Повышение ресурса функциональных элементов гидростоек механизированных крепей

Актуальность работы. В состав современных механизированных комплексов для добычи угля входит значительное количество гидростоек. К гидростойкам как опорным элементам, создающим сопротивление опусканию кровли, предъявляются жесткие технические требования как по качеству их изготовления, так и по надежности эксплуатации. От работоспособности гидростоек зависят не только безопасность работы обслуживающего персонала и эксплуатационная производительность всего комплекса, но и существенные материальные и финансовые затраты, связанные с простоями дорогостоящего оборудования.

Точность изготовления функциональных поверхностей деталей гидростойки определяет их взаимное расположение и влияет на величину нагрузок, действующих на детали соединенийЭксплуатация гидростоек в условиях, когда фактическая схема нагружения деталей соединений не соответствует расчетной, приводит к их ускоренному износу и потере работоспособности. В настоящее время отсутствуют научно обоснованные методы назначения точности диаметральных размеров функциональных поверхностей деталей гидростоек. Точность этих размеров назначается исходя из предыдущих конструктивных решений и технических возможностей заводов-изготовителей гидростоек. При этом не проводится оценка возможности реализации таких схем нагружения, которые будут отличны от принятой расчетной. Кроме того, не рассчитываются предельные величины износа в соединениях, в рамках которых реализуется расчетная схема нагружения. В результате фактические нагрузки, действующие на детали соединений гидростойки, могут значительно превышать по величине расчетные значения, что соответствует возникновению в гидростойке состояний критического нагружения.

Необходимо отметить, что повышение точности изготовления деталей гидростойки с целью улучшения ее эксплуатационных характеристик не всегда оправдано. Помимо дополнительных материальных затрат это может привести к реализации таких схем нагружения узлов гидростойки, при которых ее эксплуатационные характеристики ухудшатся, а ресурс снизится. Поэтому установление зависимости точности изготовления функциональных поверхностей элементов гидростойки от расчетной схемы нагружения для назначения в соединениях рациональных посадок, позволяющих повысить ресурс и надежность эксплуатации механизированных крепей, является актуальной научной задачей.

Целью работы является установление зависимости точности изготовления функциональных поверхностей элементов гидростойки от расчетной схемы нагружения для назначения в соединениях рациональных посадок, что позволит повысить ресурс и надежность эксплуатации механизированных крепей.

Идея работы. Ресурс гидростоек механизированных крепей определяется точностью изготовления и сборки их функциональных элементов, схемой нагружения при эксплуатации, которая должна соответствовать расчетной при всех возможных значениях размеров деталей в заданных полях допусков.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна:

— математическая модель взаимосвязи точности диаметральных размеров функциональных поверхностей элементов гидростойки и расчетной схемы нагружения, особенность которой состоит в том, что она учитывает вероятностный характер формирования размеров при изготовлении деталей и зазоров при их сборке;

— зависимость точности изготовления диаметральных размеров функциональных поверхностей элементов гидростойки от расчетной схемы нагружения учитывает, в отличие от известных, вероятностный характер расположения плунжера в заделке, деформацию цилиндра под воздействием давления рабочей жидкости и износ в соединениях.

Обоснованность и достоверность научных положений обеспечены представительными объемами экспериментальных данных, полученных на производстве гидростоек, хорошей их сходимостью (Р=0,95) с результатами математического моделирования на ПЭВМ.

Научное значение работы заключается в разработке математической модели и в установлении на ее основе зависимости точности изготовления диаметральных размеров функциональных поверхностей элементов гидростойки от расчетной схемы нагружения для назначения в соединениях рациональных посадок, что позволяет повысить ресурс и надежность эксплуатации механизированных крепей.

Практическое значение работы состоит в разработке: методических рекомендаций по назначению рациональных посадок в соединениях функциональных поверхностей элементов гидростойки при конструировании, производстве и ремонте механизированных крепейпрограммного обеспечения моделирования в заделке гидростойки состояний критического нагружения на ПЭВМ.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Методические рекомендации по назначению рациональных посадок в соединениях гидростойки предложены к использованию при расчете и конструировании механизированных крепей в институте «Гипроуглемаш» и при производстве гидростоек на Малаховском экспериментальном заводе, а также в учебном процессе при подготовке студентов по специальности 170 100 «Горные машины».

Апробация работы. Основные положения и содержание работы были доложены на Малаховском экспериментальном заводе в 2003 году и на международных семинарах «Неделя Горняка» в МГГУ в 2000, 2001, 2002 и 2003 г. 4.

Публикации. По теме диссертации опубликовано семь статей.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и приложения, содержит 21 рисунок, 15 таблиц, список использованной литературы из 48 наименований.

Выводы:

1. Принятая в практике конструирования и изготовления величина зазоров в соединениях рабочих поверхностей гидростоек не оказывает существенного влияния на запасы прочности гидроцилиндров и штоков, рассчитанные в соответствии с ОСТ 12.44.245−83.

2. Зазоры в соединениях функциональных поверхностей гидростойки, а, следовательно, и точность их обработки, нельзя определять по отраслевому стандарту, задавшись величиной запаса прочности. Получаемый результат в этом случае неприемлем для практического использования. С использованием отраслевого стандарта можно определять допустимый износ в соединениях, при котором обеспечивается заданный запас прочности.

3. Величина упругой диаметральной деформации рабочей поверхности гидроцилиндра от давления рабочей жидкости сопоставима по величине со средним конструктивным зазором в соединении «цилиндр-поршень», и ее необходимо учитывать при определении положения плунжера в заделке гидростойки и прочностных расчетах.

4. При давлении рабочей жидкости Р=30−60МПа соответственно в 6-ти и 50-ти случаях из 100 возникают состояния критического нагружения из-за упругой деформации цилиндра, и минимум в два раза увеличиваются нагрузки в местах контактного взаимодействия деталей.

5. Для исключения влияния упругой деформации цилиндра на положение плунжера в заделке гидростойки необходимо производить подбор посадок в соединениях с использованием программы моделирования на ПЭВМ. Это позволяет свести практически к нулю вероятность возникновения предельных состояний критического нагружения в широком диапазоне давлений (Р=20-ЮОМПа).

6. В условиях накопления гидроцилиндром остаточных деформаций допускаемый ресурс его эксплуатации необходимо определять, исходя из минимальной вероятности возникновения состояний критического нагружения.

7. Гидроцилиндры должны эксплуатироваться в условиях отсутствия пластических деформаций. В противном случае уже после 20−30 циклов нагружения величина остаточной деформации такова, что в 50-ти и более случаях из 100 нагрузка в месте контакта грундбуксы со штоком минимум в два раза превышает расчетную.

8. Вероятность возникновения состояний критического нагружения существенно зависит от величины износа в соединениях гидростойки. Для определения предельного износа в соединениях гидростойки необходимо использовать метод моделирования состояний критического нагружения на ПЭВМ.

9. Изменение величины зазора в соединении «цилиндр-поршень» не оказывает существенного влияния на диаметральную деформацию цилиндра от контактного давления поршня. Так увеличение зазора в этом соединении в 50 раз приводит к увеличению деформации цилиндра всего на 20 мкм. Поэтому точность деталей соединений не может быть определена с использованием методики расчета стоек и домкратов на контактную прочность.

Заключение

.

В результате проведенных исследований в диссертационной работе дано новое решение актуальной научной задачи, состоящей в установлении зависимости точности изготовления функциональных поверхностей элементов гидростойки от расчетной схемы нагружения для назначения в соединениях рациональных посадок, что позволяет повысить ресурс и надежность эксплуатации механизированных крепей. Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1. Одной из основных причин выхода из строя гидростоек (30%) является деформация их функциональных элементов, которая является следствием несоответствия фактической схемы нагружения стойки при ее эксплуатации расчетной схеме. По этой причине примерно 10% гидростоек механизированных крепей находится в состоянии критического нагружения.

2. Предложена математическая модель и установлены зависимости точности диаметральных размеров функциональных элементов гидростойки от схемы ее нагружения, деформации цилиндра под воздействием давления рабочей жидкости и износа поверхностей, позволяющие назначать посадки в соединениях с использованием методов математического моделирования состояний критического нагружения на ПЭВМ на базе разработанного программного обеспечения.

3. При давлении рабочей жидкости 40−60 МПа в гидростойках возникают состояния критического нагружения в 15−50% случаев, увеличиваются в два раза нагрузки в местах контакного взаимодействия деталей.

4. Использование предложенных методических рекомендаций по назначению посадок в соединениях функциональных поверхностей элементов гидростоек с применением ПЭВМ позволяет свести практически к нулю вероятность возникновения состояний критического нагружения в широком диапазоне давлений (Р=20−100 МПа).

После 20−30 циклов нагружения гидростойки критическим давлением величина остаточной деформации такова, что в 50% случаев нагрузка в местах контактного взаимодействия деталей в два раза превышает расчетную из-за уменьшения базы заделки, на которой воспринимается изгибающий момент.

Для первой ступени гидростойки крепи Ml38 предельный износ в соединениях «цилиндр — поршень» и «грундбуска — шток» не должен превышать 40% от первоначальной величины зазоров в соединениях. При этом вероятность возникновения состояний критического нагружения не превышает 1%, а при износе в 60% - не превышает 5%.

Методические рекомендации по назначению рациональных посадок в соединениях гидростойки и программное обеспечение для моделирования в заделке состояний критического нагружения на ПЭВМ предложены к использованию в ОАО «Малаховский экспериментальный завод» для обоснования точности при проектировании и изготовлении механизированных крепей.