CC BY
8
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2020;(1):133-140 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER
УДК 622.285 DOI: 10.25018/0236-1493-2020-1-0-133-140
ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЛЬНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ГИДРОСТОЕК ДВОЙНОЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ РАЗДВИЖНОСТИ
М.А. Бяков12, Г.Д. Буялич2, К.Г. Буялич2, С.В. Увакин2
1 АО «СУЭК-Кузбасс», Ленинск-Кузнецкий, Россия 2 Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева, Кемерово, Россия, e-mail: gdb@kuzstu.ru
Аннотация: Приведены результаты расчетов напряженно-деформированного состояния гидростойки двойной гидравлической раздвижности механизированной крепи Joy при максимальной вынимаемой мощности пласта и давлении рабочей жидкости 32 МПа с учетом коэффициента трения в опорах перекрытия и основания, допусков на изготовление рабочих цилиндров, поршней, грундбукс и штоков, а также с учетом перекосов штоков и цилиндров первой и второй ступеней, вызванных внецентренным характером приложения внешней нагрузки в опорах. Установлены величины перемещений сопрягаемых поверхностей, определяющих изменение уплотняемых зазоров, которые определяют работу манжет и герметичность гидростойки. При расчетах использовано оптимальное количество конечных элементов по толщине стенки рабочих цилиндров и обеспечена генерация регулярной сетки, которая в основном состоит из объемных шестигранников с восемью узлами. В результате расчетов гидростойки крепи Joy при перпендикулярном расположении гидростойки относительно опор в основании и перекрытии было получено, что смещения линий, находящихся на диаметрально противоположных сторонах одноименных поверхностей, имеют различную величину, достигающую 0,2 мм, что сопоставимо с допуском на изготовление и указывает на соответствующее смещение продольной оси гидростойки, вызванное перекосами штоков и цилиндров. Ключевые слова: гидравлическая стойка, механизированная крепь, метод конечных элементов, прочность, подземная добыча угля, очистной забой, герметичность, герметизируемый зазор, радиальные деформации рабочих цилиндров, двойная гидравлическая раздвижность, перекосы штоков и цилиндров.
Для цитирования: Бяков М. А., Буялич Г.Д., Буялич К. Г., Увакин С. В. Исследование радиальных деформаций гидростоек двойной гидравлической раздвижности // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2020. - № 1. - С. 133-140. DOI: 10.25018/0236-1493-2020-1-0-133-140.
Radial strains in two-stage hydraulic extension legs
Byakov M.A.12, Buyalich G.D.2, Buyalich K.G.2, Uvakin S.V.2
1 AO «SUEK-Kuzbass», Leninsk-Kuznetsky, Russia 2 T. Gorbachev Kuzbass State Technical University, Kemerovo, Russia, e-mail: gdb@kuzstu.ru
Abstract: The article presents the stress-strain analysis results for a two-stage extensible hydraulic leg of powered roof support Joy case at the maximum seam height and hydraulic fluid pressure of 32 MPa with regard to friction coefficient in the supports of the canopy and base, fabrication tolerances of cylinders, pistons, main bushes and rods, as well as to misalignments of rods and cylinders
© M.A. EflKOB, r.fl. Eya^MM, K.r. Eyfl^MM, C.B. yBaKMH. 2020.
of the first and second extension stages due to noncentral application of external load in the supports. The displacements of the joint surfaces, which govern the change in the sealed clearances that regulate operation of cups and proofness of the leg, are evaluated. The calculations involved the optimal number of finite element across the thickness of the wall of the cylinder; furthermore, generation of a regular mesh composed of 3D hexagons with 6 points was ensured. As a result, for the hydraulic leg of powered roof support Joy, given the leg is in vertical position relative to the canopy and base support, it is calculated that the displacements of the lines on the same but diametrally opposite surfaces have different values, up to 0.2 mm, which is comparable with the fabrication tolerance and points at the related displacement of the longitudinal axis of the leg due to misalignments of rods and cylinders.
Key words: hydraulic leg, powered roof support, finite element method, strength, underground coal mining, production face, proofness, sealed clearance, radial strain of cylinders, two-stage hydraulic extension, misalignments of rods and cylinders.
For citation: Byakov M. A., Buyalich G. D., Buyalich K. G., Uvakin S. V. Radial strains in two-stage hydraulic extension legs. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2020;(1):133-140. [In Russ]. DOI: 10.25018/02361493-2020-1-0-133-140.
В настоящее время при подземной добыче угля наблюдается устойчивое направление повышения производительности очистных забоев с одновременным уменьшением их количества [1, 2]. В силу этих обстоятельств к надежности работы машин механизированных комплексов предъявляются повышенные требования.
Одной из основных таких машин является механизированная крепь, непосредственно воспринимающая горное давление и обеспечивающая безопасную работу как обслуживающего персонала, так и остальных машин комплекса. При этом основными силовыми элементами механизированной крепи являются гидростойки, представляющие из себя в большинстве случаев силовые гидроцилиндры с двойной гидравлической раз-движностью [3—5].
Долговечность сопряжений гидростоек, а также величина в них напряжений напрямую зависят от величины зазоров в сопрягаемых поверхностях [6].
В связи с этим получение достоверных данных о требуемых параметрах гидростойки, при которых она сохраняла бы свою работоспособность при различных вариантах условий эксплуатации,
является важной задачей, решение которой позволит обосновать конструктивные параметры и технические решения по совершенствованию конструкций гидравлических стоек для механизированных крепей [7—13].
Для решения этого вопроса была использована конечно-элементная модель, разработанная на кафедре горных машин и комплексов Кузбасского государственного технического университета имени Т.Ф. Горбачева (КузГТУ) [14].
Как и в гидростойке одинарной раз-движности, величина радиальных деформаций будет определяться углом установки ее в секции крепи, раздвижностью первой и второй ступеней, полями допусков на изготовление рабочих цилиндров, поршней, штоков и грундбукс (втулок) обеих ступеней раздвижности.
Эффект увеличения уплотняемого зазора, возникающий от перекосов штоков и рабочих цилиндров у гидростоек двойной гидравлической раздвижности, усиливается вследствие удвоения количества шарниров и плеч действия дополнительных сил. На рис. 1 приведена расчетная схема такой гидростойки, из которой следует, что для каждой ступени раздвижности деформации рабочих ци-
линдров складываются от действия давления рабочей жидкости Ap1 и Др2 [15, 16] и от действия дополнительных сил Р . и Р„., Р _ и Рп_, возникающих в сочле-
а1 ы а2 Ь2
нениях «поршень — цилиндр» и «шток — грундбукса», которые вызваны углами перекосов штоков и цилиндров у1, у2 и, в связи с этим, внецентренным приложением внешней нагрузки Р. Величины углов перекосов и дополнительные силы в спряжениях определяются допусками на изготовление сопрягаемых деталей и соответствующими им зазорами Ду1 и
Ду2, а также раздвижностями первой и второй ступеней гидростойки.
Внешняя нагрузка Р на гидростойку возникает при воздействии на ее шток второй ступени и рабочий цилиндр первой ступени сферических опор перекрытия и основания механизированной крепи при сдвижении опускающихся пород кровли под действием горного давления.
Угол установки гидростойки а в секции крепи измеряется относительно перпендикуляра к плоскости пласта и за-
Рис. 1. Схема формирования уплотняемых зазоров при перекосах штоков и цилиндров первой и второй ступеней раздвижности: a — угол установки гидростойки в крепи; у1, у2 — углы перекоса штока и цилиндра первой и второй ступеней; p1, p2 — давление рабочей жидкости в рабочих цилиндрах первой и второй ступеней; P — внецентренная внешняя сила; Fa1 и FB1, Fa2 и FB2 — дополнительные силы, возникающие из-за перекоса первой и второй ступеней; Ду1, Af1 и Др1, Ду2, Af2 и Др2 —зазоры между поршнем и рабочим цилиндром, вызванные, соответственно, полями допуска на изготовление, дополнительными силами из-за перекоса и воздействия давления рабочей жидкости в первой и второй ступенях
Fig. 1. Scheme of the sealed gap formation at the misalignment of rods and cylinders of the first and second extension stages: a — angle of hydraulic prop installation in the support; y1, y2 — misalignment angles of the rod and cylinder of the 1st and 2nd stages; p1, p2 — hydraulic oil pressure in the working cylinders of the 1st and 2nd stages; P — eccentric external force; Fa1 and FB1, Fa2 and FB2 — additional forces appearing due to misalignment of the 1st and 2nd stages; Ду1, Af1 and Ap1, Ду2, Af2 and Ap2 — gaps between the piston and the working cylinder caused, respectively, by the tolerance ranges for manufacturing, by additional forces due to misalignment and the effect of hydraulic oil pressure in the 1st and 2nd stages
висит от конструктивных особенностей секции механизированной крепи и раз-движности гидростойки, которая определяется текущей вынимаемой мощностью пласта.
При построении твердотельной модели гидростойки все входящие в нее детали построены относительно общей оси симметрии, поэтому все поршни и рабочие цилиндры, штоки и грундбуксы (втулки) расположены друг относительно друга концентрично с равномерными зазорами между ними.
Для получения определенности конечно-элементного решения в процессе вычисления к модели прикладывается мягкая поперечная сила около 100 кг, которая не оказывает существенного влияния на окончательное решение (напряженно-деформированное состояние гидростойки).
Перед началом решения модель была подвергнута анализу на точность получаемого решения. В результате дополнительных исследований было получено, что количество прямоугольных конечных элементов по толщине рабочего ци-
линдра (а также и по толщине других цилиндрических деталей, таких, как втулки, гайки обеих ступеней раздвижности) должно быть не менее двух. При этом погрешность вычислений в интересующей нас области деформирования около манжетных уплотнений не превышает 0,5%.
Увеличение количества конечных элементов до трех не обеспечивает существенное повышение точности расчетов (прирост смещений цилиндрических поверхностей около 0,3%), однако существенно увеличивает количество элементов в целом и, соответственно, приводит к увеличению количества решаемых уравнений. Это может вызвать обратный эффект, заключающийся в накоплении ошибок округления в процессе конечно-элементного решения системы уравнений и, как следствие, привести к увеличению погрешности вычислений.
По этим же причинам, то есть с целью уменьшения общего количества элементов, были предприняты специальные меры для генерации регулярной сетки, смысл которой состоит в том, что
Рис. 2. Напряженно-деформированное состояние гидростойки крепи Joy при давлении рабочей жидкости 32 МПа и расположение линий рабочих поверхностей цилиндров, поршней и штоков для определения смещений
Fig. 2. Stress-strain state of Joy support hydraulic prop at hydraulic oil pressure of 32 MPa and location of lines of working surfaces of cylinders, pistons and rods to determine the displacements
s s
s
X
ш
3"
ш S
ш
о.
ф
I
01 X 01 S
т
Рис. 3. Изменение перемещений поверхностей гидростойки: D — наружная поверхность цилиндра первой ступени, верхняя часть; B — наружная поверхность цилиндра второй ступени, верхняя часть; F — внутренняя поверхность цилиндра второй ступени, верхняя часть; H — верхняя часть поверхности штока; A — внутренняя поверхность цилиндра первой ступени, нижняя часть; C — наружная поверхность цилиндра второй ступени, нижняя часть; E — внутренняя поверхность цилиндра второй ступени, нижняя часть; G — нижняя часть поверхности штока
Fig. 3. Change in movements of hydraulic prop surfaces: D — external surface of the 1st stage cylinder, upper part; B — external surface of the 2nd stage cylinder, upper part; F — internal surface of the 2nd stage cylinder, upper part; H — upper part of the rod surface; A — internal surface of the 1st stage cylinder, lower part; C — external surface of the 2nd stage cylinder, lower part; E — internal surface of the 2nd stage cylinder, lower part; G — lower part of the rod surface
вся модель в основном состоит из объемных шестигранников с расположенными в углах восемью узлами, которые дают наибольшую точность получаемых результатов вычислений при минимальном количестве конечных элементов.
На рис. 2 приведены результаты расчетов напряженно-деформированного состояния гидростойки крепи Joy при полной раздвижности обеих ступеней и давлении в поршневой полости первой ступени, соответствующему давлению начального распора от насосной станции (32 МПа). Там же, на нижнем рисунке, цветом выделены линии поверхностей, перемещения которых непосредственно оказывают влияние на образование дополнительных зазоров, в том числе и в области расположения манжетных уплотнений.
На рис. 3 приведены изменения перемещений точек линий верхних и нижних частей поршней, рабочих цилиндров
и штоков, помеченных на рис. 2 линиями с A по Н.
Для удобствам интерпретации результатов вычисления Численные значения изменений перемещений определены в цилиндрической системе координат относительно общей оси симметрии гидростойки.
Из рис. 3 следует, что линии на нижних частях поверхностей гидростойки (линии D, B, F, Н) имеют большие смещения по абсолютной величине, чем соответствующие им диаметрально расположенные линии на поверхностях верхних частей гидростойки (линии A, С, Е, G).
Поскольку диаметры цилиндрических деталей гидростойки под действием давления рабочей жидкости увеличиваются равномерно (на одну и ту же величину), то разница между абсолютными значениями величин изменений радиусов относительно продольной оси симметрии гидростойки (горизонтальной оси «Коор-
дината продольной оси гидростойки, мм» на рис. 3), соответственно, показывает величину смещения оси, получаемой при перекосе штоков и цилиндров первой и второй ступеней раздвижности.
Анализ данных изменений перемещений точек поршней и рабочих цилиндров в области расположения манжетных уплотнений показывает, что увеличение зазора со стороны стенки рабочего цилиндра, противоположной направлению деформирования продольной оси гидростойки, достигает 0,2 мм, что сопоставимо с минимальным допуском на изготовление поршня и рабочего цилиндра второй ступени.
Это обстоятельство существенно ухудшает работу манжетного уплотнения из полиуретана, которое чувствительно к почти двукратному увеличению зазора, что неизбежно ведет к неправильной работе защитных колец, выдавливанию материала манжеты в уплотняемый зазор, закусыванию частичек уплотнения
между поршнем и цилиндром и его разрушению.
Кроме того, как показали многочисленные исследования, увеличение зазора ведет к уменьшению коэффициента запирания и контактных давлений уплотнения на сопрягаемые поверхности, что уменьшает надежность перекрытия микроканалов на поверхности рабочего цилиндра и уменьшает герметичность гидростойки в целом.
Полученные выше результаты расчета радиальных деформаций гидростоек двойной гидравлической раздвижности позволяют определить изменение уплот-нительных зазоров в зависимости от конструктивных параметров гидростойки, угла ее установки в секции крепи, давления рабочей жидкости, которые сопоставимы с допусками на изготовление сопрягаемых деталей и которые могут существенно повлиять на работу манжетных уплотнений и состояние герметичности гидростойки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Таразанов И. Г. Итоги работы угольной промышленности России за январь-декабрь 2017 года // Уголь. - 2018. - № 3. - С. 58-73.
2. Стебнев А. В., Мухортиков С. Г., Задков Д. А. Анализ работы очистных механизированных комплексов в условиях шахт АО «СУЭК-КУЗБАСС» / Инновации и перспективы развития горного машиностроения и электромеханики IPDME-2017: сборник научных трудов международной научно-технической конференции. — 2017. — С. 84—89.
3. Novak P., Babjak J. Roof support control in longwall technology / 4th Coal Operators Conference, University of Wollongong, The Australasian Institute of Mining and Metallurgy & Mine Managers Association of Australia. 2014. pp. 34—41.
4. Ralston J. C., Reid D. C., Dunn M. T., Hainsworth D. W. Longwall automation: Delivering enabling technology to achieve safer and more productive underground mining // International Journal of Mining Science and Technology. 2015. Vol. 25. Iss. 6. pp. 865—876.
5. Umar C. Behavior of shield support in longwall mining. Department of Mining Engineering, National Institute of Technology, Rourkela. 2014. 56 p.
6. Набатникова Т.Ю. Обоснование вида посадок соединений деталей в заделках гидростоек // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2001. — № 12. — С. 178—181.
7. Singh G.S. P., Singh U.K. Assessment of dynamic loading and rapid yield valve requirement for powered roof supports in longwall workings // Transactions of the Institution of Mining and Metallurgy, Section A: Mining Technology. 2009. Vol. 118. No 1. pp. 47—52.
8. Szurgacz D., Brodny J. Dynamic tests of a leg in a powered roof support equipped with an innovative hydraulic system / E3S Web of Conferences. 2018. Vol. 41. No 03019. DOI: 10.1051/ e3sconf/20184103019.
9. Буевич В. В., Габов В. В., Задков Д.А., Кабанов О. В. Безимпульсное управление режимом работы гидростоек секций гидрофицированной крепи очистного механизированного комплекса // Горное оборудование и электромеханика. — 2015. — № 3 (112). — С. 26—30.
10. Стебнев А. В., Буевич В. В. Совершенствование рабочей характеристики гидропривода стоек секций механизированных крепей очистных комплексов // Записки Горного института. Электромеханика и машиностроение. — 2017. — Т. 227. — С. 576—581.
11. Буевич В. В., Габов В. В., Бабырь Н. В., Задков Д. А., Стебнев А. В. Адаптация секции механизированной крепи совершенствованием механической характеристики гидропривода ее гидростоек // Горное оборудование и электромеханика. — 2016. — № 3 (121). — С. 28—34.
12. Gabov V. V., Zadkov D. A., Stebnev A. V. Evaluation of structure and variables within performance rating of hydraulically powered roof support legs with smooth roof control // Eurasian Mining. 2016, no 2, pp. 37—40.
13. ZengX. T., Meng G. Y., Zhou J. H. Analysis on the pose and dynamic response of hydraulic support under dual impact loads // International Journal of Simulation Modelling. 2018, Vol. 17, No 1, pp. 69—80. DOI: 10.2507/IJSIMM17(1)412.
14. Буялич Г.Д., Бяков М.А., Буялич К. Г., Увакин С. В. Разработка модели для исследования шахтных гидравлических стоек двойной гидравлической раздвижности // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2018. — СВ 65. — С. 21—28. DOI: 10.25018/02361493-2018-12-65-21-28.
15. Buyalich G. D., Buyalich K. G., Voevodin V. V. Radial strains of double-layer cylinders in hydraulic props of powered supports // Urgent problems of modern mechanical engineering. 2016. Vol. 127, p. 12034. D0I:10.1088/1757-899X/127/1/012034.
16. Buyalich G. D., Buyalich K. G., Byakov M. A. Factors determining the size of sealing clearance in hydraulic legs of powered supports // E3S Web of Conferences. The Second International Innovative Mining Symposium, 2017. Vol. 21. DOI: 10.1051/e3sconf/20172103018. [¡223
REFERENCES
1. Tarazanov I. G. Coal industry performance in Russia in January-December 2017. Ugol'. 2018, no 3, pp. 58—73. [In Russ].
2. Stebnev A. V., Mukhortikov S. G., Zadkov D. A. Operation of longwall systems in mines of SUEK-Kuzbass. Innovatsii i perspektivy razvitiya gornogo mashinostroeniya i elektromekhaniki IPDME-2017: sbornik nauchnykh trudov mezhdunarodnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii [Innovations and prospects of development of mining engineering and electromechanics IP-DME-2017: proceedings of the international scientific and technical conference], 2017, pp. 84— 89. [In Russ].
3. Novak P., Babjak J. Roof support control in longwall technology. 4th Coal Operators Conference, University of Wollongong, The Australasian Institute of Mining and Metallurgy & Mine Managers Association of Australia. 2014. pp. 34—41.
4. Ralston J. C., Reid D. C., Dunn M. T., Hainsworth D. W. Longwall automation: Delivering enabling technology to achieve safer and more productive underground mining. International Journal of Mining Science and Technology. 2015. Vol. 25. Iss. 6. pp. 865—876.
5. Umar C. Behavior of shield support in longwall mining. Department of Mining Engineering, National Institute of Technology, Rourkela. 2014. 56 p.
6. Nabatnikova T. Yu. Justification of mating fits for parts in sealing-in of hydraulic legs. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2001, no 12, pp. 178—181. [In Russ].
7. Singh G. S. P., Singh U. K. Assessment of dynamic loading and rapid yield valve requirement for powered roof supports in longwall workings. Transactions of the Institution of Mining and Metallurgy, Section A: Mining Technology. 2009. Vol. 118. No 1. pp. 47—52.
8. Szurgacz D., Brodny J. Dynamic tests of a leg in a powered roof support equipped with an innovative hydraulic system. E3S Web of Conferences. 2018. Vol. 41. No 03019. DOI: 10.1051/ e3sconf/20184103019.
9. Buevich V. V., Gabov V. V., Zadkov D. A., Kabanov O. V. Pulse-free operating mode control for hydraulic legs of hydraulically powered roof support units within longwall system. Gornoe oboru-dovanie i elektromekhanika. 2015, no 3 (112), pp. 26—30. [In Russ].
10. Stebnev A. V., Buevich V. V. Improvement of performance data of hydraulic drive for powered roof support unit legs within longwall systems. Zapiski Gornogo instituta. Elektromekhanika i mashinostroenie. 2017. Vol. 227, pp. 576—581. [In Russ].
11. Buevich V. V., Gabov V. V., Babyr' N. V., Zadkov D. A., Stebnev A. V. Adaptation of powered roof support unit by improvement of mechanical data of its hydraulic leg drive. Gornoe oborudo-vanie i elektromekhanika. 2016, no 3 (121), pp. 28—34. [In Russ].
12. Gabov V. V., Zadkov D. A., Stebnev A. V. Evaluation of structure and variables within performance rating of hydraulically powered roof support legs with smooth roof control. Eurasian Mining. 2016, no 2, pp. 37—40.
13. Zeng X. T., Meng G. Y., Zhou J. H. Analysis on the pose and dynamic response of hydraulic support under dual impact loads. International Journal of Simulation Modelling. 2018, Vol. 17, No 1, pp. 69—80. DOI: 10.2507/IJSIMM17(1)412.
14. Buyalich G. D., Byakov M. A., Buyalich K. G., Uvakin S. V. Model to analyze hydraulic legs with two-stage extension in mines. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. Special edition 65, pp. 21—28. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236-1493-2018-12-65-21-28.
15. Buyalich G. D., Buyalich K. G., Voevodin V. V. Radial strains of double-layer cylinders in hydraulic props of powered supports. Urgent problems of modern mechanical engineering. 2016. Vol. 127, p. 12034. DOI:10.1088/1757-899X/127/1/012034.
16. Buyalich G. D., Buyalich K. G., Byakov M. A. Factors determining the size of sealing clearance in hydraulic legs of powered supports. E3S Web of Conferences. The Second International Innovative Mining Symposium, 2017. Vol. 21. DOI: 10.1051/e3sconf/20172103018.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Бяков Максим Анатольевич1 — главный геолог, АО «СУЭК-Кузбасс»,
Буялич Геннадий Даниилович1 — д-р техн. наук, доцент, зав. кафедрой,
Буялич Константин Геннадьевич1 — канд. техн. наук, доцент, Увакин Станислав Викторович1 — аспирант 1 Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева.
Для контактов: Буялич Г.Д., e-mail: gdb@kuzstu.ru.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
M.A. Byakov1, Chief Geologist, AO «SUEK-Kuzbass», Leninsk-Kuznetsky, 652507, Russia, G.D. Buyalich1, Dr. Sci. (Eng.), Assistant Professor, Head of Chair,
K.G. Buyalich1, Cand. Sci. (Eng.), Assistant Professor, S.V. Uvakin1, Graduate Student, 1 T. Gorbachev Kuzbass State Technical University, 650000, Kemerovo, Russia.
Corresponding author: G.D. Buyalich, e-mail: gdb@kuzstu.ru.
Получена редакцией 06.09.2019; получена после рецензии 14.10.2019; принята к печати 20.12.2019. Received by the editors 06.09.2019; received after the review 14.10.2019; accepted for printing 20.12.2019.
_Д
