Анализ концентраторов напряжений, возникающих при испытаниях секции крепи МКЮ. 2ш-26/53 в Cosmos-Works Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

д____________

----- © П.В. Бурков, К.В. Епифанцев,

2010

П.В. Бурков, К.В. Епифанцев

АНАЛИЗ КОНЦЕНТРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ СЕКЦИИ КРЕПИ МКЮ. 2Ш-26/53 В COSMOS-WORKS

Рассмотрен процесс нагружения перекрытия механизированной крепи МКЮ.2Ш-26/53, которое было испытано нагрузкой по 5 различным схемам в соответсвии с ГОСТом Р52152-2003. Перекрытие проходит нагружение по достижение 80% ресурса по металлоконструкции при наамлитуде нагружений от 10 до 54 МПа. Каждые 1000 циклов записывались в графической программе “CatmanEasy. После этого в программе COSMOS-WORKS была создана твёрдотельная модель, в которой была проанализирована работа перек-трытия.

Ключевые слова: труднообрушаемые кровли, горный удар, испытательный стенд фирмы Gluckauf, схемы испытаний, долговечность конструкций механизированных крепей.

о время эксплуатации при работе в забое в перекрытии X-# секции механизированной крепи возникают большие продольные усилия к уменьшению которых нужно стремиться. Перекрытие является элементом, который воспринимает все нагрузки, и обеспечивает устойчивость конструкции (Ъис. 1). Поэтому к конструкции перекрытия предъявляются высокие требования по показателям надежности. Более того, от качества конструкции перекрытия напрямую зависит жизнь горных рабочих и ресурс всей секции по металлоконструкции [1]. В испытательном цехе ООО «Юргин-ский машзавод» есть уникальная возможность проведения испытаний секции до спуска под землю. Испытание выявляет слабые места конструкции.

Для выявления качественных показателей секции крепи, завод-изготовитель подвергает секции испытаниям на испытательном стенде в условиях приближенных к реальным. Перекрытие испы-

тывают в составе всей секции с сохранением всех кинематических особенностей. Испытания проводят в соответствии с ГОСТ Р 52152-2003, по 5 разным схемам нагружения на испытательном стенде <^1искаи£».

Рис. 1. Испытания секции крепи на испытательном стенде «Gluckauf»

Секцию крепи раздвигают на полную раздвижность стоек и нагружают подвижной плитой стенда, ступенями от 10 до 54 МПа. На каждой ступени выдерживают по 1 мин. Затем сбрасывают нагрузку до 5 МПа и замеряют остаточные деформации. Таким образом, крепь проходит испытание на 80-процентный ресурс. Через каждые 10 циклов проходит проверка раскерновки с помощью стандартных скоб, а запись графиков нагружений проводится в программе «Catman Easy».

Для ОАО «Шахта Заречная» (Кемеровская область) ООО «Юргинский машзавод» проводил испытания пилотной секции крепи механизированной МКЮ.2Ш-26/53 на стенде фирмы Gluckauf. Стенд сертифицирован по соответствующим нормам ЕС и DIN EN ISO 9001:2000.

Схемы испытания представлены на рис. 2 [2]. По схеме №3 перекрытие нагружают изгибающим усилием, имитируя нормальные условия работы. Схемы нагружения №№ 1, 2, 4, 5 уместны в случае, когда из-за неровностей почвы перекрытие претерпевает деформации. Схема нагружения №1 является моделированием наиболее сложных условий работы секции, для получения величины этой нагрузки, со стороны поддерживающей части и ограждения. Действующий вектор силы в данном случае будет действовать на одну сторону конструкции, что приведет к скручивающим деформациям.

Испытания, проведённые коллективом инженеров-испыта-телей в испытательного цеха Дирекции по качеству ООО «Юргин-ский машзавод» на испытательном стенде «Gluckauf» в период с 17.10.2008 до 27.10.2008 проводились в количестве 55 опытов, которые последовательно фиксировались программой «Catman Easy». Одной из особенностей приведённых ниже испытаний является работа с достаточно габаритной конструкцией крепи.

Каждая из 5 схем предполагала 11 нагружений с последовательным увеличением давления от 17 до 54 МПа. В процессе нагружений были сняты 3 характеристики (остаточная деформация Soct , деформация в пике нагружения Sn, давление в стойке (фактическое) Р).

Для создания данной секции были применены листы проката 14ХГ2САФД ТУ 14-105-699-2002. Полученные результаты сведены в таблицу.

Порядок испытаний был следующим: I - 3 схема, II - 1 схема, III - 2 схема, IV- 4 схема, V- 5 схема. После каждого из десяти нагружений давление в стойке сбрасывалось до 5 МПа.

Все данные, полученные в результате испытания секции, были сведены в общую таблицу.

Схепа №3

fsg mfes квящям - (frm/nrt/ra Ssmsffs fjff

Рис. 2. Схемы нагружения секции МКЮ.2Ш-26/53

Максимальные и минимальные результаты опытов

Схемы испыта- ния Остаточная деформация Деформация в пике нагружения Давление, МПа

Міп ^осг, мм Р, МПа Мах Socr, мм Р, МПа Min Sn, мм Р, МПа Max Sn, мм Р, МПа

3 0 16,8 0 54 0,3 16,8 3,3 54 0,5-54

1 0,1 33,9 1,7 53,9 2,1 16,9 25,3 53,9 0,5-54

2 0,1 34,1 1,5 54,1 2,3 16,8 25,7 54,1 0,5-54

4 0,1 17,1 1,4 54,1 7,5 17,1 29,7 54,1 0,5-54

5 0,1 39 0,4 54 1,2 16,9 22,3 54 0,5-54

В результате для дальнейших исследований в COSMOS Works нами была выбрана схема № 1 как наиболее опасная. Для того что-

бы приступить к оптимизации конструкции, для поиска наиболее подходящего варианта нужно провести ряд исследований по определению причин поломок, в большинстве случаев причиной являются концентраторы напряжений, наличие которых и ведет к зарождению и распространению дефектов

Рис. 3. Твердотельные модели секции и перекрытия при 1 схеме испытаний

с последующей поломкой. Для этого необходимо было построить твердотельную модель секции, для определения граничных условий при расчете [3].

Необходимо было определить направления и величины усилий, со стороны составляющих элементов.

Dп2 • ж • Р

F =

4

где Dп - диаметр поршня = 0,4 м; Р - давление в стойке при максимальном значении = 54 МПа

F =

0,42 • 3,14 • 54000 4

= 6782кН

Таким образом, зная силу, действующую на опору перекрытия стойкой и угол отклонения стоек от перпендикулярно-

сти, равный 3,82, была приложена силы под определённым углом к перекрытию, также перекрытие было закреплено в шарнирных узлах. Были заданы параметры упоров (металлического бруса), построена сетка из конечных элементов.

Рис. 5. Результаты зондирования

После выполнения заданного упражнения в программе, команда «Зондирование» определила результат в точке, где в при реальных испытаниях стоял датчик.

В результате зондирования мы получили величину в 24 мм, в реальных же условиях (табл. 1) значение в данной схеме было 25, мм. Результаты сошлись с небольшой погрешностью.

Полученных данных достаточно для того чтобы провести прочностной расчет перекрытия методом конечных элементов. В итоге после завершения расчета, были выявлены критические зоны и области распределения напряжений. Эти области потенциально опасны, именно в зоне завышенного напряжения произойдет распространение дефектов, что приведет к поломке всей металлоконструкции [4].

График распределения величин эквивалентных напряжений находится в пределах от 0 до 6000 кгс/см2, что соответствует пределу текучести материала. Каждому интервалу величин присвоен свой цвет. Так, область, отображённая красным цветом (ей присвоено значение 6000 кгс/см2), означает то, что усилия в этой зоне приближены к пределу текучести, а это значит что металл может перейти из зоны упругих деформаций в зону пластических деформаций, и как следствие потеряет свои несущие способности. Так как перекрытие является сварной конструкцией, слабым звеном являются сварные швы, зная что сварной шов лучше работает на растяжение чем на сжатие, можно предположить что в зоне пластических деформаций сварное соединение потеряет свою надежность и произойдет поломка. В соответствии с требованиями, предъявляемыми к испытаниям металлоконструкций, все расчеты велись с завышением величин усилий на 10 %.

Результаты расчёта позволили определить наиболее уязвимые области и приступить к совершенствованию конструкции перекрытия. Стояла задача улучшить конструкцию без уменьшения прочностных показателей и увеличения габаритных размеров, трудоемкости, себестоимости изготовления, и т. д. В работе предлагается измененная конструкция перекрытия, которое отвечает перечисленным требованиям.

На рисунке видно, как металл, предел текучести которого выше 675 МПа (предел текучести 14ХГ2САФД) лежит в районе 2 обозначенных прогонов. Следовательно, мы предлагаем сделать данные прогоны из стали с более высоким пределом текучести.

Напряжённо-деформированное состояние серийной траверсы крепи КМКЮ. 2Ш-26/53 при испытаниях по 1 схеме

Рис. 7. Iso-ограничение и зондирование

К таким сталям относится WELDOX 900. С пределом текучести равным 900 МПа. Подобные прогоны, сделанные из данной стали, значительно уменьшат вес конструкции и на 80% исключат возможность появления пластических деформаций.

Практическая значимость работы заключается в получении оценок прочности рамных конструкций механизированных крепей с учетом эксплуатационных условий, анализе опасности эксплуатационных дефектов, так как пластическая деформация металлов и сплавов как тел поликристаллических, имеет некоторые особенности по сравнению с пластической деформацией монокристалла. Деформация поликристаллического тела складывается из деформации отдельных зерен и деформации в приграничных объемах. Отдельные зерна деформируются скольжением и двойникованием, однако взаимная связь зерен и их множественность в поликристалле вносят свои особенности в механизм деформации.

Полученные результаты свидетельствуют о необходимости разработки методики оценки напряжённо-деформиро-ванного состояния, долговечности и живучести рам, разработке рекомендаций по учету показателей долговечности и живучести при определении структуры механизированного комплекса.

В результате проведённых опытов мы можем говорить о сходимости виртуальных и реальных исследований, а значит можем подтвердить факт высокой технической оснащённости и точности работы испытательного стенда. Через построенные графики, через результаты, сведённые в таблицы, мы можем анализировать работу механизированной крепи, наблюдать этапы развития деформации и её постепенного спада.

Симметричная и ассиметричная нагрузки также нашли подтверждение в конечном графике, построенном в графической части ВКР. Можно наблюдать зеркальность графиков остаточной деформации 1 и 2 схемы. Однако, между графиками 4 и 5 схемы нельзя провести такого же соответствия.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Мышляев Б.К. Перспективные направления создания новой техники/ Б.К.Мышляев// Горный журнал. - 2003. - № 3.- С.60-66.

2. Мышляев Б.К. Производство современной очистной техники - основа развития подземной добычи угля в РФ/ Б.К.Мышляев, С.В.Титов, И.В. Титов// Уголь. - 2007. - №1.- С. 11-15.

3. Клишин В.И. Метод направленного гидроразрыва труднообрушающихся кровель для управления горным давлением в угольных шахтах/ Клишин В.И., Никольский А.М., Опрук Г.Ю., Неверов А.А., Неверов С.А. // Уголь. - 2008. -№11. - С.12-16.

4. Ремезов А. В., Панфилова Д. В. Распределение нагрузок на крепь по длине очистного забоя//Уголь. - 2008. - №11.- С. 10-11ЕШ

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

Бурков П.В., Епифанцев К.В. - Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета, г. Юрга, [email protected]

© С.П. Буркова, В.П. Бурков, 2010