XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение

В настоящее время основной объем подземного способа добычи угля обеспечивается комбайновыми и струговыми комплексами оборудования с механизированными крепями.

Механизированная крепь выполняет три основные функции: управление горным давлением, активное поддержание кровли в рабочем призабойном пространстве очистного забоя и ограждение его от проникновения обрушенных пород кровли. Кроме того, механизированная крепь в большинстве случаев выполняет также функции пространственного перемещения забойного конвейера, комплекса или агрегата в целом и его управления по гипсометрии и в плоскости пласта.

Механизированная крепь состоит из крепежных секций или комплектов, насосной станции, распределительной и контрольно-регулирующей гидроаппаратуры и гидрокоммуникаций.

Гидроприводиспользуется для приведения в действие механизированной крепи, основными исполнительными органами которого являются силовые гидроцилиндры: гидростойки, гидродомкраты для передвижения крепи и конвейера, вспомогательные гидроциляндры.

Во многих отраслях машиностроения широко применяется гидравлический привод. Достоинства гидропривода – малые размеры и большая передаваемая мощность, относительно малый вес, быстродействие, бесступенчатое регулирование скоростей и прочие – обеспечили ему широкое применение в горных машинах. Если сравнить гидравлический мотор и электрический двигатель одинаковой мощности, то оказывается, что размеры гидромотора составят 12-13% размеров электродвигателя, а вес гидромотора 10-12% веса электродвигателя.

Гидропривод - устройство, обеспечивающее приведение в движение механизмов и машин, состоящее из гидравлической передачи, аппаратуры управления, регулирования, вспомогательных приборов.

Вследствие особых специфических условий эксплуатации и требований, предъявляемых к системе гидропривода механизированных крепей, она существенно отличается от системы гидропривода других горных машин как своими схемными решениями, так и применяемой рабочей жидкостью и конструкцией гидроагрегатов.

1.1 Механизированные крепи

Создание и широкое применение очистных комплексов с применением механизированных крепей позволило существенно повысить технико-экономическую эффективность работы очистных забоев и решить важную социальную проблему по повышению безопасности работы шахтеров и освобождению их от тяжелого физического труда.

Секции крепи или комплекты располагаются по всей длине очистного забоя, они активно поддерживают породы кровли в рабочем призабойном пространстве очистного забоя и управляют горным давлением. По мере выемки угля секции крепи передвигаются к забою в определенной последовательности.

При подвигании лав по простиранию на крутых  и наклонных пластах крепь и весь выемочный комплекс сползают по падению пласта под влиянием гравитационных сил и сдвижения вмещающих пород.

Рис. 1- Секции крепи ОКП 70

Чтобы предотвратить сползание и опрокидывание секций, их увязывают в единую кинематическую систему и производят передвижение крепи с активным подпором, путем последовательного передвижения секций подтягиванием их к предварительно передвинутой базе крепи с опорой на соседние секции.

При разработке крутых пластов одним из перспективных направлений является применение комплексов и агрегатов с щитовой оградительно-поддерживающей крепью, работающих по падению пласта. Опускание щитовых крепей осуществляется путем принудительного подтягивания их к конвейеростругу. Особенностью такой крепи является то, что ее секции опираются на забой не у почвы пласта, а в его середине через маятниковые опоры, проходящие через балку конвейероструга. Перед посадкой крепи направляющая балка конвейероструга выдвигается в крайнее положение к забою и закрепляется с помощью посадочных стоек, а затем к ней одновременно по всей лаве подтягиваются секции крепи.

Секция крепи Глиник-21/45

Секция поддерживаюше-оградительной крепи Глиник-21/45 предназначена для работы в посадочных лавах.

Секция работает в лавном комплексе вместе с комбайном, забойным конвейером и стабилизирующими устройствами.

Таблица 1

Техническая характеристика крепи Глиник-21/45

№ П/п	Параметр	Ед.	Показатели
			Линейная	Концевая секция
1	Высота крепи минимальная	м	2,1
2	Высота крепи максимальная	м	4,5
3	Диапазон работы	м	2,4-4,4
4	Наклон лавы продольный		До 30º
5	Наклон лавы поперечный		±15º
6	Шаг установки крепи	м	1,75
7	Количество гидравлических стоек	шт	2
8	Перемещение крепи	м	0,8
9	Максимальная удельная нагрузка не почву	МПа	2,38+2,46
10	Максимальная удельная нагрузка на кровлю рассчитанная на основном верхняке	МПа	2,01+2,08		1,88+1,94
11	Предварительное сопротивление секции	кН	7375+7625
12	Рабочее сопротивление секции	кН	10 193-10 532
13	Рабочее сопротивление крепи	кН/м²	1 258-1 300		1 201-1 241

1.2 Гидроцилиндр

Гидроцилиндры являются обьёмными гидродвигателями, предназначенными для преобразования энергии потока рабочей жидкости в механическую энергию исполнительного механизма. Он являются наиболее востребованным и часто применяемым типом гидродвигателя, поскольку позволяет обеспечить привод широкого спектра механизмов машин, оборудования и оснастки с самой разнообразной кинематикой движения. При этом гидроцилиндр позволяет реализовать практически любой цикл и режим работы, обеспечивая различную величину скорости, перемещения и развиваемого усилия выходным звеном приводимого механизма. Независимо от области применения все варианты использования гидроцилиндров можно разделить на два вида:

- гидравлический привод, в котором шток гидроцилиндра непосредственно связан с поступательно перемещающимся выходным звеном приводимого механизма (ползуном, кареткой),

- гидравлический привод, в котором шток гидроцилиндра шарнирно соединен с ведущим звеном приводимого механизма (кривошипом, кулисой, коромыслом), совершающим вращательное, качательное или сложное движение

Гидроцилиндры двустороннего действия

Как при прямом, так и при обратном ходе поршня усилие на штоке гидроцилиндра создаётся за счёт создания давления рабочей жидкости соответственно в поршневой и штоковой полости цилиндра. Следует иметь в виду, что при прямом ходе поршня усилие на штоке несколько больше, а скорость движения штока меньше, чем при обратном ходе, за счёт разницы в площадях, к которым приложена сила давления рабочей жидкости (эффективной площади поперечного сечения). Такие гидроцилиндры осуществляют, например, подъём-опускание отвала многих бульдозеров.

Восстановление штока гидроцилиндра

Шток гидроцилиндра является одной из основных компонентов гидроцилиндра, который применяется при повышенных силовых нагрузках в агрессивных химических средах. Постоянные температурные перепады, высокие нагрузки и давление способствует быстрому изнашиванию деталей, в результате чего могут возникнуть такие проблемы, как повышенная утечка масла и снижение эффективности работы всей гидросистемы. Основными неисправностями штока является: повреждения штоков или их подшипников, загрязнение гидравлических жидкостей, искривления (изгибы) штоков.Причинами вышеперечисленных повреждений может быть повышенный износ царапины, задиры, стёртость, нарушение герметичности, сколы, трещины на различных участках и т. д. Для снижения вероятности их появления штоки хромируют. Несмотря на это, вероятность выхода из строя штока остаётся. Причинами повреждения подшипников штока поршня является плохое совмещение осей цилиндра и прилагаемой к нему нагрузки, что приводит к черезмерному давлению на одну из сторон. При эксплуатации цилиндров следует убедиться, что поршень штока способен выдержать нагрузки, которым он будет подвергаться при работе.

Гидроцилиндрыкрепи Глиник-21/45

Гидроцилиндры входящие в систему гидропривода механизированной крепи Глиник-21/45:

- гидравлическая стойка, диаметром 400/380/330/305;

- гидродомкрат подъёмного устройства оснований, диаметром 120/100;

- гидродомкрат верхняка, диаметром 75/40;

- корректирующий гидродомкрат, диаметром 90/63;

- гидродомкрат передвижки секции, диаметр 170/115;

- гидродомкрат ограждения груди лавы, диаметр 75/63;

- гидродомкрат выдвижки, диаметр 90/63;

- гидродомкрат отклонения отклонного верхняка, диаметр 170/100;

- гидродомкрат корректировки основания

Рис. 2– Схема расположение гидроцилиндров крепи Глиник-21/45

Гидродомкрат выдвижного верхняка

Гидродомкрат выдвижного верхняка является гидродомкратом двухстороннего действия. Он служит для передвигания выдвижного верхняка и содержания его в определённом положении. Этот домкрат облодает питанием подпоршневого и надпоршневого пространства через муфты DN10 в наружней части цилиндра.

Таблица 2

Технические параметры гидродомкрата выдвижного верхняка

Параметры	Показатели
Количество гидродомкратов	2
Диаметр цилиндра	90 мм
Диаметр поршневого штока	63 мм
Длинна мин.	1055 мм
Длинна макс.	1855 мм
Ход	800 мм
Ширина	150 мм
Давление питания	25-32 МПа
Рабочее давление	38 МПа
Тягающее усилие при давлении питания	81-104 кН
Тягающее усилие при рабочем давлении	123кН
Толкающее усилие при давлении питания	159-204кН
Толкающее усилие при рабочем давлении	242кН

Рис. 3– Нагрузки в гидроцилиндре двухстороннего действия с односторонним штоком

Силы сопротивления:

Т - усилие на штоке;

F_п - сила трения уплотнения поршня;

F_ш - сила уплотнения штока;

Р_сл - реактивное усилие от давления в штоковой области.

Активная сила:

Р_н - сила давления в поршневой полости.

1.3 Система APM FEM

Система APM FEM представляет собой интегрированный в КОМПАС-3D инструмент дляподготовки и последующего конечно-элементного анализа трехмерной твердотельной модели (деталиили сборки).

Подготовка геометрической 3D-модели и задание материала осуществляется средствамисистемы КОМПАС-3D. С помощью APM FEM можно приложить нагрузки различных типов, указатьграничные условия, создать конечно-элементную сетку и выполнить расчет. При этом процедурагенерации конечных элементов проводится автоматически.

APM FEM позволяет провести следующие виды расчетов:

статический расчет;

расчет на устойчивость;

расчет собственных частот и форм колебаний;

тепловой расчет.

В результате выполненных системой APM FEM расчетов Вы можете получить следующуюинформацию:

карту распределения нагрузок, напряжений, деформаций в конструкции;

коэффициент запаса устойчивости конструкции;

частоты и формы собственных колебаний конструкции;

карту распределения температур в конструкции;

массу и момент инерции модели, координаты центра тяжести.

Система APM FEM разработана в НТЦ АПМ (www.apm.ru) для прочностного конечноэлементного экспресс-анализа в КОМПАС-3D. Более расширенный функционал конечно-элементногоанализа импортированных моделей доступен в системе APM WinMachine в модулях APM Studio и APMStructure3D.

APM Studio позволяет выполнять расчет не только твердотельных, но и оболочечны[ (пластинчатых) деталей и сборок.

Расчет гидроцилиндра в системе APM FEM

Порядок подготовки модели и выполнения расчета:

1. Подключение библиотеки APM FEM: Прочностной анализ.

2. Подготовка модели к расчету – задание закреплений и приложение нагрузки.

3. Задание совпадающих граней (для КЭ-анализа сборки).

4. Генерация КЭ-сетки.

5. Выполнение расчета.

6. Просмотр результатов в виде карт напряжений, перемещений.

Рис. 4– трехмерная модель гидроцилиндра

Подключение библиотеки APM FEM: Прочностной анализ

Минимальные требования для работы APM FEM соответствуют требованиям КОМПАС-3D. Система APM FEM является прикладной библиотекой КОМПАС-3D для подключения которой необходимо при установке КОМПАС-3D поставить галочку напротив опции APM FEM. После окончания установки проконтролировать наличие установленной прикладной библиотеки можно в списке наборов инструментальных панелей (нажатием левой кнопкой мыши на значке Развернуть). В списке необходимо выбрать пункт APM FEM. После этого библиотека будет активирована и станет доступна инструментальная панель APM FEM: Прочностной анализ.

Рис. 5- Инструментальная панель

Подготовка модели к расчету – задание закреплений и приложение нагрузки.

Команды панелей- Нагрузка и Закрепления предназначены для подготовки модели к расчету (задание граничных условий). Отдельные нагрузки или закрепления можно показать или скрыть, используя дерево прочностного анализа. При этом в расчете участвуют только видимые нагрузки и закрепления. Эту особенность можно использовать для вариации расчетных моделей.

Рис. 6- Панель инструментов Нагрузки и Закрепления

Давление – выбрав данную команду, вы сможете приложить равномерно распределенное давление по нормали к поверхностям трехмерной модели.

Мы приложили давление на 4 поверхности. Первое давление на шток равная 2 H/мм^2 (Максимальная удельная нагрузка на кровлю рассчитанная на основном верхняке). Вторую нагрузку имитировав рабочую жидкость приложили на поршень, но так как жидкость будет распределять давление в объеме мы поставили давление и на внутренную поверхность цилиндра. Величина нагрузки: 242000 H. Так как тягающее усилие при давлении питания создает реакцию, мы приложили усилие на поршень с другой стороны с силой 81000 H.

Таблица 3

Величины приложенного давления

Наименование	Параметры нагрузки
Давление:	Величина: 242000 H
Давление:	Величина: 2 H/мм^2
Давление:	Величина: 81000 H

Совпадающие поверхности – команда осуществляет автоматический поиск и ручное задание совпадающих граней соприкасающихся деталей в сборке.Так как мы нажали на автопоиск КОМПАС 3Д автоматический проставил все совпадающие поверхности.

Задание свойств материала осуществляется средствами системы КОМПАС-3D сиспользованием библиотеки Материалов и Сортаментов. Для выполнения прочностного расчетадля материала детали должны быть заданы следующие свойства:

­ предел текучести, (МПа);

­ модуль упругости нормальный, (МПа);

­ коэффициент Пуассона, (-);

­ плотность, (кг/м^3);

­ температурный коэффициент линейного расширения, (1/*С);

­ теплопроводность, (Вт/(мС));

­ предел прочности при сжатии, (МПа);

­ предел выносливости при растяжении, (МПа);

­ предел выносливости при кручении, (МПа).

Таблица 4

Характеристика материала штока- 42CrMo4

Предел текучести [МПа]	730
Модуль упругости нормальный [МПа]	200000
Коэффициент Пуассона	0.3
Плотность [кг/м^3]	7800
Температурный коэффициент линейного расширения [1/C]	0.000012
Теплопроводность [Вт/(м*C)]	1
Предел прочности при сжатии [МПа]	1000
Предел выносливости при растяжении [МПа]	209
Предел выносливости при кручении [МПа]	139

Заключительным этапом является указание, в каком направлении запретить перемещения, и вокруг какой оси глобальной системы координат запретить поворот для ранее выбранных ребер и поверхностей.

Закрепление - выбрав данную команду, вы сможете установить закрепление к ребру и к поверхности трехмерной модели.

Для самого цилиндра мы использовали жесткое закрепление. То есть закрепили по всем направлениям. А для штока в двух напралениях. Чтобы шток мог двигаться вдоль цилиндра.

Рис. 7- Приложенные нагрузки(красным) и закрепление(зеленым) в модели гидроцилиндра (просмотр в сечении)

Построение сетки

Генерация КЭ-сетки осуществляется с помощью команды КЭ-сетка в панели инструментов. Параметрами данной операции являются Максимальная длина стороны элемента, Максимальный коэффициент сгущения на поверхности и Коэффициент разрежения в объеме.

4-х или 10-ти узловые тетраэдры – настройка позволяет выбрать тип конечного элемента. В расчете мы использовали 10-ти узловые тетраэдры. Использование 10-ти узловых тетраэдров позволяет использовать больший шаг разбиения по сравнению с 4-х узловыми, что экономит память и ресурсы компьютера при обеспечении точности расчёта.

Максимальная длина стороны элемента – величина, характеризующая размер конечного элемента (тетраэдра) в мм. По умолчанию стоит 5 но так как сетка получается некоректной мы снизили длину до 2-х.

Максимальный коэффициент сгущения на поверхности – коэффициент определяет, насколько следующий элемент можно сделать (где необходимо) меньше.

Рис. 8– КЭ- сетка гидроцилиндра

Таблица 4

Параметры КЭ-сетки

Наименование	Значение
Тип элементов	10-узловые тетраэдры
Максимальная длина стороны элемента [мм]	2
Максимальный коэффициент сгущения на поверхности	1
Коэффициент разрежения в объеме	1.5
Количество конечных элементов	8213
Количество узлов	16633

Выполнение расчета

Для выполнения расчета служит команда Расчет в панели инструментов- Разбиение и расчет. После вызова команды на экране появляется диалоговое окно, запрашивающее вид производимого расчета.

В типах расчета мы выбрали статистический расчет и расчет на устойчивость.

Рис. 9- диалоговое окна команды Расчет

Просмотр результатов в виде карт напряжений, перемещений

Результаты статического расчета

Наименование	Минимальное значение	Максимальное значение
Коэффициент запаса по прочности	0.127465	10

Рис. 10- Коэффициент запаса по прочности

Наименование	Тип	Минимальное значение	Максимальное значение
Суммарное линейное перемещение	мм	0	0.30796

Рис. 11- Суммарное линейное перемещение

Наименование	Минимальное значение	Максимальное значение
Коэффициент запаса по текучести	0.073059	10

Рис. 12- Коэффициент запаса по текучести

Результаты расчета устойчивости

Коэффициент запаса потери устойчивости - 0.000305

Рис. 13- Коэффициент запаса потери устойчивости

Заключение

Хочется сказать, что деформации на рисунках 10-13 не являются показательными. Программа лишь указывает направления деформации.

Из анализа напряженно-деформированного состояния видно, что максимальная деформация возникает в основном в цилиндре гидродомкрата. Мы предполагаем это из за выбранного материала, а именно его значения прочности.

Деформация с внутренней стороны цилиндра еще печальнее. Из рассчета видно, что минимальное значение коэффициента запаса показывает в отверствия входа и выхода. Мы считаем это из за несовершенной конструкции.

Мы использовали для поршеня и штока более дорогой материал. И благодаря этому эти элементы гидродомкрата не деформируются и выдерживают наложенную нагрузку.

Из этого понятно, что при проектировании ответсвенного элемента шахтного оборудования как гидродомкрат, не стоит экономить и следует использовать лишь качественный материал и до эксплуатации провести математический анализ в системах САПР, например, вКОМПАС 3Д.

Литература

В.Н. Хорина. Гидрофицированная крепь очисных выроботок. М., «Недра», 1973г. , 223с.

В.И. Солодов. Проектирование и конструирование горных машин и комплексов. М., «Недра», 1982г. , 350с.

Руководство по эксплуатации силовых агрегатов EHP-3K125, EHP-3K150.

Р.Н. Хаджиков. Горная механика. М., «Недра», 1973г.

Код для цитирования: Скопировать