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

На правах рукописи

Воеводин Владимир Васильевич

ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ГИДРОСТОЕК МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность: 05.05.06 - "Горные машины"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Кемерово - 2005

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Кузбасский государственный технический университет"

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент Буялич Геннадий Даниилович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор кандидат технических наук

Горбунов Валерий Федорович Журавлев Ростислав Петрович

Ведущая организация

ООО "ЮРМАШ", г. Юрга

н

Зашита состоится ¿У- У - Cjy на заседании диссертационного

совета Д 212.102.01 в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Кузбасский государственный технический университет" по адресу:

650026, г. Кемерово, ул. Весенняя, 28.

Факс: (384-2)36-16-87. E-mail: woevodin@yandex.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Кузбасский государственный технический университет"

Автореферат разослан

г.

Ученый секретарь диссертационного совета

В.Г. Каширских

Актуальность работы. Исследованиями КузНИУИ уставлено, что в структуре простоев комплексно-механизированного забоя из-за отказов гидрооборудования крепи 31 % приходится на отказы гидростоек механизированных крепей и 23% на отказы других силовых гидродомкратов. Причины потери герметичности гидростоек М130, 2ОКП70, ПИОМА, М138 распределяются следующим образом: коррозия и износ зеркала цилиндра 58%, износ уплотнений 28% и раздутие рабочего цилиндра 14%.

Наиболее опасные режимы работы гидростойки возникают при динамических явлениях. Появление их в основном характеризуется наличием в кровле труднообрушаемых пород (около 40% угольных пластов Кузбасса). Воздействие динамических явлений на крепь носит выраженный ударный, динамический характер. Чаще всего деформируются непосредственно гидростойки, основания и перекрытия секций крепи. Поэтому большое внимание уделяется разработке различных технических решений предохранения цилиндров гидростоек от забросов давления рабочей жидкости.

Также гидростойка, как любая стержневая система, нагруженная осевой силой, может терять устойчивость и поэтому при проектировании это один из основных параметров, по которому проводится оценка работоспособности конструкции.

Известные методики расчета гидростоек являются аналитическими, не учитывают краевые эффекты, конструктивные особенности цилиндров, угол установки в механизированной крепи, который влияет как на герметичность, так и на устойчивость, и не позволяют определять частоты собственных колебаний и производить расчет на устойчивость с учетом нелинейных свойств материала, давления рабочей жидкости, конструктивных особенностей. При этом существует достаточно много технических решений, позволяющих улучшить параметры гидростоек, но их эффективность невозможно оценить известными аналитическими методами. Тема диссертационной работы посвящена устранению этих пробелов.

Цель работы - оценка параметров гидростоек механизированных крепей методом конечных элементов.

Идея работы - использование метода конечных элементов для оценки прочности, устойчивости и герметичности гидростоек с учетом конструктивных особенностей.

Задачи исследований.

1. Обосновать параметры метода конечных элементов для расчета гидростоек и ввести критерии оценки параметров гидростоек;

2. Разработать конечно-элементные модели для расчета гидростоек на прочность, устойчивость, герметичность и частоты собственных колебаний;

3. Исследовать влияние силовых и геометрических параметров гидростоек на их герметичность и устойчивость, а также влияние силовых и геометрических параметров цилиндров гидростоек на их деформации, напряжения и частоты собственных колебаний.

Методы исследований; компьютерное моделирование режимов работы гидростоек с помощью метода конечных элементов; регрессионный анализ.

Научные положения, выносимые на защиту:

• радиальные деформации и напряжения рабочего цилиндра в различных точках определяются рабочим давлением, раздвижностью, геометрическими параметрами цилиндра, а частота и формы собственных колебаний - геометрическими параметрами цилиндра;

• герметичность гидростойки оценивается зазором между поршнем и цилиндром в районе первого уплотнения со стороны поршневой полости, который определяется полями допусков размеров и взаимным расположением поршня относительно цилиндра, деформацией цилиндра под нагрузкой от воздействия давления рабочей жидкости и дополнительных сил, вызванных перекосами штока относительно цилиндра, и не зависит от знака угла перекоса смежных ступеней;

• критическая сила гидростойки при расчете на устойчивость определяется схемой нагружения, давлением рабочей жидкости и геометрическими параметрами ее элементов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректным использованием хорошо проверенного при решении других задач метода конечных элементов с относительной погрешностью результатов расчета упрощенных моделей до 8%; коэффициентами детерминации регрессионных зависимостей не менее 0,9; сопоставимостью результатов исследований с результатами, полученными другими авторами. Научная новизна заключается в том, что:

• определены зависимости влияния рабочего давления, раздвижности и геометрических параметров рабочего цилиндра на радиальные деформации в характерных точках и напряжения, а также на частоты и формы собственных колебаний;

• выявлено влияние угла установки гидростойки на ее герметичность;

• установлены значения критической силы от углов установки гидростойки, геометрических параметров цилиндра, штока, поршня и с учетом конструктивных особенностей и давления рабочей жидкости при линейных и нелинейных свойствах материала;

Личный вклад автора заключается в

• обосновании параметров метода конечных элементов, адаптированного для расчета гидростоек механизированных крепей;

• разработке параметрических моделей гидростоек, позволяющих проводить расчеты на прочность, герметичность, устойчивость и определять частоты собственных колебаний;

• построении регрессионных зависимостей деформирования, упругой податливости, упругой устойчивости и собственных частот рабочего цилиндра;

• адаптации метода линейной оптимизации конструкций для выбора рациональных геометрических размеров элементов гидростоек;

• разработке технических решений, позволяющих улучшить параметры гидростоек.

Научное значение работы заключается в выявлении закономерностей влияния силовых и геометрических параметров гидростойки на деформации, напряжения и частоту собственных колебаний рабочего цилиндра;

Практическая ценность заключается в разработке моделей для расчета параметров шахтных гидравлических стоек механизированных крепей на прочность, устойчивость, герметичность и частоты собственных колебаний.

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

• Юргинским машиностроительным заводом при разработке механизированных крепей МКЮ.2У-16/33, МКЮ.4У-22/40, МКЮ.4У-18/38 и др.;

• ЗАО "Научно-исследовательский испытательный центр КузНИУИ" и ООО "НПП Испытатель" при экспертизе горно-шахтного оборудования;

• При разработке курсов лекций "Горные машины и комплексы", "Методы расчета горных машин" для студентов специальности 170100 (Горные машины и оборудование).

Апробация работы. Основные научные положения диссертации докладывались и получили одобрение на: IV междунар. науч.-практ. конф. "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (г. Кемерово, 2000); регион, науч.-практ. конф. "Информационные недра Кузбасса" (г. Кемерово, 2001, 2003 - 2005); междунар. науч. конф. "Динамика и прочность горных машин" (г. Новосибирск, 2001, 2003); междунар. науч.-практ. конф. "Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности" (г. Кемерово, 2001); VI и X междунар. науч.-практ. конф. "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс" (г. Кемерово, 2001, 2004); регион, науч.-практич. конф. "Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении" (г. Юрга, 2002); интернет-конф. "Творчество молодых в науке и образовании" (г. Москва, 2003); ежегодных научных конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 2000 - 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 печатная работа.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 разделов, заключения, списка литературы и включает в себя 114 страниц машинописного текста, 12 таблиц, 96 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Большой вклад в области изучения проблемы исследования параметров гидростоек при различных режимах нагружения внесли такие ученые, как Абрамов Е. И., Александров Б. А., Буялич Г. Д., Горбунов В.Ф., Городилов Н. Н., Журавлёв Р. П., Зурабишвили И. И., Калинин С. И, Клишин В. И., Коршунов А. Н., 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., Ше-ин Ю. Г., Шубин В. Ф. и др.

Исследования в данном направлении велись ИГД им. А.А. Скочинского, ВНИМИ, ИГД СО РАН, КузГТУ, КузНИУИ, ПНИУИ и др.

Для решения поставленных задач был выбран метод конечных элементов в связи с тем, что он позволяет провести весь комплекс исследований гидростоек на

прочность (с учетом нелинейных свойств материала), устойчивость (с учетом больших перемещений модели), герметичность (с возможностью моделирования контакта смежных ступеней) и определять частоты собственных колебаний конструкции. При этом он имеет наибольшее распространение, прост в использовании и позволяет проводить различные виды анализов для одной и тоже модели.

Для моделирования гидростоек были выбраны прочностные линейные и квадратичные двумерные осесимметричные (2D) и трехмерные (3D) конечные элементы (КЭ) Относительная погрешность результатов расчетов, полученных методом конечных элементов по сравнению с теоретическими значениями для бесконечного цилиндра с внутренним давлением, составила: для эквивалентных напряжений с 2D моделями - до 8% и с 3D моделями - до 5%; для радиальных деформаций со всеми моделями - не более 3%. Что указывает на удовлетворительную сходимость результатов между собой и возможность использования этих конечных элементов при расчете более сложных конструкций.

Оценка плотности сетки КЭ проводилась с помощью относительной погрешности радиальных деформаций А® в характерных точках гидростойки (рис 1 и рис. 2) и показателя плотности конечно-элементной сетки К^ (рис 3, где К& — отношение размера ребра КЭ по длине цилиндра к размеру по толщине стенки цилиндра).

аяю'.м V. 5яюх

К„с -

1

\ ,пшх

-"экв у шах

'эквкэ у ,тах

•100,%

где а—у и <ТзИ1Э

мак-

симальные эквивалентные напряжения, соответственно, по средним узловым и неусреднен-ным значениям.

Для исследования влияние размерности модели на получаемые результаты расчета были созданы модели с 2D осесимметричными КЭ, 3D с использованием повторной симметрии, 3D с использованием отражающей симметрией и 3D полная (360°). Для полного подобия 3D модели создавались путем вращения 2D модели вокруг осевой линии цилиндра соответственно на 90, 180 и 360° Дискретизация геометрической модели проводилась КЭ с примерно одинаковыми сторонами. По толщине стенки цилиндра их строилось три, а при вращении на

(._____

Рис. 1. Радиальные деформации цилиндра гидростойки Ml30 и схема расположения характерных точек

Алда %

■ 1 характерная точка ■2 характерная тонка " ■ 3 характерная точка

(1и2 с 2 наЗ с 3 на 4 с 4 а« 5 с5шб

—Рнр (32 МШ), КЬ-1 -Рре (50 МШ1]КЬ=1 2"Ррс (100 МПа), КЬ=1 -«- Рвр (32 МШ), КЬ-2 - - Ррс (50 МП»), КЬ=2 2*Ррс (100 МПа), КИ=2

к

\ \

\ 1 \

ч \ Г4^

Изменение количества элементов по толщине стенки цилиндра

Рис. 2. Значения Д® цилиндра гидростойки типа Ml30

1 2 3 4 5 ,6

N.. шт.

Рис. 3. Изменение Кпс цилиндра гидростойки типа Ml30 при различных давленияхрабочей жидкости, формах КЭ (Кь) и количествах КЭ по толщине стенки цилиндра (Ы^

каждые 90° создавалось шесть КЭ вдоль дуги. Опора разбивалась КЭ с ребром, равным не более одной шестой толщины стенки цилиндра.

Полученные значения радиальных деформаций в характерных точках показывают хорошую сходимость результатов расчетов между моделями с различными размерностями (относительная погрешность менее 2%).

Для комплексной оценки работоспособности и эффективности гидростоек различного конструктивного исполнения (с различными техническими решениями) были введены три группы критериев (рис. 4).

Исследования, проведенные при решении 1-ой задачи по обоснованию параметров метода конечных элементов, и введение критериев оценки конструкций позволило разработать рекомендации к КЭ моделям гидростоек:

• в моделях использовать прочностные линейные или квадратичные КЭ;

• проводить дискретизацию модели КЭ с примерно равными ребрами, а по толщине стенки цилиндра элементов должно быть не менее 3 шт;

• по возможности нужно использовать 2D осесимметричную модель, т. к. при небольшой разнице в точности расчетов она требует в 7 раз меньше дискового пространства для хранения информации о модели и в 12 раз меньше продолжительности расчета даже по сравнению с 3D четвертью моделью;

• применять 3D модели только при необходимости учета асимметричных внешних сил, связей или элементов гидростойки;

• модель должна позволять определять: максимальные эквивалентные напряжения во всем и рабочей части цилиндра; критическую силу гидростойки; максимальное давление рабочей жидкости, при котором гидростойка теряет герметичность; максимальное давление рабочей жидкости, при котором будет выбран зазор между поршнем и цилиндром; радиальные деформации во 2, 3 и 4 характерных точках; максимальное давление рабочей жидкости, которое может выдержать

цилиндр гидростойки при статическом нагружении, исходя из предела текучести материала; массу модели.

Рис. 4. Критерии оценки конструкций гидростоек ('р]^ —максимальноедавление рабочей жидкости, при котором гидростойка теряет герметичность с точки зрения максимально допустимого зазора в 4характерной точке, Па; р^ —

„(ЖЗ

номинальноерабочее давление в поршневой полости, Па; Рщ^ -максимальное давление рабочей жидкости, при котором будет выбран зазор между поршнем и цилиндром, Па; р^^ - максимального давления рабочей жидкости, которое может выдержать цилиндр гидростойки при статическом нагружении, исходя из предела текучести материала, МПа;т- масса цилиндра, штока, гидростойки, кг; - максимальное эквивалентное напряжение на рабочей поверхности

рабочего цилиндра, Па; ст™ -максимальное эквивалентное напряжение во всем рабочем цилиндре гидростойки, Па)

В связи с большим объемом необходимых расчетов гидростоек с различными силовыми и геометрическими параметрами при решении 2-ой задачи были разработаны параметрические модели для расчета на прочность (2Б осесиммет-ричные), на частоты собственных колебаний (3Б полные), на герметичность (3Б половинные), на упругую устойчивость (стержневые) и на устойчивость с использованием нелинейных свойств материала (3Б половинные). Каждая параметрическая модель позволяла моделировать любой из рабочих цилиндров, представленных на рис. 5, с 2 видами опор (типа ОКП70 и М130), размеры которых пропорциональны внутреннему диаметру цилиндра.

Модели для расчета на прочность учитывают следующие параметры цилиндра (см. рис. 5): 1ц - длина; 1р - раздвижность; 8 - толщина стенки; Бд - толщина дна; внутренний диаметр; р - давление рабочей жидкости, свойства материа-

ла (секущий и касательный модули упругости; предел текучести; коэффициент Пуассона; плотность). Дополнительные параметры для двухслойных цилиндров: а,„.2 И Б,.2 -внутренний радиус и толщина стенки внешнего цилиндра. Дополнительные параметры для гидростоек с защитным цилиндром: р„ 1з и Б, -

давление рабочей жидкости, длина и толщина стенки защитного цилиндра; расстояние от внутренней поверхности дна до защитного цилиндра.

Дискретизация 2D моделей осуществляется 4-х узловыми КЭ.

Модель цилиндра для определения его форм и частот собственных колебаний учитывает те же параметры, что и модели для расчета на прочность. Отличия заключаются в том, что не учитываются нелинейные свойства материала и создается 3D модель, т. к. при использовании плоскостей симметрии возможно появление ложных значений частот.

Модель гидростойки для расчета на герметичность учитывает углы установки а и перекоса смежных ступеней и оценивает величину зазора, перекрываемого первым уплотнением поршня со стороны поршневой полости. Этот зазор складывается из трех составляющих (рис. 6):

• Ду -определяется полями допусков размеров и взаимным расположением поршня относительно цилиндра;

• Ар — деформация внутренней поверхности цилиндра от давления рабочей жидкости;

• А£ — определяется дополнительными силами Ра и Рь, вызванными перекосами штока относительно цилиндра.

Рис. 5. Схемы двумерных параметрических конечно-элементных моделей цилиндров гидростоек: а) обычный с опорой типа ОКП70; б) двухслойный; в) с защитным цилиндром

Рис. 6. Схема сил и зазоров модели гидростойки прирасчете на герметичность

Построение данной модели и дискретизация ее на КЭ производятся в автоматическом режиме, при этом входными являются следующие параметры (рис. 7): длины цилиндра внутренний диаметр цилиндра внешний диаметр штока с^ш толщины стенок цилиндра и штока вг; зазор между поршнем и цилиндром высоты поршня а„ и грундбуксы а,^; угол установки а; свойства материала (модуль Юнга и коэффициент Пуассона); давление рабочей жидкости р; раздвижность 1р. Угол перекоса смежных ступеней вычисляется автоматически после задания входных параметров.

Построение производится только половины гидростойки, т. к. она имеет симметричную форму с учетом перекоса смежных ступеней. На поверхность разреза накладывается условие симметрии. В зоне возникновения дополнительных сил (см. рис. 7) на смежные узлы (расстояние между которыми меньше 0 001 мм) накладываются Рис. 7. Схема и параметры модели гидростойки при

уравнения связи совмест- расчете на герметичность

ного перемещения во всех направлениях. Этим моделируется контактное взаимодействие поршня с цилиндром и штока с грундбуксой.

Узлам внешней поверхности верхней четверти опоры штока задаются уравнения связи на совместное перемещение во всех направлениях (см. рис. 7). Что позволяет задать зону контакта и уйти от точечного приложения силы. Затем на главный узел этой группы накладываются ограничения на перемещения в поперечных направлениях гидростойки и прикладывается сила в вертикальном на-

правлении, численно равная половине внешней силы Р, т. к. строится половина гидростойки.

По результатам расчета определяются напряжения, деформации, смещения элементов гидростойки и силы Ра и Рь. По деформациям и смещениям поршня и цилиндра в районе первого уплотнения определяется суммарный зазор.

Для расчета гидростоек на упругую устойчивость была разработана параметрическая конечно-элементная стержневая модель, учитывающая угол установки гидростойки в механизированной крепи.

В настоящее время все большее распространение получает нелинейный подход решения задач потери устойчивости, т. к. он позволяет более точно определить значения критических сил и поэтому рекомендуется для расчета реальных конструкций. Он сводится к проведению нелинейного статического анализа конструкции при постоянно возрастающей нагрузке и определение такого ее уровня, при котором обнаруживается неустойчивое состояние конструкции. Величина критической нагрузки, получаемая при нелинейном подходе, обычно ниже той, которая определяется точкой бифуркации линейного решения. Это обусловлено тем, что при нелинейном описании учитываются присущие реальной конструкции гидростойки факторы (форма, нелинейное поведение материала, зазоры в сочленении поршня с цилиндром, давление рабочей жидкости и т. д.).

За основу модели расчета гидростойки на нелинейную устойчивость была взята параметрическая модель для расчета на герметичность. Отличия заключались в количестве шагов расчета, учите больших смещений (пересчет матрицы жесткости на каждой итерации) и использовании полного метода расчета Ньюто-на-Рафсона.

При решении 3-й задачи было изучено влияние геометрических параметров на максимальные эквивалентные напряжения в рабочем цилиндре (рис. 8), а также построены зависимости параметров деформирования от давления рабочей жидкости (рис. 9) и раздвижности (рис. 10).

Из этих зависимостей видно, что радиальные деформации, полученные аналитическим путем для бесконечно длинного цилиндра, соответствуют радиальным деформациям в зоне 2 характерной точки и в два раза больше, чем в районе первого уплотнения поршня со стороны поршневой полости (4 характерная точка). При этом в цилиндрах гидростоек М130 всех типоразмеров наибольшее максимальное эквивалентное напряжение возникает при раздвижности равной 0,18 м, а 1 и 5 характерные точки совмещаются.

р = 60 мш

Рис. 8. Изменение максимальных эквивалентных напряжений от внутреннего диаметра и толщины стенки цилиндра

800 600 400 200 0

, МП»

и" ""

р. МПа

10 б

0,25 0,2 0,15 0,1 0,05

<Ш, мм

*** Г

г

< 1 '

(П11 = 2-<И14 ■

1 1

Р» МШ

25 35 45 55 65 75 85 95

--рабочая часть цилиндра №30

-весь цилиндр М130

-о- рабочая часть цилиндра ОКП70 - весь цилиндр ОКП70

25 35 45 55 65 75 85 95

-4 хар. т. (№30) - - 2 хар. т. (М130)

-«- 4 хар. т. (01Я170) -»■- 2 хар. т. (ОКП70)

, МПа

Рис. 9. Зависимость максимальных эквивалентных напряжений (а) ирадиальных деформаций (б) от давления рабочей жидкости

Разработанные параметрические модели позволили дополнительно проводить оптимизацию, на основании подбора рациональных геометрических параметров, исходя из напряженно-деформированного состояния гидростойки. В качестве примера представлен результат оптимизации двух переменных варьирования Результаты оптимизации гидростойки Ml 30 представлены в табл. 1.

300 290 280 270 260

250

1 а / Л /

1 1 1 <» V«- / .

/ ^ 1 1

1 1 1 ? [ /

и - -

0,12

0,102

0,084

0,066

0,048

0,03

0,09 0,25 0,41 0,57 0,73 0,89 1р,м

Рис. 10. Зависимости максимальных эквивалентных напряжений в рабочей части цилиндра Сэкв.рч и положения 1 характерной точки Арц (см. рис. 1) отраздвижности

Таблица 1

Значения переменных до и после оптимизации модели Ml 30

допустимое до оптимизации после

значение оптимизации

<£рп)МПа 800 431 680

^МПа 800 724 570

0,3 0,1 0,13

сШз,мм -0,05 -0,0057 -0,082

Б,м от 0,011 до 0,033 0,0225 0,0162

Бд^м от 0,032 до 0,096 0,064 0,073

Масса цил., кг 171 132 (77%)

Следует учитывать, что полученные значения толщины стенки и дна необ-

ходимо увеличить на величину максимального износа и коррозии. Как видно из этой таблицы, с помощью параметрических конечно-элементных моделей можно достаточно точно подобрать основные геометрические параметры гидростоек.

Для исследования влияния динамических явлений на цилиндр была использована модель определения частот собственных колебаний. Из различных источников минимальная длительность действия повышенной нагрузке равна т = 0,008 си с учетом того, что приемлемое относительное действие импульса равно т* > 3, то максимальная частота колебаний динамической нагрузки равна 375 Гц. Иными словами, если частота собственных колебаний цилиндра будет меньше приведенной, то все расчеты необходимо проводить с учетом динамики, ввиду проявления эффекта резонанса конструкции. Следует отметить, что также необходимо определять частоту колебаний давления рабочей жидкости в процессе разгрузки гидростойки, т. к. она может быть близкой к частоте собственных колебаний цилиндра.

Результаты расчетов показали, что в диапазоне частот от 0 до 1000 Гц находится только две формы колебаний: поперечная (рис. 11, а) и осевая (рис. 11, б). При этом наибольшее влияние на частоту собственных колебаний цилиндра оказывают его длина и внутренний диаметр (рис. 12). А такими параметрами гидростойки, как давление рабочей жидкости, раздвижность и толщина стенки цилиндра можно пренебречь в силу их незначительного влияния.

Рис. 11. Формы колебаний цилиндра гидростойки Ml30 с изолиниями суммарных деформаций, м: а) поперечные колебания; б) осевые колебания

Рис. 12. Зависимость поперечных и осевых частот собственных колебаний цилиндра Ы\30 от его длины и внутреннего диаметра

Зависимости частоты собственных колебаний от силовых и геометрических параметров цилиндра гидростойки представлены в табл. 2. Все они имеют коэффициент детерминации 0,99

Таблица 2

Зависимости частоты собственных колебаний от силовых и геометрических параметров, Гц

Параметр Зависимость Стандартное отклонение

р, МПа Нп = -0,0059-р + 524,81 0,032

Д. = -0,0025-р + 823,18 0,005

Ц, = -31351-82 + 1908,3-8 + 497,74 0,467

Н„ = 102878^ - 147188 + 1103,3 0,879

Б„=1674,9ч11В+ 184,65 6,575

Н,, = -4494,7- + 1236,2(1, в + 755,92 0,330

1ц, м Нп =-184,03-1ц + 1190,81ц -2728-1ц +2381,1 3,450

Но = -116,44-1ц + 763,49-1д - 1869,6-1ц +2152,1 2,848

У гидростойки М130 при времени действия внешней динамической нагрузки 0,008 с возможно проявление резонанса с поперечными формами колебаний при длине цилиндра больше 1,432 м (Ш и IV типоразмеры). Для увеличения частоты собственных колебаний цилиндра можно увеличить его внутренний диаметр

Исследование герметичности проводилось при изменении угла установки гидростойки, т. к. влияние этого параметра не оценивается ни в одной существующей методике. По полученным напряженно -деформированным состояниям гидростойки (рис. 13) определялись значения зазора.

Для гидростойки крепи Ml 30 величина зазора аппроксимируется с высокой точностью зависимостью

А = 0,0026 • | а | + с®.4, где - радиальные деформации цилиндра в районе первого уплотнения со стороны поршневой полости (4 характерная точка), мм.

Из этой зависимости видно, что при изменении угла установки гидростощи от 0 до ±15° зазор увеличивается на 0,04 мм (около 11,6%).

Рис. 13 Напряженное состояние гидростойки при а = 7°

Анализ влияния на упругую устойчивость силовых и конструктивных параметров гидростойки типа М130 показал, что набольшее влияние оказывают: длина гидростойки (рис. 14), при увеличении которой в 3 раза (с 1,469 до 4,543 м) критическая сила уменьшается примерно в 8 раз (с 58,38 до 6,56 МН); внешний диаметр штока (рис. 15), при увеличении которого в 1,38 раза (с 0,13 до 0,18 м) критическая сила увеличивается в 2,9 раза (с 7,76 до 22,43 МН); толщина стенки

Рис. 15. Зависимость критической силы Рис. 16. Зависимость критической силы от наружного диаметра штока от толщины стенки цилиндра

цилиндра гидростойки (рис. 16), при увеличении которой в 3 раза (с 0,011 до 0,034 м) критическая сила увеличивается в 1,73 раза (с 14,8 до 25,7 МН). Меньшее влияние оказывают следующие параметры: внутренний диаметр цилиндра, при увеличении которого в 2 раза (с 0,2 до 0,4 м) критическая сила увеличивается на 22,5% (с 22,43 до 28,95 МН); толщина стенки штока, при увеличении которой в 3 раза (с 0,3 до 0,9 м) критическая сила увеличивается всего на 15% (с 19,15 до 22,54 МН), причем в диапазоне от 0,7 до 0,9 м вообще не наблюдается никакого изменения критической силы. Угол установки гидростойки оказывает незначительное влияние на критическую силу: при варьировании его от -15 до 15° максимальная разница критических сил составила 3,4% (22,43 МН при а = 0°). Угол перекоса смежных ступеней также незначительно влияет на значение критической силы, наибольшее изменение которой при расчетах составило 0,02%.

В работе также были проведены исследования влияния давления рабочей жидкости и угла установки гидростойки на устойчивость гидростоек с учетом геометрических параметров, конструктивных особенностей и упруго-пластических свойств материала. Параметры модели соответствовали первому типоразмеру гидростойки Ml30.

В качестве примера на рис. 17 представлен график "перемещение-нагрузка" с учетом и без учета давления рабочей жидкости. Из него видно, что значения критических сил различаются примерно в два раза. Это связано с тем, что в варианте с учетом давления устойчивость теряет цилиндр (рис. 18) под действием внутреннего давления, а не шток, как это наблюдается по варианту без учета давления и во всех других существующих методах.

12000 10000 8000 6000 4000 2000 0

Р, кИ

1 1 -<-без давления

-о-сд авлени ем

мм

О 2 4 6 8 10

Рис. 17. Зависимость прикладываемого усилия от вертикального смещения верхней опоры

при а — 1(Р

Мдаф 30:1

Рис. 18. Формы потериустойчивости гидростойки сучетом давления

при а - 10Р

Из полученных результатов можно сделать следующие выводы: расчеты на упругую устойчивость дают завышенные результаты (примерно в 4 раза); при расчетах необходимо учитывать давление рабочей жидкости, т. к. большая вероятность потери устойчивости из-за раздутия цилиндра.

В качестве примера с помощью разработанных моделей был проведен анализ трех конструкций гидростоек: с обычным цилиндром, с защитным цилиндром и с многослойны цилиндром. Полученные результаты исследуемых конструкций сведены в табл. 3.

В табл. 3 серым цветом отмечены наилучшие значения критериев, наибольшее количество которых у конструкции гидростойки с двухслойным цилиндром. Однако коэффициент По меньше допустимого. Для устранения этого явления необходимо либо уменьшить диаметральный натяг, либо изменить соотношение толщин стенок внешнего и внутреннего цилиндра. Уменьшение диаметрального натяга приведет к уменьшению сжимающих радиальных деформаций и увеличению коэффициента напряженности рабочей поверхности, а соответственно увеличится п,, и уменьшится коэффициент пг. Изменение соотношения толщин стенок цилиндра в пользу внутреннего цилиндра приведет к такому же эффекту.

Второй конструкцией с более высокими критериями работоспособности является гидростойка с защитным цилиндром. Основным ее недостатком является низкий коэффициент совершенства конструкций цилиндра из-за высокой металлоемкости.

У обычной гидростойки практически все критерии имеют наихудшие значения, кроме коэффициента запаса минимального зазора между поршнем и цилиндром

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение актуальной научной задачи по выявлению закономерностей комплексного влияния силовых и геометрических параметров гидростойки на деформации, напряжения, устойчивость, герметичность и частоту собственных колебаний цилиндра, которое вносит существенный вклад в совершенствование гидростоек механизированных крепей для угольной промышленности.

Основные научные и практические результаты выполненной работы заключаются в следующем:

• разработаные параметрические конечно-элементные модели позволяют производить расчет на прочность, устойчивость, герметичность и частоты собственных колебаний;

• радиальные деформации, полученные аналитическим путем для бесконечно длинного цилиндра, соответствуют радиальным деформациям в зоне 2 характерной точки и в два раза больше, чем в районе первого уплотнения поршня со стороны поршневой полости (4 характерная точка).

• наибольшее максимальное эквивалентное напряжение в рабочем цилиндре гидростойки Ml 30 всех типоразмеров возникает при раздвижности 0,18 м, при этом совмещаются характерные точки 1 и 5 (см. рис. 1).

• наибольшее влияние на частоту собственных колебаний оказывают его длина и внутренний диаметр, а наименьшее - толщина стенки цилиндра, давление рабочей жидкости и раздвижность. При времени действия внешней динамической нагрузки 0,008 с, возможно проявление резонанса с поперечными формами колебаний при длине цилиндра гидростойки Ml 30 больше 1,432 м (Ш и IV типоразмеры).

• герметичность гидростойки определяется углом ее установки в механизированной крепи, а также силовыми и геометрическими параметрами, при этом изменение угла установки гидростойки от 0 до ±15° увеличивает зазор между первым уплотнением поршня со стороны поршневой полости и внутренней поверхностью рабочего цилиндра на 0,04 мм (около 11,6%).

• использование нелинейных свойств материала при расчете на устойчивость позволяет учесть конструктивные особенности, упруго-пластическое поведение материала и давление рабочей жидкости. При этом численное значение критической силы в 4 раза меньше, чем при упругой устойчивости.

• увеличение угла установки гидростойки с 0 до 10° снижает значение критической силы с 6,4 до 5,3 МН (на 17%);

• использование двухслойного цилиндра позволяет улучшить параметры гидростойки: коэффициент запаса прочности рабочего цилиндра в 1,72 раза, коэффициент герметичности в 2,6 раза, коэффициент напряженности рабочей поверхности цилиндра в 2,17 раза и изменение раздвижности за счет упругого расширения стенок рабочего цилиндра в 1,24 раза.

Результаты диссертационных исследований опубликованы в следующих основных научных трудах:

1. Буялич Г. Д. Определение деформаций рабочего цилиндра шахтной гидростойки / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин // Веста. КузГТУ, 2000. - № 6. - С. 70-71.

2. Буялич Г.Д. Сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния рабочего цилиндра гидростойки / Г.Д. Буялич, В.В. Воеводин, О.А. Тарасова // Информационные недра Кузбасса: Тр. первой регион, науч.-практич. конф. - Кемерово : Изд-во "Полиграф", 2001. -4.1: Сб. докладов. - С. 179-181.

3. Буялич Г.Д. Параметрическая модель гидростойки / Г.Д. Буялич, В.В. Воеводин // Динамика и прочность горных машин : тез. докл. междунар. конф., 21-24 мая 2001 г. -Новосибирск: Ин-т горн, дела СО РАН. - С. 149-150.

4. Буялич Г. Д. Определение напряженно-деформированного состояния гидростоек / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс - 2001: матер. IV междунар. науч.-практич. конф. - Кемерово : ГУ Кузбас. гос. тех. ун-т, 2001. - С. 199-201.

5. Буялич Г.Д. Конечные элементы для исследования горных машин: Учеб. пособие / Г.Д. Буялич, В.В. Воеводин // Гос. учреждение Кузбас. гос. техн. ун-т. -Кемерово, 2002.-50 с.

6. Буялич Г. Д. Оценка герметичности гидростоек механизированных крепей /

Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Динамика и прочность горных машин : сб. докл., II междунар. конф., 28 - 29 мая. - Новосибирск : Ин-т горн, дела СО РАН, 2003. - Т.2. - С. 86-88.

7. Воеводин В.В. Предварительный выбор параметров шахтных гидростоек // Информационные недра Кузбасса : тр. науч.-практич. конф. / Кемерово : КемГУ, 2003.-С.68-69.

8. Буялич Г. Д. Расчет на прочность гидравлического домкрата с учетом перекоса штока / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Творчество молодых в науке и образовании : тез. интернет-конф.- М: МГУИЭ, 2003. - 4.1. - С.59-62.

9. Воеводин В. В. К вопросу о частоте собственных колебаний гидродомкратов // Информационные недра Кузбасса : тр. III регионал. науч.-практич. конф. - Кемерово : ИНТ, 2004. - С.248

10. Воеводин В. В. К вопросу определения упругой устойчивости силовых гидроцилиндров методом конечных элементов // Вести. КузГТУ, 2004. № 6.1.-С. 22-23.

11. 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 : матер. X междунар. науч.-практич. конф., 23 - 24 ноября 2004 г. - Кемерово : ГУ КузГТУ, 2004. - С.227-229.

12. 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., 23 - 24 ноября 2004 г. -Кемерово : ГУ КузГТУ, 2004. - С.219-220.

13. Буялич Г. Д. Влияние размерности модели на расчет параметров цилиндра гидростойки / Г. Д. Буялич, В.В. Воеводин, К. Г. Буялич // Вестн. КузГТУ, 2004. -№5. - С. 42-44.

14. Воеводин В. В. Нелинейный подход решения задач потери устойчивости гидростоек механизированных крепей // Информационные недра Кузбасса : тр. IV Всерос. науч.-практич. конф. - Кемерово : ИНТ, 2005. - С. 195-196.

Подписано к печати 24.03.2005. Формат 60х 84 1/16. Опечатано на ризографе. Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № Типография Кузбасского государственного технического университета, 650099, Кемерово, ул. Д. Бедного, 4а.

OS Of- OS 06

353

21 г ! ; ■

\ •

, * » »

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ГИДРОСТОЕК МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ^

1.1 Современное состояние и условия добычи угля в Кузбассе

1.2 Выбор и характеристика объекта исследований

1.3 Обзор методов расчета гидростоек механизированных крепей на раздвижность, прочность, устойчивость, податливость и процессов, протекающих в них при динамических нагружениях

1.4 Анализ методов расчета гидростоек механизированных крепей

2 ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЧИСЛЕННОГО МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. КРИТЕРИИ ДЛЯ ОЦЕНКИ КОНСТРУКЦИЙ ГИДРОСТОЕК

2.1 Обоснование численного метода для оценки параметров шахтных гидростоек

2.2 Теоретические основы формирования математических моделей методом конечных элементов

2.3 Сравнительный анализ различных типов конечных элементов с результатами теоретических исследований

2.4 Обоснование плотности конечно-элементной сетки моделей

2.5 Оценка размерности конечно-элементной модели

2.6 Разработка критериев для оценки конструкций гидростоек

2.7 Выводы

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОСТОЕК НА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ ЦИЛИНДРОВ

3.1 Разработка параметрической модели цилиндра гидростойки для проведения прочностного анализа

3.2 Исследование влияния рабочих параметров гидростоек на напряженно-деформированное состояние их цилиндров

3.3 Исследование влияния геометрических параметров гидростоек на напряженно-деформированное состояние их цилиндров

3.4 Обоснование рациональных геометрических параметров цилиндров гидростоек

3.5 Выводы

4 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОСТОЕК НА ЧАСТОТЫ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ ЦИЛИНДРОВ

4.1 Разработка модели для определения частот собственных колебаний цилиндров гидростоек

4.2 Исследование влияния рабочих параметров на частоты собственных колебаний

4.3 Исследование влияния геометрических параметров на частоты собственных колебаний

4.4 Выводы

5 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОСТОЕК НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ

5.1 Разработка модели для оценки герметичности гидростойки

5.2 Исследование влияния угла установки гидростойки на ее герметичность

5.3 Разработка стержневой модели и исследование влияния параметров гидростойки на ее упругую устойчивость

5.4 Разработка модели гидростойки для расчета на устойчивость с учетом нелинейных свойств материала, конструктивных особенностей, давления рабочей жидкости и угла установки в механизированной крепи

5.5 Выводы

6 ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ РАЗЛИЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ГИДРОСТОЕК

6.1. Определение параметров гидростойки механизированной крепи ОКП

6.2. Определение параметров гидростойки механизированной крепи ОКП70 с защитным цилиндром

6.3. Определение параметров гидростойки механизированной крепи ОКП70 с двухслойным цилиндром

6.4. Сравнительная оценка параметров конструкций гидростоек с обычным, с защитным и двухслойным цилиндрами

6.5. Выводы

Актуальность работы. Исследованиями КузНИУИ уставлено, что в структуре простоев комплексно-механизированного забоя из-за отказов гидрооборудования крепи 31% приходится на отказы гидростоек механизированных крепей и 23% на отказы других силовых гидродомкратов. Причины потери герметичности гидростоек М130, 20КП70, ПИОМА, М138 распределяются следующим образом: коррозия и износ зеркала цилиндра 58%, износ уплотнений 28% и раздутие рабочего цилиндра 14%.

Наиболее опасные режимы работы гидростойки возникают при динамических явлениях. Появление их в основном характеризуется наличием в кровле труднообрушаемых пород (около 40% угольных пластов Кузбасса). Воздействие динамических явлений на крепь носит выраженный ударный, динамический характер. Чаще всего деформируются непосредственно гидростойки, основания и перекрытия секций крепи. Поэтому большое внимание уделяется разработке различных технических решений предохранения цилиндров гидростоек от забросов давления рабочей жидкости.

Также гидростойка, как любая стержневая система, нагруженная осевой силой, может терять устойчивость и поэтому при проектировании это один из основных параметров, по которому проводится оценка работоспособности конструкции.

Известные методики расчета гидростоек являются аналитическими, не учитывают краевые эффекты, конструктивные особенности цилиндров, угол установки в механизированной крепи, который влияет как на герметичность, так и на устойчивость, и не позволяют определять частоты собственных колебаний и производить расчет на устойчивость с учетом нелинейных свойств материала, давления рабочей жидкости, конструктивных особенностей. При этом существует достаточно много технических решений, позволяющих улучшить параметры гидростоек, но их эффективность невозможно оценить известными аналитическими методами. Тема диссертационной работы посвящена устранению этих пробелов.

Цель работы - оценка параметров гидростоек механизированных крепей методом конечных элементов.

Идея работы - использование метода конечных элементов для оценки прочности, устойчивости и герметичности гидростоек с учетом конструктивных особенностей.

Задачи исследований. ^ 1. Обосновать параметры метода конечных элементов для расчета гидростоек и ввести критерии оценки параметров гидростоек;

2. Разработать конечно-элементные модели для расчета гидростоек на прочность, устойчивость, герметичность и частоты собственных колебаний;

3. Исследовать влияние силовых и геометрических параметров гидростоек на их герметичность и устойчивость, а также влияние силовых и геометрических параметров цилиндров гидростоек на их деформации, напряжения и частоты собственных колебаний.

Методы исследований: компьютерное моделирование режимов работы гидростоек с помощью метода конечных элементов; регрессионный анализ. Научные положения, выносимые на защиту:

• радиальные деформации и напряжения рабочего цилиндра в различных точках определяются рабочим давлением, раздвижностью, геометрическими параметрами цилиндра, а частота и формы собственных колебаний - геометрическими параметрами цилиндра;

• герметичность гидростойки оценивается зазором между поршнем и цилин-II дром в районе первого уплотнения со стороны поршневой полости, который определяется полями допусков размеров и взаимным расположением поршня относительно цилиндра, деформацией цилиндра под нагрузкой от воздействия давления рабочей жидкости и дополнительных сил, вызванных перекосами штока относительно цилиндра, и не зависит от знака угла перекоса смежных ступеней;

• критическая сила гидростойки при расчете на устойчивость определяется схемой нагружения, давлением рабочей жидкости и геометрическими параметрами ее элементов.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректным использованием хорошо проверенного при решении других задач метода конечных элементов с относительной погрешностью результатов расчета упрощенных моделей до 8%; коэффициентами детерминации регрессионных зависимостей не менее 0,9; сопоставимостью результатов исследований с результатами, полученными другими авторами.

Научная новизна заключается в том, что:

• определены зависимости влияния рабочего давления, раздвижности и геометрических параметров рабочего цилиндра на радиальные деформации в характерных точках и напряжения, а также на частоты и формы собственных колебаний;

• выявлено влияние угла установки гидростойки на ее герметичность;

• установлены значения критической силы от углов установки гидростойки, геометрических параметров цилиндра, пггока, поршня и с учетом конструктивных особенностей и давления рабочей жидкости при линейных и нелинейных свойствах материала;

Личный вклад автора заключается в

• обосновании параметров метода конечных элементов, адаптированного для расчета гидростоек механизированных крепей;

• разработке параметрических моделей гидростоек, позволяющих проводить расчеты на прочность, герметичность, устойчивость и определять частоты собственных колебаний;

• построении регрессионных зависимостей деформирования, упругой податливости, упругой устойчивости и собственных частот рабочего цилиндра;

• адаптации метода линейной оптимизации конструкций для выбора рациональных геометрических размеров элементов гидростоек;

• разработке технических решений, позволяющих улучшить параметры гидростоек.

Научное значение работы заключается в выявлении закономерностей влияния силовых и геометрических параметров гидростойки на деформации, Ф напряжения и частоту собственных колебаний рабочего цилиндра;

Практическая ценность заключается в разработке моделей для расчета параметров шахтных гидравлических стоек механизированных крепей на прочность, устойчивость, герметичность и частоты собственных колебаний.

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

• Юргинским машиностроительным заводом при разработке механизированных крепей МКЮ.2У-16/33, МКЮ.4У-22/40, МКЮ.4У-18/38 и др.;

• ЗАО "Научно-исследовательский испытательный центр КузНИУИ" и ООО "НЛП Испытатель" при экспертизе горно-шахтного оборудования;

• При разработке курсов лекций "Горные машины и комплексы", "Методы расчета горных машин" для студентов специальности 170100 (Горные машины и оборудование).

Апробация работы. Основные научные положения диссертации докладывались и получили одобрение на: IV междунар. науч.-практ. конф. "Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах" (г. Кемерово,

2000); регион, науч.-практ. конф. "Информационные недра Кузбасса" (г. Кемерово, 2001, 2003 - 2005); междунар. науч. конф. "Динамика и прочность горных машин" (г. Новосибирск, 2001, 2003); междунар. науч.-практ. конф. "Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности" (г. Кемерово, 2001); VI и X междунар. науч.-практ. конф. "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс" (г. Кемерово, 2001, 2004); регион. науч.-практич. конф. "Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении" (г. Юрга, 2002); интернет-конф. "Творчество молодых в науке и образовании" (г. Москва, 2003); ежегодных научных конференциях студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава Кузбасского государственного технического университета (г. Кемерово, 2000 - 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 печатная работа.

6.5 Выводы

1. Использование двухслойного цилиндра позволяет улучшить параметры гидростойки: коэффициент запаса прочности рабочего цилиндра в 1,72 раза, коэффициент герметичности в 2,6 раза, коэффициент напряженности рабочей поверхности цилиндра в 2,17 раза и изменение раздвижности за счет упругого расширения стенок рабочего цилиндра в 1,24 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано решение актуальной научной задачи по выявлению закономерностей комплексного влияния силовых и геометрических параметров гидростойки на деформации, напряжения, устойчивость, герметичность и частоту собственных колебаний цилиндра, которое вносит существенный вклад в совершенствование гидростоек механизированных крепей для угольной промышленности.

Основные научные и практические результаты выполненной работы заключаются в следующем:

• разработаные параметрические конечно-элементные модели позволяют производить расчет на прочность, устойчивость, герметичность и частоты собственных колебаний;

• радиальные деформации, полученные аналитическим путем для бесконечно длинного цилиндра, соответствуют радиальным деформациям в зоне 2 характерной точки и в два раза больше, чем в районе первого уплотнения поршня со стороны поршневой полости (4 характерная точка).

• наибольшее максимальное эквивалентное напряжение в рабочем цилиндре гидростойки М130 всех типоразмеров возникает при раздвижности 0,18 м, при этом совмещаются характерные точки 1 и 5 (см. рис. 1).

• наибольшее влияние на частоту собственных колебаний оказывают его длина и внутренний диаметр, а наименьшее - толщина стенки цилиндра, давление рабочей жидкости и раздвижность. При времени действия внешней динамической нагрузки 0,008 с, возможно проявление резонанса с поперечными формами колебаний при длине цилиндра гидростойки М130 больше 1,432 м (III и IV типоразмеры).

• герметичность гидростойки определяется углом ее установки в механизированной крепи, а также силовыми и геометрическими параметрами, при этом изменение угла установки гидростойки от 0 до ±15° увеличивает зазор между первым уплотнением поршня со стороны поршневой полости и внутренней поверхностью рабочего цилиндра на 0,04 мм (около 11,6%). использование нелинейных свойств материала при расчете на устойчивость позволяет учесть конструктивные особенности, упруго-пластическое поведение материала и давление рабочей жидкости. При этом численное значение критической силы в 4 раза меньше, чем при упругой устойчивости, увеличение угла установки гидростойки с 0 до 10° снижает значение критической силы с 6,4 до 5,3 МН (на 17%); использование двухслойного цилиндра позволяет улучшить параметры гидростойки: коэффициент запаса прочности рабочего цилиндра в 1,72 раза, коэффициент герметичности в 2,6 раза, коэффициент напряженности рабочей поверхности цилиндра в 2,17 раза и изменение раздвижности за счет упругого расширения стенок рабочего цилиндра в 1,24 раза.

1. Российский статистический ежегодник // Уголь, 2001. №3. С. 35.

2. Брагин В. Е. О развитии угольной отрасли Кузбасса // Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности : тр. Междунар. науч.-практ. конф. Кемерово : КузГТУ, 2001. - С. 19 - 22.

3. Белов В.П. Разработка пологих и наклонных пластов Кузнецкого бассейна / В.П. Белов, В.П. Мазикин, A.B. Ремезов; под ред. П.В. Егорова. Кемерово, 1995.-250 с.

4. Горбунов В.Ф. Проблемы развития комплексной механизации добычи угля в Кузбассе // Проблемы развития угольной промышленности Сибири. -Новосибирск, 1980. С. 51 - 57.

5. Сафохин М. С. Горные машины и оборудование : учеб. для вузов / М. С. Сафохин, Б. А. Александров, В. И. Нестеров. М.: Недра, 1995. - 463 с.

6. Клишин В. И. Адаптация механизированных крепей к условиям динамического нагружения. Новосибирск : Наука, 2002. - 200 с.

7. Широков А.П. Повышение устойчивости горных пород / А.П. Широков, В.Ф. Горбунов. Новосибирск : Наука. Сиб. отд-ние, 1983. - 167 с.

8. Журило А. А. Горное давление в очистных забоях с труднообрушающи-мися кровлями. -М.: Недра, 1980. 124 с.

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

10. Логвинов В. Н. Обоснование параметров и создание средств защиты гидростоек механизированных крепей от резких осадок кровли. Дис. . канд. техн. наук. - Кемерово : КузГТУ, 2000. - 216 с.

11. Клишин В. И. Разработка способов и средств адаптации механизированных крепей к динамическим условиям нагружения. -.Новосибирск : ИГД СО РАН, 1998.-316 с.

12. Буялич Г. Д. Экспериментально-теоретическая оценка и обоснование параметров механизированных крепей для сложных горно-геологических условий пологих угольных пластов. Дис. . док. техн. наук. Кемерово : КузГТУ, 2004. - 500 с.

13. Шеин Ю. Г. Разработка теоретических основ динамического взаимодействия механизированной крепи с породами кровли. М. : ИГД им. A.A. Скочинского, 2003. - 332 с.

14. Глушихин Ф. П. Трудноуправляемые кровли в очистных забоях. М. : Недра, 1974.-193 с.

15. Садыков А. М. Работа гидравлических опор крепи при резких осадках кровли / А. М. Садыков, А. А. Орлов // Уголь. 1977. - №1. - С. 41 - 44.

16. Садыков А. М. Влияние расходной характеристики предохранительного клапана на работу гидростоек / А. М. Садыков, Э. М. Ялышев, С. В. Поляков // Угольное машиностроение / ЦНИИЭИуголь, ЦБНТИ Минуглепрома УССР. -1978. -№11. С.11 - 13.

17. Кузьмич А. С. Состояние горных работ на угольных шахтах // Вопросы разработки угольных месторождений подземным способом : сб. науч. тр. / ИГД им. A.A. Скочинского. М., 1983. - Вып. 223. - С. 3 - 10.

18. Основные направления реконструкции угольной промышленности России. -М.: Росуголь, 1994. 110 с.

19. Журавлев Р.П. Исследование и совершенствование гидросистемы механизированных крепей. Дис. . канд. техн. наук. - Кемерово, 1982. - 228 с.

20. А. с. 846797 СССР, МКИЗ F15B3/00, E21D 23/16. Устройство для распора гидростоек секций крепи / Всесоюз. н.-и. и проект.-конструкт. угол, ин-т (Куз-НИУИ) ; Журавлев Р.П., Мосунов Ю.Я., Федоров Л.И. и др.. Опубл. в Б.И., 1981.-№26.

21. Никулин К.К. Исследование прочности и долговечности гидравлическихстоек механизированных крепей. Автореф. Дис. . канд. техн. наук. - Тула, 1982.- 19 с. •

22. Шубин В. Ф. Исследование условий формирования и возможностей ограничения критических давлений в цилиндрах гидроопор механизированных крепей. Автореф. Дис. канд. техн. наук. - М., 1980. - 16 с.

23. Шик В.М. К вопросу о причинах раздутия гидравлических стоек механизированных крепей // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых, 1976. -№ 1. С. 120 - 122.

24. А. с. 390281 СССР, МКИ E21d 15/51. Предохранительный клапан для шахтной гидравлической крепи / Ин-т горн, дела им. A.A. Скочинского; Брон-фен П.М., Плотников A.M., Фирстов В.Д. и др. Опубл. в Б.И., 1973. -№ 30.

25. Krumnacker J. Bemessungsgrundlsgner für hudraulischen Grubenstempel unter Belastung von Gebirasschlagen / J. Krumnacker, R. Kleefeld // Glückauf -Forschungshefte. 1985. - № 46, H. 5. - S. 237 - 244.

26. Mynar V. Einflub des Gebergsschlagner-ventils bei dynamischer Belastung mechanischen Strebausbauus / V. Mynar, K. Becher// Glückauf Forschungshefte. -1984. - № 45, H. 6. - S. 270 - 273.

27. А. c. 985310 СССР. МКИ3 E21D15/44. Гидравлическая стойка / С. А. Санин, Ю. Ф. Пономаренко, В. Д. Фирстов и др.. Опубл. в БИ, 1982. - № 48.

28. А. с. 735785 СССР, МКИ2 E21D 15/44. Гидравлическая стойка шахтной крепи / Кузбас. политехи, ин-т ; В. А. Дубов, Г. Д. Буялич, А. Н. Коршунов, Б. А. Александров. Опубл. в Б.И., 1980. - № 19.

29. А. с. 1049669 СССР. МКИ3 E21D15/44. Гидравлическая стойка шахтнойкрепи / Кузбас. политехи, ин-т; Коршунов А. Н., Александров Б. А., Буялич Г. Д, Антонов Ю. А., Ивашкевич А. В., Дубов В. А. Опубл. 23.10.83, Бюл. № 39.

30. Пат. 85411 ПНР. Gorniczy stojak hydrauliczny / Zaklady Konstrukcyjno-Mechanizacyjne Przemysly Weglowego, Gliwice (Polska); Zbigniew Reczka, Alfred Janion, Henryk Goclawski Opubl. 15.09.1976.

31. Пат. 1458670 ФРГ. Als Gebirgsschlagsicherung ausgebildetes Verlängerungsstück für Grubenstempel; Bochumer Eisenhütte Heintzmann & Co. -Ausgabetag. 11. Oktober 1973.

32. Доп. к патенту 712038 Австрия. Гидравлическая рудничная стойка : Опубл. в БИ 1980, №3.

33. А. с. 717360 СССР. E21D15/44. Шахтная гидравлическая стойка / А. Л. Младенцев, С. А. Санин, Н. И. Яковлев и др. Опубл. в БИ, 1980, № 7.

34. А. с. 962633 СССР. E21D15/44. Гидравлическая стойка шахтной крепи / И. И. Зурабишвили, Э. Д. Матарадзе, Л. И. Махарадзе и др. Опубл. в БИ, 1982, №36.

35. Пат. 109787 ПНР. Гидравлическая стойка для шахтной крепи. Опубл. 30.04.81.

36. А. с. 735786 СССР. E21D15/44. Гидравлическая стойка шахтной крепи / В. Н. Хорин, Э. О. Миндели, И. И. Зурабишвили и др. Опубл. в БИ, 1980, № 19.

37. А. с. 1315618 СССР. E21D15/44. Секция механизированной крепи / Б. А. Фролов, Г. С. Мурзин, Ю. В. Матвиец и др. Опубл. в БИ, 1987, № 21.

38. Пат. 2300894 Франция. Dispositif pour la protection des etancons assurant le serrage au toit d'un soutenement marchant de mines. / Bennes Marrel. Public B.O.P.I. - "Listes" n.37 du 10- 9- 1976.

39. Пат. 78238 ПНР. Hydrauliczny stojak kopalniany / Zaklady Konstrukcyjno

40. МесИашгасу^пе РггешуБЬ Weglowego, СН\у1се (РоЬка); РгапЫБгек ОкпоууБк^ 2у§тип1 МозсшбЫ. ОриЫ. 25.11.1975.

41. Баштрем Р. К. Горное оборудование на 41-й международной ярмарке в Познани // Глюкауф. 1972. - № 19. - С. 48 - 57.

42. А. с. 898086 СССР. Е2Ш15/44. Шахтная гидравлическая стойка / Б. А. Фролов, В. Н. Вылегжанин, В.И. Клишин и др.. Опубл. в БИ, 1982, № 2.

43. А. с. 819348 СССР. Е2Ш15/44. Гидравлическая стойка / В. Н. Вылегжанин, Б. А. Фролов, А. Н. Супруненко и др.. Опубл. в БИ, 1981, № 13.

44. А. с. 1408078 СССР. Е2Ш15/44. Способ защиты шахтных гидравлических стоек / В. С. Верин, Г. А. Михайлов, Б. А. Фролов и др.. Опубл. в БИ, 1988, №25.

45. Гудилин Н.С. Гидравлика и гидропривод : учеб. пособие. 2-е изд., стереотип. - М : МГГУ, 2001. - 520 с.

46. Хорин В. Н. Объемный гидропривод забойного оборудования. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1980. - 415 с.

47. Абрамов Е. И. Элементы гидропривода. Справочник / Е. И. Абрамов, К. А. Колесниченко, В. Т. Маслов. Киев : Техника, 1977. - 320 с.

48. OCT24.070.il "Крепи механизированные. Стойки и домкраты. Расчет на прочность. Методика"

49. ГОСТ Р 51669 — 2000. Стойки призабойные гидравлические. Методы испытаний. Крепи механизированные. Клапаны предохранительные. Общие технические требования.

50. Гидравлические стойки механизированной крепи. Типовая методика заводских приемо-сдаточных испытаний. Москва : ИГД им. А. А. Скочинского, 1982.-Юс.

51. Совершенствование гидропривода механизированных крепей / под общ. ред. А. В. Докукина. М.: Машиностроение, 1984. - 248 с.

52. Эксплуатация механизированных крепей и пути их совершенствования / под ред. С. Т. Кузнецова. М.: Недра, 1976. - 119 с.

53. Черданцев Н. В. Деформированное состояние гидроцилиндра при динамическом нагружении поршня / Н. В. Черданцев, С. В. Черданцев, М. К. Якунин // Механизация горных работ : сб. науч. тр. Кемерово : Кузбас. политехи, ин-т, 1992.-С. 30-39.

54. Клишин В. И. Создание устройств защиты гидравлических стоек механизированных крепей от динамических нагрузок / В. И. Клишин, Ю. М. Леконцев, Т. М. Тарасик // Горные машины и автоматика, 2003. №11 - С. 5 - 9.

55. Данилина Н. И. Численные методы / Н. И. Данилина, Н. С. Дубровская, О. П. Кваша, Г. Л. Смирнов. М.: Высшая школа, 1976. - 268 с.

56. Фурунжиев Р. И. Применение математических методов и ЭВМ : Программирование систем : учеб. пособие / Р. И. Фурунжиев, Н. Н. Гурский, Р. И. Фурунжиев. -Мн. : Высшая школа, 1991.-252 с.

57. Шнмкович Д. Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows. М. : ДМК Пресс, 2001. - 448 с.

58. Каплун А. Б. ANS YS в руках инженера : практическое руководство / А. Б. Каплун, Е. М. Морозов, М. А. Олферьева. М. : Едиториал УРСС, 2003. -272 с.

59. Буялич Г.Д. Конечные элементы для исследования горных машин / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин // Учеб. пособие : Гос. учреждение Кузбас. гос. техн. ун-т. Кемерово, 2002. - 50 с.

60. Бреббня К. Применение метода граничных элементов в технике : пер. сангл. / К. Бреббия, С. Уокер. М.: Мир, 1982. - 248 с.

61. Басов К. А. АШУ8 в примерах и задачах / под общ. ред. Д. Г. Красковско-го. М.: КомпьютерПресс, 2002. - 224 с.

62. Буялич Г. Д. Определение деформаций рабочего цилиндра шахтной гидростойки / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин // Вестн. КузГТУ, 2000. № 6. - С. 70 -71.

63. Буялич Г. Д. Влияние размерности модели на расчет параметров цилиндра гидростойки / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Вестн. КузГТУ, 2004.-№5.-С. 42-44.

64. Буялич Г. Д. Показатели сравнительной оценки гидравлических стоек // Строительство шахт и городских подземных сооружений : тр. Российско-китайского симпозиума, 24-27 апреля 2000 г. Кемерово : КузГТУ, 2000. - С. 145 - 146.

65. Буялич Г. Д. Критерии оценки параметров гидродомкрата // Творчество молодых в науке и образовании : тез. интернет-конф. М. : МГУИЭ, 2003. — 4.1.-С. 67-70.

66. Буялич Г. Д. Критерии оценки конструкций гидростоек механизированных крепей // Горные машины и автоматика, 2003. №11 - С. 21 - 23.

67. Буялич Г. Д. Параметрическая модель для расчета шахтных гидростоек / Г.Д. Буялич, В.В. Воеводин // Информационные недра Кузбасса : тр. первой регион. науч.-практич. конф. — Кемерово : Изд-во "Полиграф", 2001. Ч. 2 : Сборник сообщений. — С. 98 - 99.

68. Буялич Г. Д. К вопросу о выборе параметров шахтных гидростоек / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин // Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении : тр. регион, науч.-практич. конф. — Филиал ТПУ. Юрга : Изд. ТПУ, 2002.-С. 43-44.

69. Воеводин В. В. Предварительный выбор параметров шахтных гидростоек // Информационные недра Кузбасса : тр. науч.-практич. конф. — Кемерово : КемГУ, 2003. Труды конференции. - С. 68 - 69.

70. Буялич Г. Д. Оптимизация геометрических размеров цилиндров шахтных гидростоек / Г.Д. Буялич, В.В. Воеводин, К.Г. Буялич // Информационные недра Кузбасса : тр. IV Всерос. науч.-практич. конф. Кемерово: ИНТ, 2005. - С. 190.

71. Воеводин В. В. К вопросу о частоте собственных колебаний гидродомкратов // Информационные недра Кузбасса : тр. III регион, науч.-практич. конф. -Кемерово : ИНТ, 2004. С. 248

72. Буялич Г. Д. Расчет на прочность гидравлического домкрата с учетом перекоса штока / Г. Д. Буялич, В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Творчество молодых в науке и образовании : тез. интернет-конф.— М: МГУИЭ, 2003. — 4.1. С. 59-62.

73. Воеводин В. В. К вопросу определения контактного давления в уплотни-тельных узлах / В. В. Воеводин, К. Г. Буялич // Вестн. КузГТУ, 2004, №6.1. -С.58-59.

74. Пономаренко Ю. Ф. Исследование герметичности гидростоек механизированных крепей / Ю. Ф. Пономаренко, Ю. Г. Шеин, Н. И. Суслов // Науч. со-общ. / ИГД им. А. А. Скочинского. -М., 1974. Вып. 122. - С. 101 -104.

75. А. с. №564452. Способ определения герметичности гидроцилиндра / Ю. Г. Шеин, Ю. Ф. Пономаренко. Опубл. 05.07.1977, Бюл. №25.

76. Воеводин В. В. К вопросу определения упругой устойчивости силовых гидроцилиндров методом конечных элементов // Вестн. КузГТУ, 2004. — № 6.1. -С. 22-23.

77. Программа АШУБ (краткий курс). Снежинск, 1996. — 21 с.

78. Рубцов Б. Г. Возможности программы ANSYS / Б. Г. Рубцов, JI. П. Остапенко. — М. : Представительство CAD-FEM GmbH в СНГ, 1999. 69 с.

79. Воеводин В. В. Нелинейный подход решения задач потери устойчивости гидростоек механизированных крепей // Информационные недра Кузбасса : тр. IV Всерос. науч.-практич. конф. Кемерово : ИНТ, 2005. - С. 195 - 196.

80. ANSYS Release 5.5.1 Documentation

81. ANSYS Release 7.0 Documentation

82. ANSYS Release 8.0 Documentation

83. Буялич Г.Д. Параметрическая модель гидростойки / Г.Д. Буялич, В.В. Воеводин // Динамика и прочность горных машин : Тезисы докладов международной конф., 21-24 мая 2001 г. — Новосибирск : Изд-во Сибирское отделение РАН.-С. 149-150.

84. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах / под общей редакцией И. А. Биргера, Я. Г. Поновко. М. : Машиностроение, 1968. — Т. 2. — 464 с.

85. Понаморев С. Д. Расчеты на прочность в машиностроении. М. : Машгиз, 1958.-Т. 2.-249 с.

86. А. с. №677515 СССР, МКИ2 С21В 9/38. Способ изготовления составных прокатных валков / Краматорский науч.-исслед. и проектно-технолог. институт машиностроения; П. И. Полухин, М. В. Гедеон, В. П. Полухин, В. А. Николаев. Опубл. в Б.И., 1979. - №20