CC BY
33
СЕМИНАР 20
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 2001” М0СКВА,яМГГУ,я29яянваряя-я2яфевраляя2001я-.
© В.И. Клишин, Т.М. Тарасик, 2001
УАК 622.272
В.И. Клишин, Т.М. Тарасик
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕАОВАНИЯ СРЕАСТВ ЗАШИТЫ ГИАРОСТОЕК ОТ АИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
За последние десятилетие в подземной разработке угольных пластов произошло постепенное ухудшение горногеологических условий добычи. Значительная доля очистных работ ведется в условиях шахт с труднообрушаемой кровлей с использованием дорогостоящих механизированных крепей, которые подвергаются интенсивным динамическим нагрузкам [1]. Поэтому как у нас в стране, так и за рубежом ведется интенсивный поиск надежных устройств защиты гидростоек от динамических нагрузок. Экспериментальное изучение работы современных предохранительных клапанов при динамическом нагружении позволяет обосновать новые подходы для решения поставленной задачи.
Моделирование динамического нагружения гидростойки, соответствующее шахтным условиям, рекомендуют осуществлять на стендах с массой сбрасываемого груза адекватной несущей способности крепи и высотой сброса около 0 мм [2]. В настоящей работе представлены исследования динамических процессов в гидравлических стойках на стенде копрового типа СибНИА (г. Новосибирск), с массой груза 100 т.
Стенд (рис. 1) имеет металлическое основание 1 с закрепленными на нем четырьмя направляющими 2, вдоль которых перемещается грузовая клеть 3
с чугунными плитами. Гидравлическая стойка 6 в специальной струбцине 7, позволяющей менять раздвижность гидростойки и величину начального давления в ней, устанавливается на основание 1 стенда под клетью 3. Опорная нижняя часть цилиндра гидростойки закрепляется на плите 8 струбцины 7, а шток входит в сферическое углубление пуансона 9, по бойковой части (А) которого наносит удар падающая клеть 3. Процесс динамического нагружения записывается при помощи индукционного датчика линейного перемещения 10, тен-зометрического датчика давления 11, тензометрического датчика мостового динамометра 12, усилителя 13 и записывающей аппаратуры 14.
Испытания проводились на двух гидравлических стойках польского производства одинаковых размеров, одна из которых имела полый шток. В клапанный блок гидростойки поочередно устанавливали клапаны (ФРГ) различной пропускной способности: Фос - пружинного типа производительностью 400 и 1325 л/мин, и газовый клапан Эккер - 400 л/мин.
Клапан Фос (рис. 2) состоит из корпуса 1, запирающего элемента 2, пружины 3 и уплотнения 4. Жидкость подводится со стороны отверстия (А). Когда ее давление преодолевает усилие пружины 3, за-
пирающий элемент 2 перемещается вверх и как только его боковое отверстие Б проходят уплотнения 4, жидкость через отверстия В выбрасывается в атмосферу. Давление падает, и пружина возвращает запирающий элемент в исходное положение. Когда отверстия Б окажутся ниже уплотнения 4, клапан закрывается.
В корпусе 1 клапана Эккер (рис. 3) помещен составной запирающий элемент с телескопической раздвижностью деталей 2 и 3. Их внутренняя полость 2 заполнена инертным газом под давлением, соответствующим давлению настройки предохранительного клапана. В детали 3 имеется обратный клапан 4 для зарядки и контроля давления газовой камеры, герметичность которой обеспечена уплотнением 5. Когда усилие от давления жидкости на запирающий элемент превышает противодействующее усилие от давления газ, деталь 2 перемещается вверх, входя в деталь
3, ее коническая часть Б отходит от седла 6 и жидкость через образующуюся кольцевую щель и отверстия в корпусе 1 выбрасывается в атмосферу. Давление падает и клапан закрывается.
В соответствии с методикой испытаний проводились статические и динамические испытания гидростоек различного исполнения штока с клапанами разных конструкций и без них, по результатам которых была проведена оценка жесткости гидростоек (таблица). Сжимаемость рабочей жидкости в совокупности с деформациями стенок цилиндра характеризуется коэффициентом жесткости гидростойки (Аж), определяемым отношением приращения давления в поршневой полости к величине смещения штока.
При статическом нагружении стойки с начальным давлением Р0=10 МПа груз плавно опускали на стойку в результате давление в поршневой полости возросло до 33 МПа, упру-
Таблица
ИЗМЕНЕНИЕ ЖЕСТКОСТИ ГИЛРОСТОЙКИ
№ п/п Высота сброса груза, мм Начальное давление в гидростойке, МПа Максимальное давление в гидростойке, МПа Максимальное перемещение штока, мм Коэффициент жесткости, МПа/мм Время достижения пика давления, с Средняя скорость перемещения штока, мм/с
Стойка со сплошным штоком без клапана
Статическое нагружение
1 0 10 33,00 13,60 1,69 1,05 12,95
Динамическое нагружение
2 0 10 60,00 12,00 4,17 0,14 85,71
3 0 30 57,18 6,00 4,53 0,11 54,55
4 5 30 62,23 6,70 4,81 0,10 67,00
5 7 30 65,50 7,30 4,86 0,09 81,11
Стойка со полым штоком (динамическое нагружение)
6 0 30 52,40 16,00 1,40 0,12 133,30
Стойка со сплошным штоком с клапаном Фос400
7 7 30 54,5 12,7 1,93 0,07 181,43
Стойка со сплошным штоком с клапаном Фос1325
8 7 30 62,7 9,52 3,43 0,09 105,78
Стойка со сплошным штоком с клапаном Эккер400
9 7 30 49,6 15,6 1,26 0,08 195,00
гая податливость стойки составила 13,6 мм (рис. 4, линия 1). При динамическом нагружении стойки Р0 = 10 МПа (рис. 4, линия 2) по сравнению со статическим перемещение штока имело близкую величину 12 мм, максимальное давление увеличилось в 1,8 раза до 60 МПа, а коэффициент жесткости - в
2,5 раза (с 1,69 до 4,17 МПа/мм). Средняя скорость нагружения возросла с 12,95 до 85,71 мм/с - в 6,6 раз.
Для различной высоты сброса груза 0, 5, 7 мм при динамическом нагружении стойки (рис. 4, линии 3, 4, 5) кж постепенно увеличивается (4,53; 4,73; 4,86 МПа/мм). Это происходит вследствие возрастания скорости нагружения соответственно 54,54; 67 и 74,48 мм/с.
Для одинаковой высоты сброса груза с увеличением величины начального давления кж возрастает: при Р0 = 10 МПа он равен 4,17 МПа/мм, а для 30 МПа - 4,53 МПа/мм (рис. 4, линии 2, 3). С увеличением ско-
рости нагружения и величины начального давления коэффициент жесткости возрастает.
На испытаниях стойки с полым штоком (Р0 = 30 МПа; И с=0 мм), кж равен 1,4 МПа/мм (рис.
4, линия 6), что в 3,2 раза ниже, чем для аналогичных условий нагружения гидростойки со
сплошным штоком (4,53
МПа/мм).
При высоте сброса 7 мм для стойки с клапанами кж составил: для клапана Фос400 - 1,93 МПа/мм; для Фос1325 - 3,43 МПа/мм; Эккер400 - 1,26
МПа/мм (рис. 4, линии 7, 8, 9). Это соответственно в 2,5; 1,4 и 3,9 раза ниже, чем для стойки без клапана при аналогичных условиях нагружения.
При исследовании влияния параметров нагружения на работу гидравлических стоек различного исполнения и комплектации в начальный период нагружения наблюдается одна и та же картина. С началом роста нагрузки в период времени 0___¿1 (рис. 5) повышения
давления в стойке не происходит. На участке ¿\..Л2 начинается перемещение штока. Этому же участку соответствуют ступеньки на линии усилия нагружения Г1_Г2 (438,1 _916,1
кН). Это объясняется тем, что для первоначального страгива-ния штока требуется время на преодоление сил трения в уплотнительных узлах и вязкостного трения жидкости. Следовательно, в первоначальный момент времени стойка воспринимает нагрузку всей металлоконструкцией, как жесткий стержень.
Максимальная величина усилия нагружения, воспринимаемого гидростойкой без клапана (кривая 1), составила Г3 = =2349,9 кН в точке ¿3 = 0,098с, при этом наибольшее значение имели перемещение штока И = 7,3 мм и давление в поршневой полости Р\ = 65,5 МПа. В стойке с клапаном Фос400 (кривая 4), когда сила и давление достигли максимальной величины (^4 =
1920,5 кН и Р2 = 54,5 МПа соот-
Рис. 5. Динамическое нагружение стойки грузом 100 т, высота сброса 7 мм: 1 - стойка без клапана; 2- с клапаном Фос1325; 3 -с клапаном Эккер400; 4 - с клапаном Фос400. Где Р - усилие нагружения; И- перемещение штока; Р- давление в поршневой полости
ветственно) во время ¿4 = 0,07 с, перемещение штока продолжалось и в точке ¿5 = 0,135 с стало наибольшим И2 = 12,7 мм, что свидетельствует об открытии предохранительного устройства.
Клапан настроен на давление Р3 = 40 МПа, которое зафиксировано в поршневой полости в момент ¿6 = 0,035 с, однако он открылся при Р4 = 52 МПа, в точке ¿7 = 0,51 с. Следовательно, задержка открытия составила ¿7-/6 = 0,016 с. Общая просадка штока в результате срабатывания клапана И3 = 11,2 мм.
Установлено, что все клапаны обладают держкой на открытие, величина которой
висит от их конструктивного исполнения. Например, при Ис = 7 мм газовый клапан
кер400 показал наименьшее время - 0,009 с; а более
онный пружинный клапан Фос1325 - 0,022 с. Просадка штока при срабатывании клапанов составила 11,2 и 4,4 мм соответственно.
Из представленных резуль-
татов видно, что стремление увеличить расходную характеристику за счет большего пропускного отверстия для жидкости, в случае с клапаном Фос1325, приводит к увеличению инерционности их запирающих элементов и к понижению эффективности его работы.
При определении фактической расходной характеристики клапанов выявлено, что ни один из клапанов не показал паспортной расходной характеристики. Менее инерционный клапан Эк-кер400 имеет фактический расход 396 л/мин, Фос400 - 378 л/мин, Фос1325 - 210 л/мин.
Анализ жесткости гидростойки и расходной характеристики клапана позволил установить, что кж зависит от фактического расхода жидкости через клапан и чем он больше, тем меньше жесткость гидростойки (кж для стойки с Эккер400 в 3,9 раза ниже, чем для стойки без клапана в тех же условиях).
Таким образом, основной причиной неудовлетворительной работы газового Эккер и пружинного Фос клапанов, основанных на традиционных подходах конструирования, является запаздывание их открытия. Наличие повышенного расхода клапана не решает поставленной проблемы, вследствие увеличения инерционности их запирающих элементов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Орлов A.A., Баранов С.Г., Мышляев Б.К. Крепление и управление кровлей в комплексномеханизированных забоях. - М.: Недра, 1993. -284 с.
2. Шеин Ю.Г. Новая концепция динамического
взаимодействия системы «кровля - крепь» / Научные сообщения ИГД им. A.A. Скочинского, вып. 311, 1999, - С. 163167.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
,_____________________________________________________________________________________£3
Со
Илишин В.И, Тарасик Т.М. — Институт горного дела Сиборского отделения РАН.
2
