Введение к работе
Актуальность исследований. В настоящее время наблюдается тенденция к снижению общего количества комплексно-механизированных забоев (КМЗ) с одновременным увеличением из них добычи. При этом постепенно ухудшаются горно-геологические условия выемки угольных пластов. В совокупности эти факторы накладывают повышенные требования к надёжности работы КМЗ.
Исследованиями работы механизированных крепей в различных условиях (КузНИУИ) было уставлено, что одной из основных причин простоев КМЗ являются отказы гидрооборудования крепи из-за потери герметичности, при этом из этих отказов 31 % приходится на гидростойки, а 23 % - на другие силовые гидродомкраты. В структуре отказов из-за потери герметичности гидростоек 58 % отказов происходят из-за коррозии и износа зеркала цилиндра, 28 % - из-за износа уплотнений и 14 % - из-за раздутия рабочих цилиндров. Это влечёт за собой не только технические проблемы, связанные с непрерывностью и безопасностью работы комплексов, но и экономические потери.
Существующие методики расчёта параметров гидростоек механизированных крепей в большинстве случаев являются аналитическими и не учитывают всего комплекса факторов, при которых происходит возникновение критических ситуаций, приводящих к недопустимо большим уплотняемым зазорам и нарушающих нормальную эксплуатацию уплотнений.
Несмотря на большое количество исследований, посвященных работе гидростоек механизированных крепей, вопросы их герметичности в различных условиях нагружения являются недостаточно изученными.
Кроме того, для уменьшения радиальных деформаций рабочих цилиндров и улучшения работы в них манжетных уплотнений предлагаются различные технические решения, требующие научного обоснования их параметров.
С учётом вышесказанного, выявление и оценка параметров герметичности гидростоек, учитывающих формирование герметизируемого зазора и работу уплотнения с учётом их конструктивных особенностей, характера нагружения и свойств материалов, являются актуальными.
Работа выполнялась в соответствии с заданиями Министерства образования и науки РФ (2002-2004 гг.), Федерального агентства по образованию РФ (2005-2010 гг.) и Министерства образования и науки РФ, а также по договору с ЗАО «Распадская» (2006 г.).
Цель работы - оценка параметров герметичности гидростоек механизированных крепей.
Идея работы - использовать для оценки герметичности гидростоек величину герметизируемого зазора и параметры работы в нём уплотнения.
Задачи исследований.
Разработать конечно-элементные модели и с их помощью исследовать влияние параметров гидростоек и внешних сил на образование герметизируемого зазора между цилиндром и поршнем.
Разработать конечно-элементные модели и с их помощью исследовать поведение манжетных уплотнений в герметизируемом зазоре в зависимости от
конструкции и параметров уплотнительного узла, величины зазора, свойств материала и давления рабочей жидкости.
3. Обосновать технические предложения для совершенствования гидростоек механизированных крепей.
Методы исследований: моделирование методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния (НДС) тел из упругопластических и гиперупругих резиноподобных материалов.
Научные положения, выносимые на защиту:
радиальные деформации рабочего цилиндра гидростоек механизированных крепей определяются давлением рабочей жидкости, конструктивными размерами цилиндра и свойствами его материала, осевым расстоянием деформируемой точки относительно первого уплотнения со стороны поршневой полости и днища, а также углом установки гидростойки в крепи и могут быть изменены путём выполнения цилиндра многослойным с задаваемыми толщинами слоев и натягами между ними;
выдавливание материала уплотнения в зазор и эквивалентные напряжения определяются радиусом скруглення кромки канавки поршня, давлением рабочей жидкости, величиной уплотняемого зазора, радиусом скруглення уплотнения, а также установкой в тело уплотнения армирующей пластины, её свойствами, размерами и параметрами установки;
герметичность гидростоек необходимо оценивать совместно радиальными деформациями рабочего цилиндра в пределах поршня и параметрами работы уплотнения в герметизируемом зазоре системы «поршень - уплотнение - рабочий цилиндр».
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректным использованием метода конечных элементов и выбранных моделей поведения материалов, широко апробированных при решении других задач; обоснованностью принятых элементов и параметров сетки конечных элементов в используемых моделях, позволяющих получить погрешность вычислений по отношению к теоретическим расчетам при определении радиальных деформаций до 3,2 % и при определении напряжений - до 5-8 %, в зависимости от размерности моделей; относительной погрешностью результатов расчета уплотнений по упрощенным моделям до 0,05 %; сопоставимостью результатов исследований с результатами, полученными другими авторами.
Научная новизна заключается в том, что:
разработаны и определены критерии оценки степени герметичности для гидростоек механизированных крепей при образовании герметизируемых зазоров;
на основе разработанных параметрических моделей для определения напряжённо-деформированного состояния (НДС) однослойных и многослойных цилиндров получены зависимости их радиальных деформаций от давления рабочей жидкости, раздвижности, соотношения диаметров и величин натягов;
разработаны и определены критерии для оценки герметизации уплотняемого зазора для различных уплотнений, а также получены их зависимости для
армированных манжетных уплотнений, учитывающие рабочее давление, величину зазора и конструктивные параметры поршня и уплотнения;
на основе проведённых исследований предложены параметры технических
решений, повышающие степень герметичности гидростоек.
Личный вклад автора заключается в:
разработке конечно-элементных моделей и исследовании НДС однослойных и многослойных цилиндров в зависимости от конструктивных параметров гидростойки, её раздвижности, свойств материала и приложении внешних нагрузок;
разработке конечно-элементных моделей и исследовании НДС манжетных уплотнений в зависимости от их конструктивных исполнений, свойств материала и зазора;
обосновании параметров технических решений, улучшающих критерии работы рабочих цилиндров и манжетных уплотнений в герметизируемом зазоре.
Научное значение работы заключается в выявлении закономерностей формирования зазоров между поршнем и цилиндром от конструкции, параметров и схем нагружения гидростоек, а также закономерностей, характеризующих работу в этом зазоре уплотнений с различными параметрами.
Практическая ценность заключается в разработке моделей для определения НДС рабочих цилиндров и манжетных уплотнений гидростоек механизированных крепей.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты исследований, приведенных в диссертации, были использованы:
ООО «Юргинский машиностроительный завод» при разработке
механизированных крепей;
ЗАО «Научно-исследовательский испытательный центр КузНИУИ» при
экспертизе горно-шахтного оборудования;
при разработке курса «Методы расчета горных машин» для студентов КузГТУ
специальности 150402 (Горные машины и оборудование) со специализацией «Проектирование и конструирование горных машин и оборудования».
Апробация работы. Основные научные положения диссертации докладывались и получили одобрение на: IV, VI-IX Междунар. науч.-практ. конф. «Безопасность жизнедеятельности предприятий в угольных регионах» («Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах»)^. Кемерово, 2000, 2005, 2007, 2009, 2011); I—III регион., IV Всерос. науч.-практ. конф. «Информационные недра Кузбасса» (г. Кемерово, 2001, 2003-2005); II Междунар. науч. конф. «Динамика и прочность горных машин» (г. Новосибирск, 2003); Х-ХП Междунар. науч.-практ. конф. «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс» (г. Кемерово, 2004, 2006, 2008); V-VII Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием и I—II Междунар. науч.-практ. конф. «Инновационные технологии и экономика в машиностроении» (г. Юрга, 2007-2011); интернет-конф. «Творчество молодых в науке и образовании» (г. Москва, 2003); IV, VI Российско-китайских симпозиумах «Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений»
(г. Кемерово, 2006, 2010), междунар. науч.-техн. конф. «Динамика, надёжность и долговечность механических и биомеханических систем и элементов их конструкций» (г. Севастополь, 2008), X Междунар. науч.-практ. конф. «Энергетическая безопасность России. Новые подходы к развитию угольной промышленности» (г. Кемерово, 2008), 4-й Междунар. конф. по проблемам горн, пром-ти, строительства и энергетики «Социально-экономические и экологические проблемы горной промышленности, строительства и энергетики» (г. Тула, 2008), III Междунар. науч.-практ. конф. «Перспектива развития Прокопьевске-Киселевского угольного района как составная часть комплексного инновационного плана моногородов» (г. Прокопьевск, 2011), ежегодных науч. конф. студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава Кузбасского государственного технического ун-та (г. Кемерово, 2000-2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 печатных работ, в том числе 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 патента на полезные модели и 4 свидетельства на программы для ЭВМ.
Объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы, приложений и включает в себя 143 страницы машинописного текста, 22 таблицы и 122 рисунка.
