автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.06, диссертация на тему:Оценка параметров герметичности гидростоек механизированных крепей

На правах рукописи 00501эи«^

БУЯЛИЧ 7 э

Константин Геннадьевич

ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ГИДРОСТОЕК МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ

Специальность 05.05.06 - "Горные машины"

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 2 ыдр 2012

Кемерово 2012

005015035

Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева»

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

¡Александров Борис Алексеевич) кандидат технических наук, доцент Антонов Юрий Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Герике Борис Людвигович

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Журавлев Ростислав Петрович

Ведущая организация: ООО «Юргинский машиностроительный завод»

Защита диссертации состоится 16 марта 2012 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.102.01 в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева» по адресу:

650026, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28. Факс (384-2) 36-16-87. E-mail: bkg@kuzstu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева».

Автореферат разослан 15 февраля 2012 года. Учёный секретарь диссертационного

совета Д 212.102.01 А.Г.Захарова

•У

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. В настоящее время наблюдается тенденция к снижению общего количества комплексно-механизированных забоев (КМЗ) с одновременным увеличением из них добычи. При этом постепенно ухудшаются горно-геологические условия выемки угольных пластов. В совокупности эти факторы накладывают повышенные требования к надёжности работы КМЗ.

Исследованиями работы механизированных крепей в различных условиях (КузНИУИ) было уставлено, что одной из основных причин простоев КМЗ являются отказы гидрооборудования крепи из-за потери герметичности, при этом из этих отказов 31 % приходится на гидростойки, а 23 % - на другие силовые гидродомкраты. В структуре отказов из-за потери герметичности гидростоек 58 % отказов происходят из-за коррозии и износа зеркала цилиндра, 28 % - из-за износа уплотнений и 14 % - из-за раздутия рабочих цилиндров. Это влечёт за собой не только технические проблемы, связанные с непрерывностью и безопасностью работы комплексов, но и экономические потери.

Существующие методики расчёта параметров гидростоек механизированных крепей в большинстве случаев являются аналитическими и не учитывают всего комплекса факторов, при которых происходит возникновение критических ситуаций, приводящих к недопустимо большим уплотняемым зазорам и нарушающих нормальную эксплуатацию уплотнений.

Несмотря на большое количество исследований, посвященных работе гидростоек механизированных крепей, вопросы их герметичности в различных условиях нагружения являются недостаточно изученными.

Кроме того, для уменьшения радиальных деформаций рабочих цилиндров и улучшения работы в них манжетных уплотнений предлагаются различные технические решения, требующие научного обоснования их параметров.

С учётом вышесказанного, выявление и оценка параметров герметичности гидростоек, учитывающих формирование герметизируемого зазора и работу уплотнения с учётом их конструктивных особенностей, характера нагружения и свойств материалов, являются актуальными.

Работа выполнялась в соответствии с заданиями Министерства образования и науки РФ (2002-2004 гг.), Федерального агентства по образованию РФ (2005-2010 гг.) и Министерства образования и науки РФ, а также по договору с ЗАО «Распадская» (2006 г.).

Цель работы - оценка параметров герметичности гидростоек механизированных крепей.

Идея работы - использовать для оценки герметичности гидростоек величину герметизируемого зазора и параметры работы в нём уплотнения.

Задачи исследований.

1. Разработать конечно-элементные модели и с их помощью исследовать влияние параметров гидростоек и внешних сил на образование герметизируемого зазора между цилиндром и поршнем.

2. Разработать конечно-элементные модели и с их помощью исследовать поведение манжетных уплотнений в герметизируемом зазоре в зависимости от

конструкции и параметров уплотнительного узла, величины зазора, свойств материала и давления рабочей жидкости.

3. Обосновать технические предложения для совершенствования гидростоек механизированных крепей.

Методы исследований: моделирование методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния (НДС) тел из упругопластических и гиперупругих резиноподобных материалов.

Научные положения, выносимые на защиту:

• радиальные деформации рабочего цилиндра гидростоек механизированных крепей определяются давлением рабочей жидкости, конструктивными размерами цилиндра и свойствами его материала, осевым расстоянием деформируемой точки относительно первого уплотнения со стороны поршневой полости и днища, а также углом установки гидростойки в крепи и могут быть изменены путём выполнения цилиндра многослойным с задаваемыми толщинами слоёв и натягами между ними;

• выдавливание материала уплотнения в зазор и эквивалентные напряжения определяются радиусом скругления кромки канавки поршня, давлением рабочей жидкости, величиной уплотняемого зазора, радиусом скругления уплотнения, а также установкой в тело уплотнения армирующей пластины, её свойствами, размерами и параметрами установки;

• герметичность гидростоек необходимо оценивать совместно радиальными деформациями рабочего цилиндра в пределах поршня и параметрами работы уплотнения в герметизируемом зазоре системы «поршень - уплотнение - рабочий цилиндр».

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректным использованием метода конечных элементов и выбранных моделей поведения материалов, широко апробированных при решении других задач; обоснованностью принятых элементов и параметров сетки конечных элементов в используемых моделях, позволяющих получить погрешность вычислений по отношению к теоретическим расчетам при определении радиальных деформаций до 3,2 % и при определении напряжений - до 5-8 %, в зависимости от размерности моделей; относительной погрешностью результатов расчета уплотнений по упрощенным моделям до 0,05 %; сопоставимостью результатов исследований с результатами, полученными другими авторами.

Научная новизна заключается в том, что:

• разработаны и определены критерии оценки степени герметичности для гидростоек механизированных крепей при образовании герметизируемых зазоров;

• на основе разработанных параметрических моделей для определения напряжённо-деформированного состояния (НДС) однослойных и многослойных цилиндров получены зависимости их радиальных деформаций от давления рабочей жидкости, раздвижности, соотношения диаметров и величин натягов;

• разработаны и определены критерии для оценки герметизации уплотняемого зазора для различных уплотнений, а также получены их зависимости для

армированных манжетных уплотнений, учитывающие рабочее давление, величину зазора и конструктивные параметры поршня и уплотнения;

• на основе проведённых исследований предложены параметры технических решений, повышающие степень герметичности гидростоек.

Личный вклад автора заключается в:

• разработке конечно-элементных моделей и исследовании НДС однослойных и многослойных цилиндров в зависимости от конструктивных параметров гидростойки, её раздвижности, свойств материала и приложении внешних нагрузок;

• разработке конечно-элементных моделей и исследовании НДС манжетных уплотнений в зависимости от их конструктивных исполнений, свойств материала и зазора;

• обосновании параметров технических решений, улучшающих критерии работы рабочих цилиндров и манжетных уплотнений в герметизируемом зазоре.

Научное значение работы заключается в выявлении закономерностей формирования зазоров между поршнем и цилиндром от конструкции, параметров и схем нагружения гидростоек, а также закономерностей, характеризующих работу в этом зазоре уплотнений с различными параметрами.

Практическая ценность заключается в разработке моделей для определения НДС рабочих цилиндров и манжетных уплотнений гидростоек механизированных крепей.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований, приведенных в диссертации, были использованы:

• ООО «Юргинский машиностроительный завод» при разработке

механизированных крепей;

• ЗАО «Научно-исследовательский испытательный центр КузНИУИ» при

экспертизе горно-шахтного оборудования;

• при разработке курса «Методы расчета горных машин» для студентов КузГТУ

специальности 150402 (Горные машины и оборудование) со специализацией

«Проектирование и конструирование горных машин и оборудования».

Апробация работы. Основные научные положения диссертации докладывались и получили одобрение на: IV, VI-IX Междунар. науч.-практ. конф. «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» («Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах»)^. Кемерово, 2000, 2005, 2007, 2009, 2011); I—III регион., IV Всерос. науч.-практ. конф. «Информационные недра Кузбасса» (г. Кемерово, 2001, 2003-2005); И Междунар. науч. конф. «Динамика и прочность горных машин» (г. Новосибирск, 2003); Х-ХП Междунар. науч.-практ. конф. «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс» (г. Кемерово, 2004, 2006, 2008); V-VII Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием и I—II Междунар. науч.-практ. конф. «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (г. Юрга, 2007-2011); интернет-конф. «Творчество молодых в науке и образовании» (г. Москва, 2003); IV, VI Российско-китайских симпозиумах «Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений»

(г. Кемерово, 2006, 2010), междунар. науч.-техн. конф. «Динамика, надёжность и долговечность механических и биомеханических систем и элементов их конструкций» (г. Севастополь, 2008), X Междунар. науч.-практ. конф. «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово, 2008), 4-й Междунар. конф. по проблемам горн, пром-ти, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2008), III Междунар. науч.-практ. конф. «Перспектива развития Прокопьевско-Киселёвского угольного района как составная часть комплексного инновационного плана моногородов» (г.Прокопьевск, 2011), ежегодных науч. конф. студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава Кузбасского государственного технического ун-та (г. Кемерово, 2000-2011).

Публикации. По теме диссертации, опубликовано 45 печатных работ, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 патента на полезные модели и 4 свидетельства на программы для ЭВМ.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы, приложений и включает в себя 143 страницы машинописного текста, 22 таблицы и 122 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Большой вклад в области исследований параметров гидростоек при различных режимах нагружения внесли такие ученые, как Александров Б. А., Бала-бышко А. М„ Воеводин В. В., Демидов В. И., Журавлёв Р. П., Калинин С. И., Клишин В. И., Кожухов Л. Ф., Кузнецов С. Т., Леконцев Ю. М., Матарадзе Э. Д.| Никулин К. К., Пономаренко Ю. Ф., Садыков А. М., Санин С. А., Суслов Н И' Фролов Б. А., Хорин В. Н., Шеин Ю. Г., Шубин В. Ф. и др.; в области исследования работы уплотнительных устройств - Голубев А. И., Гордеев В. В., Кондаков Л. А., Макаров Г. В., Недопова Т. Я, Сорокин Б. И. и др.

На основе анализа и оценки известных расчетных методов для оценки параметров герметичности механизированных крепей был обоснован и выбран метод конечных элементов. Данный метод позволяет определить зазор между рабочим цилиндром и поршнем в гидравлической стойке механизированной крепи (при рабочем давлении с учетом допусков на изготовление и посадок, радиальных деформаций) и дать оценку характеру работы уплотнения в этом зазоре при его различных геометрических параметрах, исполнениях, свойствах материала.

Рабочий зазор между поршнем и цилиндром складывается из:

■ допусков на изготовление поршня и цилиндра;

■ радиальных деформаций цилиндра от давления рабочей жидкости;

■ угла установки гидравлической стойки в секции механизированной крепи и перекоса поршня относительно цилиндра.

На основании сравнения результатов, полученных при теоретических расчетах и методом конечных элементов, для моделирования цилиндра, был выбран плоскии (20) элемент с опцией осесимметрии (погрешность составила около 4%).

С точки зрения оценки герметичности интересны радиальные деформации цилиндра в границах расположения поршня при «сужении» цилиндра (с&ъ) и в месте расположения первого уплотнения со стороны поршневой полости при «раздутии» (яКД Установлено, что наибольшая погрешность наблюдается при вычислении сШъ, при этом при 3-х элементах по толщине стенки гидроцилиндра относительная погрешность радиальных деформаций не превышает 0,5% и дальнейшее увеличение их количества существенно не влияет на погрешность вычислений.

Для определения радиальных деформаций цилиндров различных гидравлических стоек механизированных крепей разработана параметрическая конечно-элементная модель цилиндра с регулярной сеткой. Такая сетка увеличивает точность полученных результатов и сокращает время на решение. Исходными параметрами для модели являются: размеры цилиндра (длина, толщина стенки и днища, внутренний диаметр), раздвижность стойки, давление в поршневой полости, свойства материала. Для описания материала цилиндра использовалась модель билинейного кинематического упрочнения с параметрами: секущий и касательный модули упругости, предел упругости, коэффициент Пуассона, плотность.

С помощью данной модели рассчитаны радиальные деформации по длине цилиндра при различных раздвижностях для гидростоек некоторых механизированных крепей (табл. 1). Установлено, что абсолютные значения радиальных деформаций и (Шц увеличиваются прямо пропорционально давлению рабочей жидкости и раздвижности (рис. 1). Большие сжимающие радиальные деформации в области поршня сй?3 увеличивают вероятность задира цилиндра и вероятность выхода из строя уплотнения, что является фактором, снижающим герметичность гидростойки.

Таблица 1

Радиальные деформации (Ш* при раздвижности /р и давлении жидкости Р

Крепь Деформации ((ШД мм

Р=32 МПа Р=50МПа Р=70 МПа

/¡,=(2/3)/ргаах I_] шах ь ь /,=(2/3)/,,тах 4=(2/3)/,Гх ,_1 шах Ь Ь

ОКП70 0,042 0,045 0,064 0.066 0,092 0,095

М130 0,045 0,047 0,066 0,069 0,093 0,097

М138 0,045 0,051 0,063 0,080 0,088 0,112

М142 0,040 0,047 0,062 0,073 0,087 0,102

М145 0,049 0,044 0,081 0,069 0,114 0,097

ЮУ 0,042 0,043 0,066 0,068 0,099 0,102

етшк 0,088 0,095 0,138 0,150 0,193 0,220

Для оценки работоспособности гидростоек предложены критерии, числовые значения которых приведены в табл. 2:

• коэффициент запаса по максимальному допуску при раздутии цилиндра, который для сохранения работоспособности гидростойки (уплотняемый зазор не превышает допускаемый из условий герметичности) должен быть больше едини-03

цы п. = —'—, где 0,3 - критические деформации цилиндра (Шубин В.Ф.), мм;

^тах О . Л ТУ

коэффициент запаса по минимальному допуску лд = -

числовое

(-2

значение которого должно быть либо больше единицы (в подавляющем большинстве случаев), либо отрицательным, где - минимальный зазор между поршнем и цилиндром, определённый полем допуска на их изготовление, мм.

•Р=50МПа

0.75""~.........0.85.. 0.95

Раздвижность

0.15 . 0.13 0.11 ■ 0.09

• 0.07

• 0.05

Р= 50 МПа

0.75 0.85 0.95 Раздвижность

—»-ОКП70 -С-1М130

М138 — М142

—*-М145

-ЮУ — СЕІпік

Рис. 1. Изменение радиальных деформаций (с11{3 и <Ж4) от относительной раздвижности (1р/1ртах) при давлении Р

Таблица 2

Значения критериев гидростоек крепей при Р=50 МПа

Критерий 1 ОКП70 1М130 М138 М142 М145 ,1оу Ипик

Разі івижность /0=(2/3)/„тах

2,34 2,27 2,38 2,42 1,85 2,27 1,09

9,54 8,74 1168,22 10,73 4,90 5,68 3,89

Раздвижность /„= =7 тах

п 2,27 2,17 1,88 2,05 2,17 2,21 1,00

6,49 6,22 11,16 10,33 4,72 4,56 2,60

Уплотняемый зазор между поршнем и цилиндром может изменяться также и вследствие перекосов штока. Угол перекоса определяется раздвижностью и зазорами в сочленениях «поршень — цилиндр» и «шток - грундбукса». Для исследования этого явления была разработана трёхмерная конечно-элементная

параметрическая модель, учитывающая как угол перекоса, так и угол установки гидростойки в крепи.

На рис. 2 приведены результаты проведённых с помощью вышеописанной модели расчетов смещения (сЫ)

сйг, мм

Чі

2

Л- ------

3

\

\—

О 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 / „

Рис. 2. Смещения стенок цилиндра сЬ

гидростойки М130 под нагрузкой с учётом перекоса штока

внутренних стенок рабочего цилиндра (1 и 3) гидростойки крепи М130 по его длине <7ц) при номинальном рабочем сопротивлении, нулевом угле установки, максимальной раздвиж-ности и заделке опоры цилиндра. Смещение оси симметрии изображено пунктиром (2).

При этом первоначальный максимально возможный зазор в области уплотнения, определяемый полями допусков цилиндра и поршня (280 мкм), увеличивается под нагрузкой до 490 мкм, что необходимо учитывать при проектировании уплотняемого узла.

Для уменьшения

радиальных деформаций

рассмотрено использование многослойности в цилиндрах. При исследовании НДС таких цилиндров использовалась

параметрическая конечно-

элементная модель (рис. 3), в которой расчёт проводится в два шага: сначала рассчитывается НДС от натяга, а затем - от давления жидкости.

На рис. 4 и 5 представлены полученные напряжения и радиальные деформации для двуслойного цилиндра

гидростойки ОКП70 (внутренний цилиндр выполнен из стали 30ХГСА, внешний - из стали 9ХФ), анализ которых позволил сделать следующие выводы.

Все конструкции двуслойных цилиндров, даже с минимальным натягом, имеют меньшие радиальные деформации (Ш4 по сравнению с однослойным цилиндром с теми же параметрами, что благотворно ска-

Рис. 3. Параметрическая модель двуслойного рабочего цилиндра

Рис. 4. Напряжения в слоях двуслойного цилиндра

—и—Отношение толщин 12.5/12,5 мм

Отношение толщик 15/10 мм —^—Отношение толщин 20/5 мм

- Предел текучести 670 МПа

Натяг, мм

0.1 0,2 0,3 0.4 0,5

—•—Отношение толщин 12,5/12.5 мм

—я— Отношение толщин 20/5 мм

Предел текучести 490 МПа

Натяг, мм

0.5

Максимальные напряжения во внутреннем цилиндре, при Р=50 МПа

—•— Отношение толщ ин 10/15 мм

зывается на работе уплотнения, повышая герметичность стойки. Однако у многослойных цилиндров радиальные деформации Жз в несколько раз больше по абсолютной величине, чем у однослойных, что требует специальных конструктивных решений.

В целом использование двуслойных цилиндров на примере гидростойки крепи ОКП70 позволяет увеличить коэффициент запаса по максимальному зазору в 1,1-1,8 раза, а коэффициент запаса прочности довести до 2,78 (против 1,75 для однослойного цилиндра при тех же размерах и металлоёмкости).

Анализ напряжений и деформаций 3-х слойного цилиндра при различных соотношениях толщин слоев и натягов показывает, что общие закономерности схожи с закономерностями, полученными для двуслойных цилиндров. При увеличении натягов деформационные кривые параллельно смещаются в сторону уменьшения числового значения. При этом, чем выше эффективность обжатия с точки зрения уменьшения деформаций с#?4, тем она хуже с точки зрения коэффициента запаса по минимальному зазору (ид ), т. к. деформации «сжатия» сЖ.3

становятся больше, чем минимальный зазор между поршнем и цилиндром, обусловленный полями их допусков.

Для удовлетворения условий работы гидростойки как по СЖ4, так и по сШз более предпочтительными являются варианты с наибольшей толщиной внутреннего слоя (15/7,5/7,5 мм) и натягами, не превышающими 0,1 мм (рис. 6).

Использование 4-х слоев ещё более эффективно с точки зрения коэффициента запаса по максимальному зазору (п& ), который для цилиндра гидростоки 4М138 увеличивается по сравнению с серийной (однослойной) конструкцией в 2,450,9 раза при коэффициентах запаса прочности 1,47-2,98.

Оценка параметров работы уплотнения в уплотняемом зазоре гидростойки механизированной крепи производилась на осесимметричной параметрической конечно-элементной модели уплотнительного узла. Исходными параметрами для нее являются: геометрические размеры манжетного уплотнения и канавки поршня; уплотняемый зазор, свойства материалов, давление рабочей жидкости.

Поскольку манжетное уплотнение гидростоек изготавливается из малосжимаемой резины, то для описания поведения материала наиболее подходит модель Муни-Ривлина с двумя параметрами.

Отношение толщин 15/10 ми

Длина цилиндра м

—■—Натяг0,104ым —|—Нзтяг0.15мм НагагО^мм Натяг0,25мм —ж—Натяг0,3 мм —®—Натаго,4мм —I—Натяг0,5мм

Рис. 5. Деформации по длине двуслойного цилиндра

Отношение толщин 15/7,5/7,5

Отношение толщин 15/7,5/7,5; Р=50 МПа

Расчёт ведётся в два этапа: на

первом этапе моделируется деформированное состояние манжетного уплотнения после сборки гидроцилиндра (рис. 7); на втором этапе — от воздействия рабочей

жидкости в виде

распределённой нагрузки.

Для надежного запирания жидкости мягкие

уплотняющие детали уплотнения должны плотно прилегать к

сопряженным к ним деталям соединения за счёт предварительного поджатая и прижатия рабочим давлением жидкости. При этом уплотняющие детали должны входить во все неровности механической обработки уплотняемой поверхности и не допускать образования зазора при движении, по которому могла бы происходить утечка жидкости. На основании этого для оценки параметров работы уплотнения предложены к использованию следующие критерии:

^гпах

соответственно максимальные и допускаемые эквивалентные напряжения в уплотнении, МПа;

• величина выдавливания материала уплотнения в зазор Ь я мм.

• величина выдавливания, отнесенная к зазору_К3 = —.

8

—0,07,'О,О?

—од/од

0,07/0,1 —0.1/0.07 —0,1/0,2 Допуск ка сжатие

Рис. 6. Напряжения во внутреннем слое и радиальные деформации трёхслойного цилиндра крепи 2М142

коэффициент запаса прочности уплотнения [и]=

где

н -

жидкости Кзп = —, где рк - среднее

максимальное контактное давление уплотнения по уплотняемой поверхности р[Л!1Х, МПа. коэффициент запирания рабочей

Еж Р

контактное давление по уплотняемой поверхности, МПа; р - герметизируемое давление рабочей жидкости, МПа. Значения критериев, рассчитанных с помощью разработанной параметрической модели для манжет различного типа, представлены в табл. 3.

Наиболее полную оценку работы уплотнений в герметизируемом зазоре дает величина выдавливания материала уплотнения в зазор Ц и выдавливание, отнесённое к зазору К..

Оценка работы уплотнения в зазоре между поршнем и цилиндром с помощью метода конечных элементов - процесс трудоёмкий. Это связано, в первую очередь, с нелинейностью внешней поверхности уплотнения и связанной с этим дополнительной сложностью создания регулярной сетки конечных элементов, а также с большими деформациями модели (особенно в зазоре), которые уменьшают вероятность сходимости решения.

Таблица 3

Значения критериев работы уплотнений в герметизируемом зазоре

48293 .14«+07 ~..... .20Д+О7 .4201+07 П .5571+07

747766 .2131+07 .351Е+07 .4858+07

Рис. 7. Деформации и распределение напряжений в манжете после сборки

Тип уплотнения Коэф. запаса прочности Ат Выдавливание в зазор Ь3, мм Выдавливание, отнесённое к зазору К3 Макс, контактное давление рГМПа Коэф. запирания рабочей жидкости Кзп

ГОСТ 6678-72 3,1 1,06 4,2 56,7 1,13

ГОСТ 14896-84 4,9 0,75 3,0 48,9 0,97

ГОСТ 6969-54 3,9 0,63 2,5 57,1 1,14

С целью устранения этих недостатков была разработана упрощенная модель манжетного уплотнения (рис. 8, а), которая отличается от реальной отсутствием «усиков». Точность результатов по упрощенной модели в области зазора практически не отличается от результатов, полученных на реальной модели, при

высоте модели (В_ир) не меньшей высоты основного тела манжеты. При этом погрешность в вычислениях составляет около 0,05%.

Pup

D_up

Рис. 8. Упрощённые модели уплотнителъного узла гидростойки а) по ГОСТ, б) с армирующей пластиной

Разработанная модель позволяет учесть следующие параметры (рис. 8):

• геометрические размеры: высоту (В_ир), ширину (D_up), радиус закругления уплотнения (R_up), радиус скруглення кромки канавки поршня (R_por);

• уплотняемый зазор (delta);

• свойства материала уплотнения;

• давление рабочей жидкости в поршневой полости гидростойки (Р).

На основании расчётов по упрощённым моделям установлены основные закономерности и характер поведения манжеты в зазоре:

■ выдавливание в зазор и эквивалентные напряжения изменяются по линейным зависимостям прямо пропорционально радиусу скруглення кромки канавки поршня (R_рог), уплотняем'ому зазору, давлению рабочей жидкости и обратно пропорционально радиусу скруглення уплотнения (R_up);

■ максимальные эквивалентные напряжения находятся в непосредственной близости от кромки канавки поршня (рис. 9);

■ увеличение высоты приводит к незначительному уменьшению (в пределах 0,001 мм на каждый 1 мм высоты) величины выдавливания в зазор, при этом внутренние напряжения увеличивается (0,1 МПа на 1 мм высоты);

" увеличение давления на 10 МПа приводит к росту величины выдавливания в зазор на 0,1 мм и внутреннего напряжения - на 5 МПа.

Для уменьшения выдавливания манжеты в зазор

Рис. 9. НДС уплотнения вблизи зазора

возможна установка металлической армирующей пластины внутри рабочего тела уплотнения (рис. 8, б).

Модель для такого уплотнения, включает в себя дополнительные параметры:

• геометрические параметры пластины и её расположения в уплотнении: расстояние от торца канавки поршня вдоль оси цилиндра(Н_р1), расстояние от внутренней стенки цилиндра (М_р1), толщина (В_р1) и длина пластины (L_pl);

• свойства материала пластины (Е - модуль Юнга, v - коэффициент Пуассона).

По результатам исследований работы уплотнения с армирующей пластиной были сформулированы следующие рекомендации по его параметрам:

Мjpl (расстояние от стенки гидроцилиндра до пластины) - не более 0,5 мм, так как дальнейшее увеличение этого параметра, приводит к большему выдавливанию в зазор манжетного уплотнения;

Н(расстояние от поршня вдоль оси цилиндра) желательно брать в пределах 0,5-0,8 мм. Так же, как и в предыдущем случае, дальнейшее увеличение этого параметра приводит к ухудшению условий работы уплотнения;

В_pl (толщина пластины) - оптимальный вариант этого параметра находится в пределах от 1,4-2,5 мм, дальнейшее уменьшение толщины приводит к более высокому выходу материала в зазор. Толщина пластины более 3 мм приводит к разрыву резины.

Установка армирующей пластины по изложенным выше рекомендациям в манжетное уплотнение по ГОСТ 6969-54 при давлении рабочей жидкости 50 МПа и рабочем зазоре 250 мкм позволяет получить следующее:

■ увеличение максимального контактного давления на 4 %;

■ уменьшение коэффициент запирания рабочей жидкости на 21%;

■ уменьшение выдавливания материала манжеты в зазор на 60 %;

" уменьшение коэффициента запаса прочности на 13 % при достаточно большом его абсолютном значении (3,89).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение актуальной научной задачи по оценке герметичности и работоспособности гидростоек механизированных крепей, что имеет важное значение для научного обоснования и практической реализации повышения ^ эффективности функционирования силовых гидроприводов.

Основные научные результаты и выводы:

1. Получены зависимости радиальных деформаций цилиндров по оси гидростоек, которые увеличиваются по абсолютной величине прямо пропорционально давлению рабочей жидкости и раздвижности.

2. Разработаны критерии оценки деформации цилиндров гидростоек с точки зрения герметичности: коэффициент запаса по максимальному зазору, значение которого варьируется от 1 до 2,27; коэффициент запаса по минимальному зазору, значение которого варьируется от 2,6 до 11,16. В совокупности эти критерии позволяют оценить работоспособность гидростоек при различных нагружениях.

3. Угол установки гидростойки и перекос штока влияют на величину зазора между поршнем и рабочим цилиндром, численное значение которого увеличивается с 280 мкм до 490 мкм (на примере гидростойки М130).

4. Выполнение цилиндров многослойными влияет на величину их радиальных деформаций и коэффициента запаса прочности. У двуслойных цилиндров коэффициент запаса по максимальному зазору изменяется с 1,78 до 3,19, а коэффициент запаса прочности с 1,75 до 2,78. У трехслойных цилиндров коэффициент запаса по максимальному зазору изменяется с 2,05 до 11,67, а коэффициент запаса прочности с 2,24 до 3,29. У четырехслойных цилиндров коэффициент запаса по максимальному зазору изменяется с 2,34 до 119,05, а коэффициент запаса прочности с 1,68 до 2,93.

5. Разработаны критерии, характеризующие работу уплотнения и расчетным путем установлены их значения для трех типов уплотнений: коэффициент запаса прочности, принимает значения от 3,1 до 4,9; максимальное контактное давление, принимает значения от 48,9 до 57,1 МПа; коэффициент запирания рабочей жидкости, принимает значения от 0,97 до 1,14; выдавливание в зазор, принимает значения от 0,63 мм до 1,06 мм; выдавливание в зазор, отнесённое к величине зазора, принимает значения от 2,5 до 4,2.

6. Установлены основные закономерности и характер поведения манжеты в зазоре: выдавливание в зазор и эквивалентные напряжения изменяются по линейным зависимостям прямо пропорционально радиусу скругления кромки канавки поршня, уплотняемому зазору, давлению рабочей жидкости и обратно пропорционально радиусу скругления уплотнения; максимальные напряжения находятся в непосредственной близости от кромки канавки поршня.

7. Установка армирующей пластины по разработанным рекомендациям положительно влияет на работу уплотнения и позволяет уменьшить выдавливание материала манжеты в зазор и увеличить максимальные контактные давления при сохранении запаса прочности.

Основное содержание диссертации отражено в следующих основных работах:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Буялич, Г. Д. Влияние размерности модели на расчёт параметров цилиндров гидростоек / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Вестник Кузбасского государственного технического ун-та. - Кемерово, 2004. - № 5. - С. 42-44.

2. Воеводин, В. В. К вопросу определения контактного давления в уплотни-тельных узлах / В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - Кемерово, 2004. - № 6.1. - С. 58-59.

3. Буялич, К. Г. Критерии оценки качества работы уплотнения гидростойки механизированной крепи // Горное оборудование и электромеханика. - 2009. -№5.-С. 8-10.

4. Александров, Б. А. Влияние геометрических параметров уплотнительно-го узла на величину выдавливания в зазор / Б. А. Александров, К. Г. Буялич //

Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал).

- 2010. - Отд. вып. 3 : Горное машиностроение. - С. 88-92.

5. Влияние параметров цилиндра гидростойки на частоту его собственных колебаний / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич, А. В. Михайлова // Горное оборудование и электромеханика. - 2011. - № 1. - С. 26-30.

6. Буялич, Г. Д. Оценка точности конечно-элементной модели рабочего цилиндра гидростойки крепи / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2011.

- Отд. вып. 2 : Горное машиностроение. - С. 203-206.

Статьи в прочих изданиях

7. Буялич, Г. Д. Определение безопасных режимов работы шахтных гидростоек / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах : материалы IV Междунар. науч.-практ. конф., 21-23 нояб. 2000 г. - Кемерово : КузГТУ, 2000. - С. 126.

8. Буялич, Г. Д. Оценка герметичности гидростоек механизированных крепей / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Динамика и прочность горных машин : сб. тр. II Междунар. конф., 28-29 мая. - Новосибирск : Ин-т горного дела СО РАН, 2003. - Т. 2. - С. 86-88.

9. Буялич, Г. Д. Расчёт на прочность гидравлического домкрата с учётом перекоса штока / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Творчество молодых в науке и образовании : тез. интернет-конф. / под ред. Н. И. Гданского [и др.]

- М.: Моск. гос. ун-т инженерной экологии, 2003. - Ч. 1. - С. 59-62.

10. Буялич, К. Г. Расчёт манжеты для уплотнения поршня силового гидроцилиндра // Информационные недра Кузбасса : тр. III регион, науч.-практич. конф. - Кемерово : Кемер. гос. ун-т, 2004. - С. 268-269.

11. Воеводин, В. В. Контактное давление в уплотнительном узле гидростойки механизированной крепи / В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2004 : материалы X Междунар. науч.-практич. конф. -Кемерово : ГУ Кузбас. гос. техн. ун-т, 2004. - С. 219-220.

12. Буялич, Г. Д. Определение рациональных геометрических размеров цилиндров гидростоек / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2004 : материалы X Междунар. науч.-практ. конф. - Кемерово : ГУ Кузбас. гос. техн. ун-т, 2004. - С. 227-229.

13. Буялич, К. Г. Методы исследования свойств эластичных материалов // Информационные недра Кузбасса: тр. IV Всерос. науч.-практич. конф., Кемерово, 3-4 февр, 2005 г. - Кемерово : ГУ ВПО «Кемер. гос. ун-т», 2005. - С. 191-192.

14. Буялич, К. Г. Параметрическая модель уплотнительного узла гидростойки механизированной крепи М130 / К. Г. Буялич, Б. А. Александров // Сборник лучших докладов студентов и аспирантов Кузбасского государственного технического университета по результатам юбилейной 50-й научно-практической конференции, ГУ КузГТУ, 18-23 апр. 2005. - Кемерово, 2005. - С. 87-89.

15. Буялич, К. Г. О моделировании резиноподобных материалов методом конечных элементов // Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных

регионах : материалы VI Междунар. науч.-практ. конф. - Кемерово : Кузбас, гос. техн. ун-т, 2005. - С. 234-235.

16. Буялич, Г. Д. Особенности построения модели гидростойки при её расчётах на герметичность / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах : материалы VI Междунар. науч.-практ. конф. - Кемерово : Кузбас, гос. техн. ун-т, 2005. - С. 246-247.

17. Буялич, К. Г. Определение напряжённо-деформированного состояния уплотнительного узла гидростойки механизированной крепи М130 // Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений : материалы IV Российско-китайского симпозиума. - Кемерово, 2006. - С. 145-146.

18. Буялич, К. Г. О разработке методики оценки прочности резиновых уплотнений // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2006 : материалы XI Междунар. науч.-практич. конф. - Кемерово, 2006. - С. 208-209.

19. Буялич, Г. Д. Влияние формы конечных элементов на точность расчётов циливдров гидростоек / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2006 : материалы XI Междунар. науч.-практ. конф. - Кемерово, 2006. - С. 245.

20. Буялич, К. Г. Определение коэффициентов модели Mooney-Rivlin экспериментальным путем // Инновационные технологии и экономика в машиностроении : тр. V Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием, Юрга, 14-15 сент. 2007 г. - Томск : Изд-во ТПУ, 2007. - С. 191-194.

21. Буялич, Г. Д. Результаты расчетов цилиндра с различными типами конечных элементов / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Вестник Кузбасского государственного технического ун-та. - Кемерово, 2007. - № 6. - С. 20-21.

22. Буялич, Г. Д. Выбор типа конечных элементов при расчёте гидростоек / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Инновационные технологии и экономика в машиностроении : тр. VI Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием, г. Юрга, 15-16 мая 2008 г. - Томск : Изд-во ТПУ, 2008. - С. 443^46.

23. Пат. 76072 РФ, МПК Е 21 D 15/44 (2006.01). Гидравлическая стойка шахтной крепи / Буялич Г. Д., Антонов Ю. А., Буялич К. Г., Воеводин В. В. ;ГУ КузГТУ. - № 2008115571/22 ; заявл. 21.04.08 ; опубл. 10.09.08, Бюл. № 25. - 6 с.

24. Буялич, К. Г. Критерии оценки работоспособности силовых гидроцилиндров // Динамика, надежность и долговечность механических и биомеханических систем и элементов их конструкций : материалы междунар. науч.-техн. конф. - Севастополь : Изд-во СевНТУ, 2008. - С. 419-422.

25. Буялич, К. Г. Критерии оценки герметичности гидростоек механизированных крепей // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности : тр. X Междунар. науч.-практ. конф. - Кемерово : ИУУ СО РАН, 2008. - С. 170-172.

26. Буялич, К. Г. Построение модели двухслойного рабочего цилиндра шахтных гидравлических стоек // Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики : материалы 4-й Междунар. конф. по проблемам горн, пром-ти, строительства и энергетики, Тула, 27-31 окт. 2008 / под общ. ред. Р. А. Ковалёва. - Тула: ТГУ, 2008. - С. 75-78.

27. Александров, Б. А. Радиальные деформации трёхслойного цилиндра шахтных гидравлических стоек / Б. А. Александров, К. Г. Буялич // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2008 : материалы XII Междунар. науч.-практ. конф. - Кемерово : ГУ КузГТУ, 2008. - С. 232-233.

28. Александров, Б. А. Влияние параметров уплотняющего элемента на перекрытие зазора / Б. А. Александров, К. Г. Буялич И Инновационные технологии и экономика в машиностроении : тр. VII Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием, Юрга, 21-22 мая 2009. - Томск : Изд-во ПТУ, 2009. - С. 623-626.

29. Пат. 89611 РФ, МПК Е 21 D 15/44 (2006.01). Гидравлическая стойка шахтной крепи / Буялич Г. Д., Антонов Ю. А., Буялич К. Г., Воеводин В. В. ; ГУ КузГТУ. -№ 2009129020/22 ; заявл. 27.07.09 ; опубл. 10.12.09, Бюл. № 34. -5 с.

30. Буялич, Г. Д. Определение количества элементов модели по толщине стенки силового гидроцилиндра / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Инновационные технологии и экономика в машиностроении : сб. тр. Междунар. науч.-практ. конф. с элементами науч. шк. для молодых ученых, Юрга, 20-21 мая 2010 г. - Томск : Изд-во ТПУ, 2010. - С. 516-518.

31. Буялич, Г. Д. Параметрическая модель двухслойного гидроцилиндра / Г. Д. Буялич, А. В. Михайлова, К. Г. Буялич // Инновационные технологии и экономика в машиностроении : сб. тр. II Междунар. науч.-практ. конф. с элементами науч. шк. для молодых ученых, Юрга, 19-20 мая 2011 г. - Томск : Изд-во ТПУ, 2011.-С. 580-581.

32. Параметрическая модель двухслойного гидроцилиндра для прочностного анализа / Г. Д. Буялич, А. В. Михайлова, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Перспектива развития Прокопьевско-Киселевского угольного района как составная часть комплексного инновационного плана моногородов : сб. тр. III Междунар. науч.-практ. конф., 30 марта 2011 г. - Прокопьевск, 2011. - С. 222-223.

33. Буялич, К. Г. Исследование деформаций двуслойного цилиндра гидростойки крепи 20КП70Б // Безопасность жизнедеятельности предприятий в про-мышленно развитых регионах : материалы IX Междунар. науч.-практ. конф., Кемерово, 22-23 нояб. 2011 г. - Кемерово : КузГТУ, 2011. - С. 39-41.

34. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ 2008614555 РФ. Упрощенная параметрическая модель работы уплотнения поршня в зазоре / Буялич Г. Д, Воеводин В. В., Буялич К. Г. ; ГУ КузГТУ. - № 2008613516 ; заявл. 28.06.08 ; зарегистр. 22.09.08. - 7 с.

35. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ 2008614641 РФ. Параметрическая модель рабочего цилиндра гидростойки / Буялич Г. Д., Воеводин В. В., Буялич К. Г. ; ГУ КузГТУ. - №2008613517 ; заявл. 28.06.08 ; зарегистр. 26.09.08. - 5 с.

36. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ 2012611304 РФ. Параметрическая модель двуслойного цилиндра гидростойки крепи М144 / Буялич Г. Д., Воеводин В. В., Буялич К. Г., Михайлова А. В. ; правообладатель Федер. гос. бюджет, образоват. учреждение высш. профессион. образования «Кузбас. гос. техн. ун-т» (КузГТУ). -№ 2011619201 ; заявл. 02.12.11 ; зарегистр. 01.02.12.-11 с.

Подписано в печать .ог. ьо 41 Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Уч. - изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ

КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Весенняя, 28. Типография КузГТУ. 650000, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.

61 12-5/2159

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачева»

На правах рукописи

БУЯЛИЧ Константин Геннадьевич

УДК 622.284.54:517.962.1

ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ГИДРОСТОЕК МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ

Специальность: 05.05.06 - «Горные машины»

Научные руководители:

д-р техн. наук [Александров Борис Алексеевич

канд. техн. наук Антонов Юрий Анатольевич

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово -2012

Содержание

введение_

1 состояние вопроса__10

1.1 Условия работы комплексно-механизированных забоев при подземной добыче угля_10

1.2 Анализ параметров и исследований, характеризующих работу гидростоек механизированных крепей_19

1.3 Анализ исследований работы уплотнений силовых гидроцилиндров_3 5

1.4 Классификация факторов, влияющих на герметичность гидростоек механизированных крепей. Цель и задачи исследований_62

Выводы_64

2 обоснование моделей для исследований работы рабочего цилиндра и уплотнений_66

2.1 Выбор метода исследований напряжённо-деформированного состояния моделей_66

2.2 Выбор и обоснование параметров моделей поведения под нагрузкой материалов цилиндров гидростоек и манжетных уплотнений _72

2.3 Выбор типа элемента и размерности модели для расчётов цилиндра_

86

2.4 Обоснование плотности конечно-элементной сетки при расчётах гидроцилиндра____92

2.5 Разбиение моделей цилиндра и манжетного уплотнения на регулярную сетку конечных элементов_96

Выводы_______100

3 ОЦЕНКА ФОРМИРОВАНИЯ УПЛОТНЯЕМОГО ЗАЗОРА В ГИДРОСТОЙКАХ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ_102

3.1 Выбор и обоснование критериев, характеризующих герметичность гидростойки с точки зрения деформации рабочего цилиндра_102

3.2 Разработка параметрических моделей для расчетов напряженно-деформированного состояния рабочих цилиндров гидростоек методом конечных элементов_107

3.3 Исследование влияния геометрических и силовых параметров на напряженно-деформированное состояние однослойных рабочих цилиндров_109

3.4 Исследование влияния геометрических и силовых параметров на напряжённо-деформированное состояние двуслойных рабочих цилиндров_126

3.5 Исследование напряженно-деформированного состояния трёхслойных и четырёхслойных рабочих цилиндров_138

Выводы_150

4 ОЦЕНКА ПОВЕДЕНИЯ МАНЖЕТНЫХ УПЛОТНЕНИЙ В ГЕРМЕТИЗИРУЕМОМ ЗАЗОРЕ ГИДРОСТОЕК МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ_152

4.1 Разработка критериев, характеризующих работу уплотнения в перекрываемом зазоре_152

4.2 Разработка конечно-элементных моделей уплотнительного узла гидростойки _15 5

4.3 Исследование НДС уплотнения по ГОСТ 6969-54 при различных силовых и геометрических параметрах уплотнительного узла_166

4.4 Совершенствование манжетных уплотнений и разработка упрощенных параметрических моделей для исследования их поведения

в зазоре_172

4.5 Результаты исследований поведения уплотнений силовых гидроцилиндров в перекрываемом зазоре по упрощённым моделям_177

4.6 Сравнительный анализ работы армированного и неармирован-

ного манжетных уплотнений гидростоек механизированной крепи_186

Выводы_188

ЗАКЛЮЧЕНИЕ_190

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ_192

ПРИЛОЖЕНИЯ_213

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время наблюдается тенденция к снижению общего количества комплексно-механизированных забоев (КМЗ) с одновременным увеличением из них добычи. При этом постепенно ухудшаются горно-геологические условия выемки угольных пластов. В совокупности эти факторы накладывают повышенные требования к надёжности работы КМЗ.

Исследованиями работы механизированных крепей в различных условиях (КузНИУИ) было уставлено, что одной из основных причин простоев КМЗ являются отказы гидрооборудования крепи из-за потери герметичности, при этом из этих отказов 31% приходится на гидростойки, а 23 % - на другие силовые гидродомкраты. В структуре отказов из-за потери герметичности гидростоек 58 % отказов происходят из-за коррозии и износа зеркала цилиндра, 28 % -из-за износа уплотнений и 14 % - из-за раздутия рабочих цилиндров. Это влечёт за собой не только технические проблемы, связанные с непрерывностью и безопасностью работы комплексов, но и экономические потери.

Существующие методики расчёта параметров гидростоек механизированных крепей в большинстве случаев являются аналитическими и не учитывают всего комплекса факторов, при которых происходит возникновение критических ситуаций, приводящих к недопустимо большим уплотняемым зазорам и нарушающих нормальную эксплуатацию уплотнений.

Несмотря на большое количество исследований, посвящённых работе гидростоек механизированных крепей, вопросы их герметичности в различных условиях нагружения являются недостаточно изученными.

Кроме того, для уменьшения радиальных деформаций рабочих цилиндров и улучшения работы в них манжетных уплотнений предлагаются различные технические решения, требующие научного обоснования их параметров.

С учётом вышесказанного, выявление и оценка параметров герметичности гидростоек, учитывающих формирование герметизируемого зазора и рабо-

ту уплотнения с учётом их конструктивных особенностей, характера нагруже-ния и свойств материалов, являются актуальными.

Работа выполнялась в соответствии с заданиями Министерства образования РФ (2002-2004 гг.), Федерального агентства по образованию РФ (20052010 гг.) и Министерства образования и науки РФ (2011 г.), а также по договору с ЗАО «Распадская» (2006 г.).

Цель работы - оценка параметров герметичности гидростоек механизированных крепей.

Идея работы - использовать для оценки герметичности гидростоек величину герметизируемого зазора и параметры работы в нём уплотнения.

Задачи исследований.

1. Разработать конечно-элементные модели и с их помощью исследовать влияние параметров гидростоек и внешних сил на образование герметизируемого зазора между цилиндром и поршнем.

2. Разработать конечно-элементные модели и с их помощью исследовать поведение манжетных уплотнений в герметизируемом зазоре в зависимости от конструкции и параметров уплотнительного узла, величины зазора, свойств материала и давления рабочей жидкости.

3. Обосновать технические предложения для совершенствования гидростоек механизированных крепей.

Методы исследований: моделирование методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния тел из упруго-пластических и гиперупругих резиноподобных материалов.

Научные положения, выносимые на защиту: • радиальные деформации рабочего цилиндра гидростоек механизированных крепей определяются давлением рабочей жидкости, конструктивными размерами цилиндра и свойствами его материала, осевым расстоянием деформируемой точки относительно первого уплотнения со стороны поршневой полости и днища, а также углом установки гидростойки в крепи и могут быть изменены

путём выполнения цилиндра многослойным с задаваемыми толщинами слоев и натягами между ними;

• выдавливание материала уплотнения в зазор и эквивалентные напряжения определяются радиусом скругления кромки канавки поршня, давлением рабочей жидкости, величиной уплотняемого зазора, радиусом скругления уплотнения, а также установкой в тело уплотнения армирующей пластины, её свойствами, размерами и параметрами установки;

• герметичность гидростоек необходимо оценивать совместно радиальными деформациями рабочего цилиндра в пределах поршня и параметрами работы уплотнения в герметизируемом зазоре системы «поршень - уплотнение - рабочий цилиндр».

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректным использованием метода конечных элементов и выбранных моделей поведения материалов, широко апробированных при решении других задач; обоснованностью принятых элементов и параметров сетки конечных элементов в используемых моделях, позволяющих получить погрешность вычислений по отношению к теоретическим расчетам при определении радиальных деформаций до 3,2 % и при определении напряжений - до 5-8 %, в зависимости от размерности моделей; относительной погрешностью результатов расчета уплотнений по упрощенным моделям до 0,05 %. Научная новизна заключается в том, что:

• разработаны и определены критерии оценки степени герметичности для гидростоек механизированных крепей при образовании герметизируемых зазоров;

• на основе разработанных параметрических моделей для определения напряжённо-деформированного состояния однослойных и многослойных цилиндров получены зависимости их радиальных деформаций от давления рабочей жидкости, раздвижности, соотношения диаметров и величин натягов;

• разработаны и определены критерии для оценки герметизации уплотняемого зазора для различных уплотнений, а также получены их зависимости для арми-

рованных манжетных уплотнений, учитывающие рабочее давление, величину зазора и конструктивные параметры поршня и уплотнения;

• на основе проведённых исследований предложены параметры технических решений, повышающие степень герметичности гидростоек.

Личный вклад автора заключается в:

• разработке конечно-элементных моделей и исследовании напряжённо-деформированного состояния однослойных и многослойных цилиндров в зависимости от конструктивных параметров гидростойки, её раздвижности, свойств материала и приложении внешних нагрузок;

• разработке конечно-элементных моделей и исследовании напряжённо-деформированного состояния манжетных уплотнений в зависимости от их конструктивных исполнений, свойств материала и зазора;

• обосновании параметров технических решений, улучшающих критерии работы рабочих цилиндров и манжетных уплотнений в герметизируемом зазоре.

Научное значение работы заключается в выявлении закономерностей формирования зазоров между поршнем и цилиндром от конструкции, параметров и схем нагружения гидростоек, а также закономерностей, характеризующих работу в этом зазоре уплотнений с различными параметрами.

Практическая ценность заключается в разработке моделей для определения напряжённо-деформированного состояния рабочих цилиндров и манжетных уплотнений гидростоек механизированных крепей.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований, приведенных в диссертации, были использованы: ООО «Юргинский машзавод» при разработке механизированных крепей; ЗАО «Научно-исследовательский испытательный центр КузНИУИ» при экспертизе горношахтного оборудования; при разработке курса «Методы расчета горных машин» для студентов КузГТУ специальности 150402 (Горные машины и оборудование) со специализацией «Проектирование и конструирование горных машин и оборудования».

Апробация работы. Основные научные положения диссертации докладывались и получили одобрение на: IV, У1-1Х Междунар. науч.-практ. конф. «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» («Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регио-нах»)(Кемерово, 2000, 2005, 2007, 2009, 2011); 1-Ш регион., IV Всерос. науч.-практ. конф. «Информационные недра Кузбасса» (Кемерово, 2001, 2003-2005); II Междунар. науч. конф. «Динамика и прочность горных машин» (Новосибирск, 2003); Х-ХП Междунар. науч.-практ. конф. «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс» (Кемерово, 2004, 2006, 2008); У-ЛШ Всерос. и 1-П Междунар. науч.-практ. конф. «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (Юрга, 2007-2011); интернет-конф. «Творчество молодых в науке и образовании» (Москва, 2003); IV, VI Российско-китайских симпозиумах «Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений» (Кемерово, 2006, 2010), междунар. науч.-техн. конф. «Динамика, надёжность и долговечность механических и биомеханических систем и элементов их конструкций» (Севастополь, 2008), X Междунар. науч.-практ. конф. «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (Кемерово, 2008), 4-й Междунар. конф. по проблемам горн, пром-ти, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (Тула, 2008), III Междунар. науч.-практ. конф. «Перспектива развития Про-копьевско-Киселевского угольного района как составная часть комплексного инновационного плана моногородов» (Прокопьевск, 2011), ежегодных научных конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава КузГТУ (Кемерово, 2000-2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 печатных работ, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 патента на полезные модели и 4 свидетельства на программы для ЭВМ.

1 Состояние вопроса

1.1 Условия работы комплексно-механизированных забоев при подземной добыче угля

Россия является одним из мировых лидеров по объемам угледобычи и занимает пятое место после Китая, США, Индии и Австралии. Начиная с 1998 г. ежегодно увеличивается объем угледобычи и за последние 2 года Россия вышла на уровень 300 млн т в год. За 2007 г. добыча составила 314,5 млн т. Подземным способом добыто 109,2 млн т, а открытым - 205,3 млн т [1].

Кузнецкий угольный бассейн - самый крупный поставщик угля. Площадь угленосных отложений составляет 26,7 тыс. км2 [2]. На его долю приходится 55 % всего добываемого угля в стране и 83 % углей коксующихся марок.

Балансовые запасы угля Кузбасса категории А+В+С1 оцениваются в 56 млрд т, что составляет 28,2 % общих запасов и 61,8 % запасов каменных углей России. При этом запасы коксующихся углей составляют 29 млрд т или 72,3 % запасов страны.

По данным КузНИУИ [3] только в пологих и наклонных пластах находится около 4379,4 млн т промышленных запасов угля, в том числе на пластах мощностью до 0,7 м - 0,1 млн т; 0,71-1,2 м - 860,0 млн т; 1,21-3,5 м -2332,5 млн т; 3,51-4,5 м - 468,4 млн т; 4,51-6,5 м - 342,2 млн т и более 6,51 м -375,3 млн т (рис. 1.1.1). Наибольшие запасы сосредоточены на пластах мощностью 1,21-4,5 м - почти 63 %.

Всего в Кузбассе разрабатываются и подготовлены для промышленного освоения запасы объемом 26,8 млрд т, в том числе 12,9 млрд т коксующихся углей. В бассейне добывается практически весь спектр марок каменных углей -от длиннопламенных до антрацитов, при этом основу составляют угли для коксования марок К, Ж, КС, ТС, ГЖ, ОС и энергетические угли марок Д, Г, Т, СС. Кузнецкие угли отличаются высоким качеством: зольность 8-22 %, содержание серы 0,3-0,6 %, удельная теплота сгорания 6000-8500 кКал/кг. Средняя глубина

разработки угольных пластов подземным способом достигает 343 м (для сравнения: в Донецком бассейне - 574 м, в Печорском бассейне - 534 м). Около 40 % добываемого угля потребляется в самой Кемеровской области и 60 % вывозится в районы Западной Сибири, Урала, Центра Европейской части России и на экспорт. Доля кузнецких углей на внутреннем рынке по энергетическим углям составляет 24,1 %, а по коксующимся - 84,2 %. В структуре экспорта угля из России на Кузбасс приходится свыше 70 % его физического объема.

> 6,51м;

Рис. 1.1.1. Распределение промышленных запасов угля в пологих и наклонных пластах Кузбасса (млн т)

Доля Кузбасса в общеотраслевой добыче угля в первом кв. 2008 г. составила 45,1 %, что на 0,8 % больше чем в первом квартале 2007 г. [1]. В целом по угольной отрасли в первом квартале 2008 г. по сравнению с аналогичным периодом 2007 г. добыча угля выросла на 3,9 млн т. При этом среднесуточная добыча угля из действующего очистного забоя составила в среднем по отрасли 2276 т (рис. 1.1.2), а среднесуточная нагрузка на комплексно-механизированный забой (КМЗ) - 3095 т (рис. 1.1.3).

За год рост нагрузки на забой составил не более 2 %, но если сравнивать с показателями за последние 3 года, то рост является более значительным и составляет до 23 %. В 2011 году общая добыча угля в Кузбассе впервые составила 192 млн тонн, что на 3,4 % больше, чем в 2010 году [4].

В настоящее время при разработке пластов угольных бассейнов страны подземным способом преобладает технология отработки длинными столбами на основе комплексов с механизированными крепями [5,6]. Средне действующее количество комплексно механизированных забоев сокращается (рис. 1.1.4). Несмотря на это в отрасли наблюдается стабильный рост производительности труда (рис. 1.1.5) [1]. За десятилетие производительность возросла почти в 2 раза и тенденция роста продолжается.

Рис. 1.1.2. Динамика среднесуточной добычи угля из действующего очистного забоя, т

'1 '1 --1-

1324 ------------

2000 г. 2001 г. 2002 г. 2003 Г. 2004 г. 2005 г. 2006 г. 2007 г. 1 кв. 2008

г.

Рис. 1.1.3. Динамика среднесуточной нагрузки на комплексно-механизированный забой, т

Вышесказанное свидетельствует о том, что в отрасли наблюдается тенденция к снижению общего количества КМЗ с одновременным увеличением из

них добычи, что, несомненно, повышает требования к надёжности работы основных узлов механизированных комплексов.

Условия отработки угольных пластов с по