Расчет гидростойки двойной раздвижности равнонапряженного состояния Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

------------------------------------- © А.М. Балабышко, К.С. Санин,

2005

УДК 622.284; 62-82; 532.5

А.М. Балабышко, К.С. Санин

РАСЧЕТ ГИДРОСТОЙКИ ДВОЙНОЙ РАЗДВИЖНОСТИ РАВНОНАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ

Семинар № 16

Гехнический прогресс в угольной промышленности определяется уровнем комплексной механизации и автоматизации производственных процессов добычи угля.

В связи с этим остро встает вопрос о надежности и долговечности гидропривода и, в первую очередь, гидравлических стоек двойной раздвижности для механизированных крепей.

Гидростойки с двойной гидравлической раздвижностью широко применяются для механизированных крепей, работающих в условиях тонких пологих и крутых пластов средней мощности, где наблюдается большое колебание мощности пласта в пределах выемочного участка.

Гидростойки с двойной гидравлической раздвижностью в настоящее время применяются в основном постоянного сопротивления с встроенным обратным клапаном.

При полном опускании первой ступени происходит автоматическое открывание обратного клапана, хвостовик которого упирается в днище цилиндра первой ступени, после этого происходит опускание выдвижной части второй ступени.

Несмотря на некоторое усложнение конструкции, такая схема гидростойки с двойной гидравлической раздвижностью получила в настоящее время наиболее широкое применение в серийных механизированных крепях.

Однако серийная конструкция гидростоек механизированных крепей (типа М 137, М138 и т.п.) двойной раздвижности имеет существенные недостатки:

• низкий начальный распор;

• наличие обратного клапана в плунжере первой ступени гидростойки;

• наличие клапана в плунжере первой ступени, что значительно умень-шает прочность гидростойки и дальнейшее повышение ее несущей спо-собности;

• высокое давление во второй ступени гидростойки, что особенно опасно при динамическом сдвижении боковых пород.

Принцип конструкции, заложенный в гидростойках одинарной раздвижности в 70-80 г. институтами ИГД им. А. А. Ско-чинского, Гипроуглемаш позволили заложить принципы создания гидростойки двойной раздвижности равного сопротивления.

В связи с этим была разработана гидростойка двойной раздвижности с равными площадями обеих ступеней, имеющая повышенный начальный распор (ГДПНР) по сравнению с гидростойками традиционной (серийной) конструкции.

На рис. 1 представлена конструкция гидростойки двойной раздвижности (ГДПНР), а на рис. 2 - ее гидравлическая схема.

В гидростойке ГДПНР (рис. 1) применены в уплотнительных неподвижных узлах кольца резиновые круглого сечения с защитными кольцами по ОСТ 12.44.019-77

В подвижных соединениях (поршень, грундбукса) используются манжеты двухстороннего действия ОСТ 12.44.325-88 с защитными кольцами по ОСТ 12.44.326-88

Таблица 1

Преимущества и недостатки гидростойки ГДПНР в сравнении с серийной гидростойкой М138

№ Наименование показателя Размер- ность Стойка Приме- чание

М1Э8 ГДПНР

1 Сопротивление стойки при давлении 40 МПа II-ст. тс 152 152

I-ст. 152 152

2 Рабочее давление в полостях I и II ступени. II-ст. МПа 76 40 +

I-ст. 40 40

3 Усилие начального распора при Р=320 атм II-ст. тс 64,3 121,6 +

I-ст. 121,6 121,6

4 Диаметр цилиндра мм 220 220

5 Диаметр плунжера мм 160 180

6 Диаметр дополнительного поршня мм — 150 +

7 Диаметр дополнительного штока мм --- 80

8 Количество хромированных поверхностей 2 2

9 Вариант исполнения 11-ступени поршнев. плунжер. +

10 Обратный клапан внутри стойки имеется отсутств. +

11 Канал глуб. сверл. и его неразб. с уп-лотн. загл. имеется отсутств. +

В качестве грязесъемников используется конструкция Z-образного грязесъем-ника ОСТ 12.44.327-88, разработанного институтом «Гипроуглемаш», или Итальянской фирмой «Гидропак».

Направляющие кольца применяются разработанные фирмой «Таланмаш» из полиформальдегида ПФЛ-16Т или Итальянской фирмой «Гидропак» типа E/6T или I/6T.

Работа гидростойки и заключаются в следующем. Гидравлическая стойка двойной раздвижности (рис. 2) включает цилиндр l с подвижно установленным в его плоскости поршнем 2 первой ступени с полым штоком 3, поршень 4 второй ступени в полости плунжера 6, имеющего буксу 7. Данные элементы образуют поршневую полость А первой ступени раздвижности, две поршневые полости Б и В второй ступени раздвиж-ности, штоковую полость Д второй ступени раздвиж-ности, штоковую полость Г первой ступени раздвижности и штоковую полость Д второй ступени раздвижности. Поршнем 2

и 4 связаны трубчатым стержнем 8, в котором выполнен продольный канал (полость Е). У его концевых элементов 9 и 10 имеются соответственно радиальные каналы 11 и 12 и упоры расположенные на его концах 13 и 14, например, в виде гаек винтовой пары. Поршни 2 и 4 имеют соответственно сквозной осевой канал 15 и осевой канал 16 и радиальные каналы 17 и 18. Поршень 2 снабжен дополнительным упором 20 штока 5. Концевые элементы 9 и 10 совместно с уплотнительными элементами (кольцами) 21 и 22, установленными между стержнем и каждым из поршней, образуют с поршнями 2 и 4 плунжерные пары с ходом в пределах гарантированного зазора е, обеспечивающего недоступность предварительной затяжки стержнем 8 пакета из поршня 2, штока 5 и поршня 4. Поршень 2 имеет дополнительный радиальный канал 23, сообщающий полость Б с расположенной между уплотнениями средней частью сквозного осевого канала 24, образованного

Рис. 2. Принципиальная схема гидростойки двойной раздвижности нового технического уровня.

Рис. 3.

стенкам стержня 8 и штока 5. Цилиндр 1 выполнен с расположенными в его верхней и нижней части каналами 25 и 26 подвода и отвода рабочей жидкости, соответственно сообщенными с поршневой полостью А и штоковой полостью Г. Гидрав-

лическое сообщение поршневых полостей

А, Б и В осуществлено посредством каналов 1З, 23, 24 и 1б, а штоковых полостей Г и Д посредством каналов 17, 11, полости Е, каналов 12 и 1в

Гидравлическая стойка двойной раз-движности работает следующим образом.

При подачи рабочей жидкости под напором через канал 2З жидкость поступает в поршневые полости А, Б и В. При этом жидкость из штоковых полостей Г и Д через канал 2б идет на слив. Происходит процесс раздвижности гидростойки. Поршни 2 и 4 сближаются до вступления в контакт между собой упоров 19 и 20. Между поршнем 2 и упором 13 (или между поршнем 4 и упором 14) образуется зазор е. Букса 7 движется по штоку З в сторону поршня 4. При подаче рабочей жидкости под напором через канал 2б жидкость поступает в штоковые полости Г и Д. При этом жидкость из поршневых полостей А, Б и В через канал 2З идет на слив. Происходит процесс посадки гидростойки. Поршни 2 и 4 расходятся до их контакта с упорами 13 и 14, а упоры 19 и 20 выходит из контакта и между ними образуется зазор е. Букса 7 движется по штоку З в сторону поршня 2.

При движении буксы 7 по штоку З благодаря возможности взаимного радиального смещения поверхностей упоров 19 и 20 происходит взаимное самоориентирование оси штока З относительно оси буксы 7 независимо от положения оси поршня 2 (рис. 3). Такое конструктивное решение двухопорного подвижного соединения исключает влияние несоосности подвижных элементов гидростойки при их взаимном перемещении, что

Рис. 4. Основная схема нагрузки гидростойки ГДПНР.

Рис. S. Схема нагрузки дополнительного поршня со штоком

приводит к уменьшению сил трения и вероятности заклинивания, а следовательно, к повышению срока службы гидравлической стойки двойной раздвижности в целом.

Для определения

стных параметров

ки двойной раздвижности вого технического уровня в сравнении с гидростойкой рийной конструкции был произведен расчет в соответствии с ОСТ 12.44.245-83 для чего была разработана программа алгоритма расчета на языке QBasic.

На основании конструкции гидростойки, представленной на рис. 1 и принципиальной схеме на рис. 2, исходя из выбранных диаметральных размеров определим соотношение площадей первой и второй ступени при:

D = 220 мм (внутренний диаметр цилиндра);

Dn = 180 мм (внешний диаметр плунжера);

Ddn = 150 мм (диаметр дополнительного поршня);

Ddm = 80 мм (внешний диаметр дополнительного штока);

площадь первой ступени:

S, =

п-D 3,14 • 2202

-= 380 мм

4 4

площадь второй ступени:

Таким образом, в данной конструкции стойки возможно конструктивно подобрать площади обеспечивающие равные сопротивления на обеих ступенях. Расчет конструкции гидростойки ГДПНР в сравнении с гидростойкой крепи М138 выполнен на основании ОСТ 12.44.245-83 по разработанной программе - алгоритму на языке QBasic.

За основу в расчете принята схема рис. 4. гидростойки двойной раздвижности с шарнирным опиранием обоих концов, с внутренним дополнительным поршнем со штоком во второй ступени, которые рассчитываются по схеме, как отдельный домкрат рис. 5.

S2 =

п- D2

3,14 • 1802

4

3,14 • 802

4

3,4 • 1502

= 380 мм

Таблица 2

Результаты расчета напряжений в элементах гидростойки ГДПНР и серийной гидростойкой М138

Наименование Напря- жения ГДПНР, (МПа) М138, (МПа)

1. Цилиндр Сталь 30ХГСА (НВ 241...285) 600 600

Наружная поверхность стенок ^эн 224 225

Внутренняя поверхность стенок, на растянутом волокне в 250.4 250

Внутренняя поверхность стенок, на сжатом волокне < 286 286.6

Максимальное результирующие напряжение 286 286.6

Запас прочности по пределу текучести 2.098 2.094

2. Шток 1-й ступени Сталь 30ХГСА (НВ 241.285) 600 600

Наружная поверхность стенок °эн 370 423

Внутренняя поверхность стенок, на растянутом волокне °э в 326.8 461

Внутренняя поверхность стенок, на сжатом волокне 418 535

Максимальное результирующие напряжение 418 535

Запас прочности по пределу текучести 1.435 1.12

3. Шток 2-й ступени Сталь 30ХГСА (НВ 241.285) 600 700

Наружная поверхность стенок ^эн 286.4 —

Внутренняя поверхность стенок, на растянутом волокне °э в 285.6 —

Внутренняя поверхность стенок, на сжатом волокне с'э. 342.5 —

Напряжение сжатия 131.3 228.9

Напряжение изгиба 203 298.7

Максимальное результирующие напряжение 473.8 527.6

Запас прочности по пределу текучести 1.266 1.33

4. Дополнительный шток Сталь 20Х2Н4А (НВ=269 . 321) 850 —

Напряжение сжатия 420.4 —

Напряжение изгиба 290.8 —

Максимальное результирующие напряжение 711.2 —

Запас прочности по пределу текучести 1.195 —

Сравнительный анализ результатов расчета гидростойки ГДПНР с серийной гидростойкой М138.

Результаты расчета гидростойки ГДПНР в сравнении с серийной гидростойкой крепи М138 показывает, что (см. табл. 2.)

Коэффициент запаса прочности по пределу текучести у цилиндров обеих гидростоек практически одинаков.

У штока 1 ступени гидростойки ГДПНР коэффициент запаса прочности значительно выше (п = 1,435), по сравнению с гидростойкой крепи М138 (п = 1,12)

не смотря на то, что внутренний диаметр штока 1 ступени гидростойки ГДПНР равен 180 мм по сравнению со стойкой крепи М138 (160 мм).

Коэффициент запаса прочности у штока 2 ступени у обеих гидростоек примерно одинаков (ГДПНР-1.266; М138-1.33).

Выводы

Расчет основных параметров гидростойки ГДПНР по сравнению с серийной гидростойкой крепи М138 показал, что:

• коэффициент запаса по пределу текучести в цилиндре и штоке 2 ступени обеих гидростоек примерно одинаков;

• коэффициент запаса по пределу текучести в штоке 1 ступени у гидростой-

ки ГДПНР составляет (п = 1,435), у гидростойки крепи М138 (п = 1,12);

• начальный распор гидростойки ГДПНР составляет 121,6, что по сравнению с гидростойкой крепи М138 (64,3), что примерно в 2 раза выше;

• у гидростойки ГДПНР по сравнению с гидростойкой крепи М138 отсутствует обратный клапан в штоке 1 ступени и канал глубокого сверления в стенке, а также давление в гидроцилиндре и штоке 1 ступени практически одинаково;

• равенство давлений в гидроцилиндре и штоке 1 ступени увеличивает надежность поршневого узла 2 ступени.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гидрофицированная крепь очистных выработок. В.Н. Хорин

2. Расчет и конструирование механизированных крепей. В.Н. Хорин

3. Объемный гидропривод забойного оборудования. В.Н. Хорин

4. Гидравлические системы механизированных крепей. В.Н. Хорин, С.В. Мамантов, В.Я. Каштанова.

5. Совершенствование гидропривода механизированных крепей. А .В. Докукин.

6. Основы гидравлических расчетов механизированных крепей. А .И. Тесленко.

7. Крепи механизированные. Стойки и домкраты. Расчет на прочность. Методика. ОСТ 12.44.245-83.

8. Методика расчета гидравлической стойки с устройством для повышения несущей способности. А.М. Балабышко.

9. Авторское свидетельство № 1555508. «Гидравлическая стойка двойной раздвижности» С.А. Санин, В.М. Колягин, Б.А. Караваев, Е.Г. Филянович.

10. Авторское свидетельство № 848659. «Гидравлическая стойка шахтной крепи» С.А. Санин, Ю.Ф. Пономаренко, М.С. Коробов, Г.Ф. Захарченко, Б.К. Мышляев, В.А. Бернацкий, А.Л. Младенцев.

— Коротко об авторах -------------------------------

Балабышко А.М. - профессор, доктор технических наук, Санин К. С. - бакалавр,

Московский государственный горный университет.

^--------

--------- © Л.П. Волкова, М. В. Разумов,

В.Н. Костин, 2005