CC BY
87
---------------------------------- © П.В. Бурков А.В. Воробьев,
А.В. Анучин, В.П. Бурков, 2011
УДК 622.831.249
П.В. Бурков А.В. Воробьев, А.В. Анучин, В.П. Бурков
АНАЛИЗ КОНЦЕНТРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЙ И УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ГИДРОСТОЕК
Исследованы проблемы напряжённо-деформированного состояния гидроцилиндров механизированных крепей производства ООО «Юр-гинский машзавод». Создана твёрдотельная модель, на которой проанализированы концентраторы напряжений.
Ключевые слова: горный удар, схема испытаний, долговечность конструкции.
~П настоящее время ТЭК РФ является важнейшей основой -Я-М экономической и социальной стабилизации государства. В соответствии с проектом «Основных положений энергетической стратегии России» предусматривается последовательное увеличение доли угля в топливно-энергетичес-ком балансе, что в свою очередь потребует увеличения объёмов его добычи до 380-450 млн т к 2020 году. Основным угледобывающим регионом является Кузбасс. Кемеровская область обеспечивает свыше половины всей добыче каменных углей России и 84 % всей добычи углей коксующихся марок. Добыча подземным способом составляет около 50 % от общего объёма добычи угля. Для наращивания объёмов добычи угля и роста производительности труда необходимо применение на шахтах современных высокотехнологичных механизированных комплексов очистного оборудования, которые были бы конкурентоспособными с лучшими зарубежными аналогами.
Анализ уровня очистной техники, применяемой на шахтах США и других основных угледобывающих стран [1-3], позволяет сформулировать основные направления работ по созданию новой очистной техники на ближайшее будущее, а именно:
1. Создание семейства современных механизированных крепей с шагом установки до 2,0 м, обеспечивающих скорость крепления до 15 м/мин, в любых условиях по устойчивости кровли и по тя-
жести проявления горного давления, со сроком службы не менее 10 лет без капитального ремонта.
2. Создание семейства современных выемочных комбайнов на базе приводов резания с электродвигателями мощностью до 500 кВт, скоростью подачи до 15 м/мин, с системами управления, включающими диагностику, ресурсом 10 тыс. т/кВт установленной мощности двигателей приводов резания.
3. Создание комплексов современного транспортного оборудования, включая забойные конвейера для лав длиной до 250-350 м, перегружатели, дробилки и перегрузочные средства типа «Матильда», с производительностью до 1800 и 2500 т/час, с приводами мощностью до 500 кВт.
4. Создание электрооборудования на напряжение 33ОО В.
5. Разработка технологии и создание монтажно-доставоч-ных средств для очистного оборудования.
Степень надежности и долговечности гидростоек зависит от способности противостоять вредному воздействию износа, коррозионно-активных сред, циклических контактных нагрузок. Для решения проблемы по увеличению срока службы предлагается рассмотреть существующие конструкции, ее слабые места т.д. Для решения проблемы по увеличению срока службы предлагается рассмотреть существующие конструкции, ее слабые места и т.д. Прогнозирование остаточного ресурса по критериям механики трещин достаточно хорошо изучено. Между тем, процессы и механизмы структурных изменений за счет накопления поврежденности в условиях старения и усталости металла исследованы недостаточно. Это обусловлено тем, что существующие металлофизические методы, наиболее подходящие для оценки структурных изменений в металле, не адаптированы применительно к сталям для горного машиностроения. Актуальность работы подчеркивается и тем, что эффективные имитационные модели процессов деформационного старения и усталости металла в достаточной мере не разработаны. Надежность горной машины зависит от своевременного выявления повреждений в структуре металла или возможности их прогнозирования. Эта задача решается путем отслеживания физических параметров, контролирующих повреждения, методами неразрушающего контроля (НК) без вырезки образцов. Однако, системные исследования в этой области пока недостаточны, в связи с чем, существующие методы НК не адаптированы к оперативному контролю
структурных изменений в металле. Микроструктура стали, исследованная методом оптической микроскопии (ГОСТ 5639-82), фер-ритно - перлитная, крупнозернистая, величина зерна соответствует баллу №5-6. В структуре выявлены неметаллические включения в форме конгломератов, загрязненность включениями соответствует баллу № 3-4. Послойное исследование металла показало, что структура во внутренних объемах равномерная, без существенных изменений. Дефектов структуры в виде трещин, расслоений, не-сплошностей не обнаружено. Существенных отличий в исходной структуре и после эксплуатации не выявлено. Механическим испытаниям на растяжение (ГОСТ 1497-84) подвергнуто 50 образцов. Показатели испытаний отвечают требованиям норматива для данной группы стали. При этом, служебные свойства металла зоны сварного шва снижены более существенно в сравнении с основным металлом, что, связано с термическим влиянием сварки с последующим естественным старением. Временное сопротивление разрыву составляет 635 МПа, а ударная вязкость 141 Дж/см2 при температуре +20 °С при твёрдости шва 167 НВ.
По увеличению анизотропии механических свойств в сравнении с исходным состоянием сделан вывод о влиянии напряжённо-деформированного состояния на процесс структурных изменений. Вместе с тем, результаты механических испытаний не позволяют прогнозировать изменение служебных свойств материала, оставляя открытым вопрос об определении остаточного ресурса.
Наступление предельного состояния определяется тремя группами разрушений и деформаций:
- 1 группа - это разрушения и деформации, возникающие под воздействием силовых факторов;
- 2 группа - деформации и различные виды дефектов, повреждений и брака, возникающих при низком качестве проектирования, изготовления (термообработки) и эксплуатации;
- 3 группа - деформации, возникающие вследствие появления недопустимых перемещений при взаимодействии элементов гидростоек между собой и коррозии.
Первая и третья группы разрушений и деформаций, несмотря на наличие уплотнений в гидростойках, способствуют
, а) б)
Рис. 1. Повреждения цилиндров гидростоек 2ОКП70К: а) - риски; б) - коррозия
а) б)
Рис. 2. Повреждения гильз гидроцилиндров гидростоек 2ОКП70К: а) - задир продольный; б) - задир поперечный
уменьшению жесткости ее элементов, появлению сдвигов в соединениях гидростоек, которые влекут за собой такие повреждения как задиры, риски, и как следствие коррозию цилиндров гидростоек механизированных крепей (рис. 1, 2) [4].
Вторая группа деформаций вызывает изгибы штоков, деформацию гильзы гидроцилиндра, развальцовку отверстий головок штоков гидростоек (рис. 3) и т.п.
Повреждения элементов гидростоек приводят к нарушению ее работоспособности, от которой в значительной степени зависит надежность управления кровлей. Перечисленные группы разрушений и деформаций способствуют снижению
ог
\Ucrn
Г
1 ' Рст : * Р ДИН
Рис. 3. Деформации гидроцилиндра
I ог
_11ст
несущей способности всей конструкции гидростойки и не позволяют полностью использовать рабочие сечения элементов [4].
Гидростойка представляет собой гидроцилиндр двойной гидравлической раздвижности. Она предназначена для регулировки высоты секции крепи согласно вынимаемой мощности пласта в пределах обслуживаемого диапазона, путем создания предварительного распора крепи в кровлю, так же для передачи нагрузки со стороны кровли на почву пласта и обеспечения податливости крепи при превышении нагрузки со стороны кровли выше заданной величины. Гидростойка имеет две поршневые и две штоковые полости. Поршневые полости гидростойки образованы: первая - цилиндром и штоком первой ступени; вторая - штоком первой ступени и штоком второй ступени. Первая и вторая поршневые полости разделены гидроклапаном обратным, с помощью которого обеспечивается одинаковая несущая способность гидростойки при работе обеих ступеней раздвижности.
Рис. 4. Цилиндр и шток первой ступени
Рис. 5. Наиболее нагруженные места. ^ - давление)
Рассмотрим конструкцию сварных соединения (рис. 4). Главное свойство определяющее долговечность гидростойки это качество сварного шва и правильная конструкция двух деталей в области сварки.
Как видно на рис. 4 самые опасные места в конструкции являются места соединения трубы и дна. Данная разделка и конструкция как показала работа на шахтах является не долговечной, что приводит к частому выхода из строя. Основная проблема - это разрушение сварного шва из-за неправильного распределения нагрузки на дно и стенку цилиндра в области сварного шва (рис. 5).
Для устранения этих проблем были предложены варианты по замену разделки под сварку, что дало свои плюсы, данная конструкция позволяет использовать гидростойки до 20 тыс цик-лов.(рис. 6).
Для увеличения количества циклов предлагается изменить конструкцию дна и изменить разделку сварного шва. Основное внимание при конструировании следует уделить на разгрузку сварного шва. Для решения данной задачи предлагается использовать новую конструкцию дна, что позволить разгрузить сварной шов на максимально возможную величину, путем переноса основного силы давления от сварного шва в тело дно (рис. 7). Как видно на рис. 4 нагрузка будет смещаться в сторону дня, а не в сварочный шов. Это позволяет утверждать, что данная конструкция будет испытывать меньше усталостного напряжения в сварном шве.
Для подтверждения работоспособности предлагаемой конструкции был проведен статический расчет на прочность с применением метода конечных элементов. Расчет проводился в системе COSMOS-Works. Поскольку геометрическая форма изделия и граничные условия являются осесимметричными, производился расчет сектора гидроцилиндра, а не всей конструкции. Это позволило повысить плот-
ность сетки конечных элементов и точность расчетов за счет снижения размерности задачи.
Рис. 8. Распределение эквивалентных напряжений по критерию Мизеса в области соединения дна и корпуса гидроцилиндра (базовая конструкция)
При создании сетки использовались параболические конечные элементы в форме тетраэдров. Размер конечных элементов при создании сетки выбирался в соответствии с рекомендациями [5, 6]. Как следует из [6], при количестве конечных элементов по толщине стенки гидроцилиндра от 5-6, погрешность определения радиальных деформаций составляет менее 0,5%. Таким образом, при создании сетки размер конечных элементов подбирался таким образом, чтобы по толщине стенки гидроцилиндра располагалось не менее 5 элементов. Также дополнительно производилось уплотнение сетки в области сварного шва, чтобы более точно учесть влияние концентратора напряжений. Чтобы повысить достоверность сравнительного исследования, параметры создаваемой сетки были аналогичны для всех рассчитываемых конструкций. По данному
расчёту можно определить наиболее «опасные» участки конструк-
Рис. 9. Распределение эквивалентных напряжений по критерию Мизеса в области сварного шва (базовая конструкция, увеличено)
Материал деталей - сталь 30ХГСА. Давление рабочей жидкости - 32 МПа. Материал сварного шва принимался равнопрочным материалу соединяемых деталей. Поскольку целью расчета являлось сравнительное исследование конструкций гидроцилиндров, а не определение абсолютных значений напряжений в материале сварного шва, такое упрощение можно считать допустимым.
Результаты расчетов для базовой конструкции гидроцилиндра приведены на рис. 8 9; для предлагаемой конструкции - на рис. 10,
11.
Проводилось сравнение эквивалентных напряжений по критерию Мизеса в области концентратора напряжений (часть сварного шва на стыке крышки и корпуса гидроцилиндра). Сравнивались
максимальные напряжения в сварном шве и средние напряжения по нижней грани сварного шва.
Рис. 10. Распределение эквивалентный напряжений по критерию Мизеса в области соединения дна и корпуса гидроцилиндра (предлагаемая конструкция)
По результатам расчета для базовой конструкции эквивалентные напряжения составили: средние напряжения на нижней грани сварного шва - 86,021 МПа; максимальные напряжения - 387,67 МПа; минимальные напряжения - 36,827 МПа. Напряжения в зоне концентратора - 158 МПа (1,8% от объема шва).
По результатам расчета для предлагаемой конструкции эквивалентные напряжения составили: средние напряжения на нижней грани сварного шва - 66,255 МПа; максимальные напряжения -135,39 МПа; минимальные напряжения - 50,078 МПа. Напряжения в зоне концентратора - 76 МПа (1,8% от объема шва).
Таким образом, за счет изменения конструкции гидростойки удалось добиться снижения контактных напряжений в области сварного шва, что позволит повысить статическую и усталостную прочность. Проведенный анализ позволяет утверждать, что для обеспечения надежной работы механизированных крепей возникает необходимость повышения долговечности
Рис. 11. Распределение эквивалентный напряжений по критерию Мизеса в области сварного шва (предлагаемая конструкция, увеличено)
элементов механизированных крепей и пересмотра существующей конструкции основной части механизированной крепи — гидроцилиндра. Практическая значимость работы заключается в получении оценок прочности конструкций гидростоек с учетом эксплуатационных условий и анализе опасности эксплуатационных дефектов.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мышляев Б.К. Перспективные направления создания новой техники. Б.К.Мышляев// Горный журнал.-2003.- № 3.- С. 60-66.
2. Мышляев Б.К. Производство современной очистной техники - основа развития подземной добычи угля в РФ. Б.К. Мышляев, С.В. Титов, И.В. Титов// Уголь.-2007. -№1.- С. 11-15.
3. Клишин В.И. Метод направленного гидроразрыва труднообрушающихся кровель для управления горным давлением в угольных шахтах. Клишин В.И., Никольский А.М., Опрук Г.Ю., Неверов А.А., Неверов С.А. // Уголь.-2008. -№11.- С. 12-16.
4. Жетесов С.С. Развитие теории расчета гидроцилиндров механизированных крепей [Текст]: научное издание. С.С. Жетесов, М.Р. Нургужин, Г.С. Жетесо-ва; КарГТУ. - Караганда: КарГТУ, 2003. - 161 с
5. SolidWorks 2007/2008. Компьютерное моделирование в инженерной практике. А.А. Алямовский, А.А. Собачкин, Е.В. Одинцов, А.И. Харитонович, Н.Б. Пономарев. - СПб.: БХВ-Петербург, 2008. - 1040 с.: ил.
6. Буялич Г.Д., Воеводин В.В., Буялич К.Г. Определение количества элементов модели по толщине стенки силового гидроцилиндра / Инновационные технологии и экономика в машиностроении: сборник трудов Международной научно-практической конференции с элементами научной школы для молодых ученых. ЮТИ ТПУ. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010. - С 516 - 518.
7. Бурков П.В. Анализ концентраторов напряжений, возникающих при испытаниях секции крепи МКЮ.2Ш-26/53 в COSMOS-Works. П.В.Бурков, К.В. Епифанцев //Горный информационно-аналитический бюллетень, 2010. - т. - № 3. - с.
8. Бурков П.В. Определение параметров напряжённо-деформи-рованного состояния перекрытия механизированной крепи МКЮ.2Ш-26/53 производства ООО «Юргинский машзавод» при её испытании на изгиб и на изгиб с кручением. П.В.Бурков, К.В. Епифанцев//Горный информационно-аналитический бюллетень, 2010. - т. - № 3. - С. 93-100. Ш
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -----------------------------------------------------------
Бурков П.В. - доктор технических наук, профессор, burkovpv@mail.ru
Воробьев А.В. - кандидат технических наук, доцент, vorob@tpu.ru Анучин А.В. - аспирант,
Бурков В.П. - студент,
Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета.
16-26.
