Обоснование и выбор параметров гидростойки повышенной несущей способности для механизированных крепей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.06, кандидат технических наук Мисько, Дмитрий Владимирович

• Мисько, Дмитрий Владимирович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мисько, Дмитрий Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕХАНИЗИРОВАННЫХ

КРЕПЕЙ.

1.1 Обзор и анализ существующих исследований особенностей эксплуатации механизированных крепей.

ГЛАВА II. ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНЫХ СИЛОВЫХ И

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОСТОЕК ПОВЫШЕННОЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ДЛЯ

МЕХАНИЗИРОВАННЫХ КРЕПЕЙ.

2.1 Теоретические основы исследования гидростоек повышенной несущей способности.

2.2. Определение циклических нагрузок на гидростойки повышенной несущей способности.

2.3 Определение статической прочности гидроцилиндров повышенной несущей способности.

2.4 Математическая модель напряженного состояния гидростойки

М200П, выполненная с применением метода конечных элементов.

ГЛАВА 1П. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ГИДРОСТОЕК

ПОВЫШЕННОЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ.

3.1. Результаты экспериментальных исследований гидростоек повышенной несущей способности.

3.2. Исследование закономерностей деформирования гидроцилиндров в условиях малоциклового нагружения.

3.3. Результаты шахтных исследований гидростоек повышенной несущей способности.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование и выбор параметров гидростойки повышенной несущей способности для механизированных крепей»

Основным направлением комплексной механизации очистных работ является применение механизированных комплексов с гидрофицированными крепями. Комплексы оборудования с механизированными крепями являются в настоящее время наиболее прогрессивными средствами механизации работ в очистных забоях.

Работоспособность крепей при взаимодействии с кровлей во многом зависит от надежной работы гидростоек, предназначенных для создания определенного усилия сопротивления опусканию кровли.

Несущую способность стойки можно повысить несколькими способами:

• увеличением диаметра стойки (ее поршня);

• увеличением давления рабочей жидкости в стойке;

• усовершенствованием конструкции стойки без изменения диаметра и давления рабочей жидкости.

В первом случае увеличивается вес стойки и, следовательно, металлоемкость крепи. Во втором случае увеличение давления в стойке двойной гидравлической раздвижки приведет к возрастанию напряжений в её узлах.

Обзор и анализ проведенных ранее исследований по эксплуатации механизированных крепей показал, что применение серийно выпускаемых мехкрепей в условиях с нормально управляемыми кровлями обеспечивает высокие производственные показатели, однако в очистных забоях с трудноуправляемой кровлей, склонной к зависанию и периодическому крупноблочному обрушению, имеют место случаи повреждения механизированных крепей, которые можно ликвидировать путем усовершенствования конструкции гидравлической стойки. Всё это указывает на необходимость проведения широкого круга исследований и обоснования параметров гидравлических стоек повышенной несущей способности, что является актуальной научной задачей.

Целью работы является установление зависимостей для обоснования и выбора параметров гидравлических стоек повышенной несущей способности для механизированных крепей.

Идея работы заключается в использовании дополнительных активных площадей плунжера гидравлических стоек с целью повышения несущей способности.

Научные положения, разработанные соискателем, и их новизна:

1. Математическая модель напряженного состояния гидростойки, построенная с использованием метода конечных элементов и позволяющая определить предел устойчивости стойки и прогибы в различных сечениях, а также выявить концентраторы местных напряжений.

2. Зависимость ресурса и величины деформации гидравлической стойки от давления, позволяющая установить значение рабочего давления, обеспечивающего максимальный ресурс и повышение несущей способности гидравлической стойки.

3. Зависимость появления местных концентраторов напряжения от конструкции, позволяющая на стадии проектирования определить слабые места конструкции.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются использованием представительного объема экспериментальных и стендовых испытаний гидростоек, аналитических расчетов и моделирования их параметров, достаточной сходимостью расчетных и экспериментальных показателей (расхождение не превышает 10%), использованием для расчетных исследований и моделирования программного обеспечения по МКЭ - Design Space v.5.0 для Windows NT, выпущенного в 2000г.

Научное значение работы состоит в разработке математической модели, позволяющей определить предел устойчивости и прогибы в различных сечениях стойки, а также местные концентраторы напряжения.

Практическое значение работы заключается в разработке методики выбора параметров гидростоек повышенной несущей способности.

Реализация выводов и рекомендаций работы.

Разработанная методика выбора параметров гидроцилиндров гидростоек повышенной несущей способности утверждена и принята к использованию в ОАО «Малаховский экспериментальный завод» и в ООО «Гидротехнология».

С учетом рекомендаций, разработанных в диссертации, в ОАО «Малаховский экспериментальный завод» были изготовлены опытные образцы гидростоек повышенного рабочего сопротивления и проведены стендовые испытания. Промышленные испытания крепи были осуществлены ОАО «Воркутауголь», и по результатам испытаний было принято решение оснащать секции крепи стойками данного типа.

Заключение диссертации по теме «Горные машины», Мисько, Дмитрий Владимирович

Основные выводы, научные и практические результаты работы:

1. Применение серийно выпускаемых мехкрепей в условиях с нормально управляемыми кровлями обеспечивает высокие производственные показатели. В очистных забоях с трудноуправляемой кровлей, склонной к зависанию и периодическому крупноблочному обрушению, имеют место случаи повреждения механизированных крепей, одной из основных причин которых является поломка гидростоек вследствие повышенного горного давления.

2. Использование дополнительных активных площадей плунжера гидравлических стоек с целью повышения несущей способности обеспечивает надежное функционирование на всех режимах, а также наличие преимуществ перед гидростойками, применяющимися в настоящее время в механизированных крепях.

3. Математическая модель, построенная на основе метода конечных элементов, показала, что критическая нагрузка стойки по устойчивости равна 1645800 Н. Максимальная нагрузка на стойку по условию срабатывания предохранительного клапана составляет 201062 Н, а коэффициент запаса по устойчивости равен 8,185, что значительно превышает допустимый запас, равный 1,45.

4. Установлено, что циклическая прочность гидростойки при рабочем давлении 40 МПа имеет запас прочности превышающий 200%, а допускаемый ресурс эксплуатации для заданного уровня давления превышает 5000 циклов. При пиковых нагрузках, достигающих 100 МПа, запаса прочности практически нет, так как критический уровень давления составляет 93,6 МПа, а допускаемый ресурс безаварийной эксплуатации -приблизительно 10 циклов.

Установлено, что при увеличении давления в гидроцилиндре до 80 МПа отмечено накопление остаточных деформаций достигающих 0.2 мм, а при наличии перекоса в сочленении поршеиь-цилиндр деформации составили 0.35 мм.

5. Построены зависимости ресурса и величины деформации гидравлической стойки от давления, появление местных концентраторов напряжения и изменение несущей способности от конструкции. В результате чего определены оптимальные значения давления и диаметра, а также рекомендовано применение в гидростойках различных типоразмеров устройства повышенного рабочего сопротивления.

6. В результате проведенных исследований разработана методика, позволяющая определить параметры гидравлических стоек повышенной несущей способности. Методика принята к использованию в ОАО

Малаховский экспериментальный завод» и в ООО «Гидротехнология», рекомендуется к использованию при проектировании гидравлических стоек.

С учетом рекомендаций, разработанных в диссертации, в ОАО «Малаховский экспериментальный завод» были изготовлены опытные образцы гидростоек повышенного рабочего сопротивления и проведены стендовые испытания. Промышленные испытания гидравлических стойки плунжерного типа повышенной несущей способности проведены в шахте «Комсомольская» «Воркутауголь», в ходе которых подтверждена работоспособность гидростойки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано новое решение актуальной научной задачи, заключающееся в обосновании и выборе параметров гидравлических стоек повышенной несущей способности для механизированных крепей, в разработке математической модели напряженного состояния гидростойки, построенной с использованием метода конечных элементов, и позволяющей определить предел устойчивости стойки, прогибы в различных сечениях, а также выявить концентраторы местных напряжений.

Использование результатов работы позволяет на стадии проектирования гидравлических стоек определить рациональные параметры гидравлической стойки для заданных условий эксплуатации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мисько, Дмитрий Владимирович, 2004 год

1. Аносов А.С., Кривцов И.И. Экономическая эффективность повышения надежности крепи в выработках // Уголь Украины, 1981, N 12. - С. 2324.

2. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1976.- 607 с.

3. Бобров Г.Н.и др. Характер взаимодействия крепей и параметры обрушения кровли при резких осадках // сб. «Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами. Вопросы горного давления».- Новосибирск: ИГД ИСО АН СССР, 1935.- Вып. 43.

4. Бреннер В.А. и др. Вероятностные методы в задачах выбора параметров механизированных крепей // Физико-технические проблемы разработки подземных ископаемых, 1975.- № 4.

5. Бурчаков А.С., Зиглин JI.H. Осадки основной кровли и установление сопротивления механизированной крепи // Уголь, 1970.- № 7.

6. Бурчаков А. С., Зиглин JI. А., Комиссаров С.Н. О режиме работы стоек механизированной крепи // Уголь, 1970.- № 7.

7. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969,- 376 с.

8. Галаев А.Н., Садыков Н.М., Ялышев Э.И. Исследование параметров динамического нагружениямеханизированных крепей в очистных выработках угольных шахт // Сб. Теория и практика управления горным давлением на угольных шахтах.- JI.: ВНИМИ, 1983.

9. Гетопанов В.Н., Рачек В.М. Проектирование и надежность средств комплексной механизации. М.: Недра, 1986 - 208 с.

10. Грицаюк Б.И. Методы выбора оптимальной надежности очистных комплексов//Горные машины и автоматика. 1967, N 1.-е. 10-12.

11. Грицко Г.И., Фролов Б.А., Принципы аналитического построения и расчета схем адаптирующихся гидравлических крепей для пластов с труднообрушаемыми кровлями // Вопросы горного давления.

12. Докукин А.В. и др. Механизированные крепи и их развитие.- М.: "Нефа", 1984.

13. Журило А. А. Горное давление в очистных забоях с труднообрушающимися кровлями. М.: Недра, 1980.- 124 с.

14. Исследование взаимодействия механизированных крепей с кровлями очистных выработок.- JL: ВНИМИ, 1969.- № 73.

15. Каретников В.Н., Клейменова Э.А. Методические рекомендации по расчету механизированных крепей на прочность и устойчивость с помощью ЭВМ // Исследование и совершенствование очистных комплексов и агрегатов. Тула: ТулПИ, 1973. с. 37-42.

16. Ковалевский В.Ф., Железняков Н.Т., Бейлин Ю.Е. Справочник по гидроприводам горных машин. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Недра, 1973. - 504 с.

17. Корин В.Н. Расчет и конструирование механизированных крепей. -М.: Недра, 1988. 255 с.

18. Коровкин Ю.А. Исследование и обоснование основных параметров механизированных крепей для пологих пластов с трудноуправляемой кровлей: Автореферат дисс. На соискание ученой степени канд. Техн. Наук.-М.: ИГД им. А.А. Скочинского, 1969.

19. Косырихин B.C. Математическое моделирование динамического нагружения гидростоек в системе «крепь-вмещающие породы» // Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов. ■ Тула: ТулГШ, 1988. С. 20 - 37.

20. Краткий И.С., Степанов В.М. Разработка пологих угольных пластов в неустойчивых породах. М.: Недра, 1986.-207 с.

21. Кузнецов С.Г. и др. Проявление горного давления в очистных выработках при применении механизированных крепей.-М.: Недра, 1966.

22. Леконцев Ю.М. Исследование режимов работы механизированных крепей в условиях трудноуправляемых кровель. Автореф. канд. техн. наук. Кемерово: КувНИУИ, 1977. -23 с.

23. Методика расчета механизированных крепей для экстремальных условий / Степанов В.М., Никонов В.И. // Подземная разработка пластов тонкой и средней мощности.- Тула: 1982.- С. 32-44.

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

25. Микляев Е.И. и др. Исследование взаимодействия крепи повышенного сопротивления с трудноуправляемой кровлей // Уголь, 1974.- № 3.

26. Орлов А.А. и др. Взаимодействие механизированных крепей с кровлей.- М.: "Недра", 1976.

27. Попов B.JI. Горное давление и рудничная крепь.- М.: Росгортехиздат, 1962.- 299 с.

28. Пронников А.С. Надежность машин. М.: Машиностроение, 1978. -591 с.

29. Сады ков Н.М. Классификация кровли очистных выработок по интенсивности опусканий для расчета гидросистем стоек // Сб.

30. Взаимодействие механизированных крепей с боковыми породами. Вопросы горного давления.- Новосибирск (ИГД СО АН СССР), 1985.-Вып. 43.

31. Садыков Н.М., Орлов А.А. Работа гидравлических опор крепи при резких осадках кровли // Уголь, 1977.- № 1.

32. Садыков Н.М., Орлов А.А., Ялышев Э.И. О направлениях совершенствования механизированных крепей для лав с редкими осадками кровли// сб. Торное давление и горные удары".-Л.: ВНИМИ, 1976,- Вып. 99.

33. Садыков Н.М., Япышев Э.И., Поляков С.В. Методика и результаты испытаний стоек механизированных крепей на ударные нагрузки // Сб. Горное давление и горные удары.- Л.: ВНИМИ, 1976.- Вып. 99.

34. Садыков Н.М., Ялышев Э.И., Поляков С.В. Динамические нагружения крепи в очистных выработках // сб.41. «Управление горным давлением и борьба с горными ударами».- Л.: ВНИМИ, 1980.

35. Садыков Н.М., Ялышев Э.И., Поляков С.В. Работа гидростоек в условиях резких осадок кровли // Сб. Геомеханическое обоснование параметров механизированных крепей. Вопросы горного давления.-Новосибирск (ИГД СО АН СССР), 1979,- Вып. 37.

36. Санин С.А. Гидростойка повышенного рабочего сопротивления // Совершенствование технологии и средств комплексной механизации при подземной добыче угля. М.: ИГД, 1977. - С. 112-114.

37. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия/Госстрой СССР. -М.: ЦиТП Госстроя СССР, 1986.- 36 с.

38. Совершенствование гидравлической крепи для лав на пластах опасных в отношении горных ударов / Угольная промышленность, экспресс информация.- 1973.- №21.

39. Солод В.И., Гетопанов В.Н., Шильберг И.Л. Надежность горных машин и комплексов. М.: МГИ, 1972.- 56 с.

40. Солод В.И., Гетопанов В.Н., Рачек В.М. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов,- М.: Недра, 1982.- 351 с.

41. Справочник по технической механике.- М.: Недра, 1970.- 873 с.

42. Стендовые испытания гидродинамической стойки механизированной крепи на ударные динамические нагрузки / В.С.Косырихин, В.М.Степанов, С.А.Санин, Л.И.Кузнецов//Механизация горных работ. Тула: ТулПИ, 1988. - С. 45-48.

43. Степанов В.М. Влияние проявлений горного давления на надежность механизированных крепей // Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов. Тула, 1985.- с. 107-114.

44. Степанов В.М. Обоснование технологических и конструктивных параметров гидрофицированных крепей на основе обеспечения надежности их работы: Дис. докт. техн. наук: 05.05.06 / ТГТУ.- Тула, 1993.- 302 с.

45. Степанов В.М., Косырихин B.C. Планирование эксперимента прииспытании механизированных крепей и их элементов на статические и динамические нагрузки // Сб. ст. Механизация горных работ на угольных шахтах.- Тула: ТулПИ, 1986.- С. 36-40.

46. Степанов В.М., Никонов В.И., Чендев Ф.С. Математическое моделирование проявлений горного давления на сопряжениях лавы со штреками // Подземная разработка тонких и средней мощности угольных пластов: Сб. ст. / Тула: ТулПИ, 1986. С. 42-51.

47. Усовершенствование гидравлической крепи для лав на пластах, опасных в отношении горных ударов // Угольная промышленность. Экспресс-информация, 1973.- № 21.

48. Фролов Б.А., Ютишин В.И., Верин B.C. Методы повышения адаптации механизированных крепей. Новосибирск: Наука, 1983.- 231 с.

49. Харитонов Н.И., Сальников В.Г. О расчете механизированных крепей по методу частных коэффициентов // Геомеханические процессы СО АН СССР, 1982.- с. 29-33.

50. Хорин В.Н., Мамонтов С.В., Гейхман И.Л. Вопросы расчета и надежности шахтных гидравлических крепей. М.: Недра, 1970.- 166 с.

51. А.С. 123648 СССР, Е 21 0 15/44. Гидравлическая стойка / Ф.С.Чендев,

52. В.И.Никонов, В.JI.Попов, В.А.Потапенко, С.И.Соколов, В.М.Степанов/ (СССР). N 3821696/22-03; Заявл. 06.12.84. Опубл. 30.05.86.; Бюл. N 2. - 3 е.; ил. 2.

53. А.С. 1800052 СССР, Е21 23/16. Гидросистема механизированной крепи / С.И.Швыряев, А.А.Подколзин, К.П. Дубовский, Ф.СЛендев и В.В. Сухов (СССР). N 4909774; Заявл. 11.02.91; Опубл. 07. 03. 93. Бюл. N У 3 С.; ил. 1.61. Швыряев С.И. дис62. Санин С.А. -дис