Расчет механического устройства защиты гидравлических стоек механизированной крепи от динамических нагрузок Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© Т.М. Тарасик, 2002

УАК 622.272

Т.М. Тарасик

РАСЧЕТ МЕХАНИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА ЗАШИТЫ ГИАРАВАИЧЕСКИХ СТОЕК МЕХАНИЗИРОВАННОЙ КРЕПИ ОТ АИНАМИЧЕС КИХ НАГРУЗОК

Современные механизированные крепи ведущих зарубежных фирм Германии, Польши, Великобритании, США, Китая и отечественные в настоящее время не значительно отличаются друг от друга по кинематическим и силовым параметрам для одинаковых горнотехнических и горно-геологических условий. Основным направлением их совершенствования является повышение адаптивности к внешним нагрузкам.

Известно, что особую опасность для работы крепи представляют динамические просадки кровли. Смещения в эти моменты проходят с большими скоростями, длительность действия которых исчисляется сотыми долями секунды, а их воздействия на механизированную крепь воспринимается

как удар, что приводит к аварийным ситуациям в очистных забоях, преждевременному выходу из строя дорогостоящих и ответственных узлов механизированных крепей (разрушению гидроцилиндров, деформациям металлоконструкций).

Создание эффективно работающих средств защиты гидростоек в условиях трудно-обрушаемых кровель позволит решить эту проблему.

Анализ существующих конструкций предохранительных устройств и результатов экспериментальных показывает, что в настоящее время ни один из

существующих типов клапанов не обеспечивает защиту гидростойки при динамическом нагружении. Открытие устройства по времени происходит с запаздыванием от начала динамического воздействия кровли, что приводит к сверхноминаль-ному повышению давления в поршневой полости гидростойки.

В ИГД СО РАН ведутся работы по созданию предохранительного устройства защиты механизированной крепи механического действия. Оно работает от импульса динамического нагружения и способно эффективно погасить его первоначальное действие, подготовив предохранительный клапан к открытию.

Устройство (рис. 1) устанавливается на опорной части гидростойки 1 со стороны действия динамического нагружения. Состоит из пуансона 3 и полого охватывающего элемента (в данном случае штока 2), соединенных между собой с натягом, с возможностью принудительного перемещения при продавливании и не имеет гидравлической связи с поршневой полостью стойки.

Для данного устройства разработана инженерная методика расчета. Приняты следующие ограничения: верхняя часть гидростойки через пуансон имеет жесткий контакт с верхняком и через него с кровлей; нижняя - с почвой через основание крепи; в гидростойке отсутствует предохранительный клапан. Гидроцилиндр с рабочей жидкостью рассматривается как упругое тело. Поскольку величина силы трения в устройстве значительно превышает трение в узлах сопряжения цилиндр-шток, последнее не учитывается.

Для обеспечения неподвижности соединения во время монотонного, статического опускания кровли средние контактные давления в соединении должны быть такими, чтобы силы трения были равны или превышать на 15 - 20 % сдвигающие силы, определяемые максимально допустимой несущей способностью гидростойки

При описании процесса движения штока в динамическом нагружении выделены два основных периода: совместное движение пуансона и кровли; их раздельное движение.

Первый период проходит по закону перемещения кровли до тех пор, пока нагрузка на стойку не будет превышать силы трения в соединении сопрягаемых с натягом деталей, и верно условие:

И 2

< К , (1)

И 2

^тр — ?упр

где к =—-------; уш - перемещение штока с

М

поршнем; РТр - сила трения в соединении пуансона и полого штока; Рупр - сила упругости гидростойки, определяемая величиной противодавления в поршневой полости гидростойки на площадь што-

ка; М - приведенная масса штока с поршнем и ^2

столба жидкости под ними. —> К и верно условие Уш < Уп, (2)

Раздельное движение происходит, если выполня- И

ется неравенство:

где Уп - скорость движения пуансона; Уш - скорость штока определяем из уравнения его движения

И 2

М —У’ш = р _ р

dt2 тР УПР '

В начальный момент динамического нагружения пуансон смещается совместно со штоком, пока нагрузка на стойку не превысит силы трения в устройстве. Как только это произойдет, в момент

* *

времени *1 /2 начнется их раздельное движение. Пуансон под действием кровли продавливается в шток. Раздельное движение длится, пока скорость у штока меньше, чем у пуансона, в противном случае начинается совместное движение. Подобная картина повторяется пока нагрузка на крепь превышает ее сопротивление.

Таким образом, решая дифференциальное уравнение с соблюдением неравенств (1, 2) для раздельного движения штока и пуансона получим выражение для определения перемещения штока:

К

Уш = —2 + С1 • 51п(В • *) + С2 • С0КВ • *) , (3)

В 2

У0

где С = У! • 81П(В • *0) + -0• С08(В • *0);

В У0

С2 = У1 • С08(В • *о) _~°• 81П(В • *о);

В

= К

у1 = уш0 2 ;

В 2

* * *

*0 = * >Уш0 = Уш ушО = Уш - начальные усёовия соответственно для времени, перемещения, скорости, которые являются конечными значениями предыдущего периода совместного движения.

Скорость движения штока с поршнем:

Уш = С • В • С0Б(В • *) _С2 • В • б1п(В • *) (4)

Ускорение штока с поршнем:

аш = _С • В2 • б1п(В • *) _ С2 • В2 • соб(В • *) (5)

Изменение давления в поршневой полости гидростойки в динамическом нагружении при перемещении поршня со штоком рассчитывается:

Р = Рт + АР = Рт + Уш ']ЕПР . (б)

Таким образом, предлагаемый метод расчета позволяет количественно оценить изменение давление в поршневой полости при динамическом нагружении гидростойки с устройством защиты механического действия.

В качестве иллюстраций предложенного алгоритма на рис.2 представлены графики скорости и перемещения для пуансона и штока, приращения давления в поршневой полости гидростойки с устройством защиты механического действия в динамическом режиме нагружения. Скоростные параметры нагружения стойки соответствуют шахтным условиям [1] и экспериментальным стендовым испытаниям (сброс груза 100т с высоты 7 мм) [2].

Были использованы следующие численные данные:

Бп = 0.03 м2; М = 85 кг; Рт = 30 МПа; 1 = 0.025м;

f = 0.13; ^ = 0.11м; d2 = 0.07 м; 5=220-10-6м. Для варианта задачи с шахтными условиями нагружения раздвижность стойки Ь = 1.5 м и 2.0 м; для стендовых - 0.56 м.

По результатам расчетов можно сделать вывод, что механическое устройство позволяет эффективно защитить гидростойку при динамическом нагружении, поскольку снижается всплеск давления в ее поршневой полости в первоначальный момент воздействия кровли, а применение этого устройства в дополнение к предохранительному клапану обеспечит защиту стойки при любых параметрах нагружения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Александров Б.А., Коршунов А.Н, Шундулиди А.И, Буялич Г.Д., Леконцев Ю.М. Антонов Ю.А. Расши-

рение технологических возможностей механизированных крепей. -

Кемерово: филиал издательства Томского ун-та при Кемеровском ун-те, 1991. -372 с.

2. Клишин В.И, Тарасик Т.М. Экспериментальные исследования

средств защиты гидростоек от динамических нагрузок // Горный информационно-аналитический бюллетень. □ 11. 2001. С. 226-230.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Тарасик Т.М. — кандидат технических наук, заведующая отделом, Институт горного дела СО РАН, г. Новосибирск.