивных параметров гидрофицированных крепей на основе обеспечения надежности их работы: Дис. докт. техн. наук: 05.05.06 / ТГТУ.- Тула, 1993.- 302 с.

45. Степанов В.М., Косырихин B.C. Планирование эксперимента прииспытании механизированных крепей и их элементов на статические и динамические нагрузки // Сб. ст. Механизация горных работ на угольных шахтах.- Тула: ТулПИ, 1986.- С. 36-40.

46. Степанов В.М., Никонов В.И., Чендев Ф.С. Математическое моделирование проявлений горного давления на сопряжениях лавы со штреками // Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов: Сб. ст. / Тула: ТулПИ, 1986. С. 42-51.

47. Усовершенствование гидравлической крепи для лав на пластах, опасных в отношении горных ударов // Угольная промышленность. Экспресс-информация, 1973.- № 21.

48. Фролов Б.А., Ютишин В.И., Верин B.C. Методы повышения адаптации механизированных крепей. Новосибирск: Наука, 1983.- 231 с.

49. Харитонов Н.И., Сальников В.Г. О расчете механизированных крепей по методу частных коэффициентов // Геомеханические процессы СО АН СССР, 1982.- с. 29-33.

50. Хорин В.Н., Мамонтов С.В., Гейхман И.Л. Вопросы расчета и надежности шахтных гидравлических крепей. М.: Недра, 1970.- 166 с.

51. А.С. 123648 СССР, Е 21 0 15/44. Гидравлическая стойка / Ф.С.Чендев,

52. В.И.Никонов, В.JI.Попов, В.А.Потапенко, С.И.Соколов, В.М.Степанов/ (СССР). N 3821696/22-03; Заявл. 06.12.84. Опубл. 30.05.86.; Бюл. N 2. - 3 е.; ил. 2.

53. А.С. 1800052 СССР, Е21 23/16. Гидросистема механизированной крепи / С.И.Швыряев, А.А.Подколзин, К.П. Дубовский, Ф.СЛендев и В.В. Сухов (СССР). N 4909774; Заявл. 11.02.91; Опубл. 07. 03. 93. Бюл. N У 3 С.; ил. 1.61. Швыряев С.И. дис62. Санин С.А. -дис