способ защиты гидравлической стойки шахтной крепи от динамических нагрузок

Формула изобретения

Способ защиты гидравлической стойки шахтной крепи от динамических нагрузок, включающий установку элементов, компенсирующих перемещение кровли, раздвижку гидравлической стойки для передачи динамических нагрузок на нее, отличающийся тем, что динамическую нагрузку ведут через сыпучий материал, заключенный в цилиндрических пластичных оболочках, контактирующих, например, с ограждающим щитом и основанием механизированной крепи, а многократно возрастающую деформацию стенок указанных оболочек производят путем образования распирающего усилия над имеющимися на торцах гидравлической стойки плунжерами, которые размещают в цилиндрических пластичных оболочках.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к созданию шахтных гидравлических стоек, работающих в условиях динамического нагружения, и может найти применение в горном деле при изготовлении механизированных крепей и их эксплуатации, а также при изготовлении гидравлических стоек индивидуального крепления.

Общеизвестны способы защиты гидравлических стоек шахтной крепи от динамических нагрузок с применением демпфирующих устройств, срабатывающих от повышения давления в поршневой полости, и разработаны аварийные демпфирующие устройства: механические, гидравлические, пневматические, гидропневматические. Они предназначены для компенсации энергии удара и растягивания во времени нарастания давления, что должно обеспечить своевременное открытие предохранительного клапана. Обычным механическим демпфирующим элементом является пружина, резина или упругий элемент, а гидравлическим демпфирующим устройством может служить гидравлическая стойка с пустотелым штоком, что увеличивает столб жидкости, который сжимается за счет воздуха, растворенного в воде. Защиту гидравлических стоек с использованием пневматики осуществляют изменением давления в пневматических эластичных элементах, введенных в полость гидроцилиндра.

Недостатками способа защиты с использованием демпфирующих устройств является сложность конструктивного исполнения, трудность настройки на заданный режим работы и неудовлетворительная надежность защиты от динамических нагрузок.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ защиты гидравлических стоек от динамических нагрузок путем пластической деформации элементов передачи нагрузок (см., например, Б.А.Фролов, В.И. Клишин, В.С.Верин. Методы повышения адаптивности механизированных крепей. - Новосибирск, "Наука", 1983, с. 85-89).

Примером предохранительного устройства защиты гидравлических стоек от динамических нагрузок могут быть устройства, выполненные по типу срезных элементов. Гидравлическая стойка вставляется в удлинительную подпружиненную корпусную часть со срезными элементами (патент ФРГ N 1458670 от 12.03.73 г. ). Вставленная таким образом гидравлическая стойка опирается на срезные элементы, разрушающая нагрузка которых на 5-10% больше, чем полезная нагрузка, определяемая номинальным сопротивлением гидравлической стойки. В момент резкой нагрузки срезные элементы должны срезаться до повышения всплеска давления в поршневой полости гидравлической стойки, спасая ее от разрушения. После каждого срабатывания срезные элементы заменяют.

Недостатком известного способа является сложность конструктивного исполнения гидравлической стойки со срезными элементами. Кроме того, при эксплуатации необходимо заменять срезные элементы, что затруднено при их использовании в механизированных крепях.

Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение надежности работы гидравлической стойки при многократных динамических воздействиях за счет деформации цилиндрической пластичной оболочки, контактирующей с элементами передачи динамических нагружений.

Поставленная задача решается тем, что в способе защиты гидравлической стойки шахтной крепи от динамических нагрузок, включающем установку элементов, компенсирующих перемещение кровли, раздвижку гидравлической стойки для передачи динамических нагрузок на нее, согласно техническому решению динамическую нагрузку ведут через сыпучий материал, заключенный в цилиндрических пластичных оболочках, контактирующих, например, с ограждающим щитом и основанием механизированной крепи, а многократно возрастающую деформацию стенок указанных оболочек производят путем образования распирающего усилия над имеющимися на торцах гидравлической стойки плунжерами, которые размещают в цилиндрических пластичных оболочках.

Исследованиями установлено, что если в цилиндр засыпать сыпучий материал, например песок, и при помощи плунжера, перемещающегося в цилиндре с большим зазором (около 1 мм), сжимать песок, то на стенках цилиндра возникает давление. Причем максимальное давление создается на стенках цилиндра около плунжера и уменьшается по мере удаления от него. На расстоянии, равном 5-ти диаметрам цилиндра, давление на его стенки уменьшается до нуля (вся нагрузка на песок через плунжер передается на стенки цилиндра в пределах расстояния, равного 5-ти его диаметрам). Причем эпюра давления на стенки цилиндра зависит от размера частиц сыпучего материала, формы частиц, угла внутреннего трения и сцепления песка, угла трения между материалом цилиндра и песком, диаметра цилиндра, а также скорости нагружения. Чем больше скорость приложения нагрузки, тем круче эпюра нагружения.

Вышеуказанные исследования положены в основу создания способа защиты гидравлической стойки от динамических нагрузок. Торцевая часть гидравлической стойки выполняет роль плунжера, опирающегося на сыпучий материал, заключенный в цилиндрической пластичной оболочке, которая контактирует с элементами передачи динамических нагрузок, например основанием механизированной крепи или ограждающим щитом. Нагрузку от элементов передачи динамических нагрузок (основания механизированной крепи или ограждающего щита) через сыпучий материал, благодаря его фрикционным свойствам, передают на торцевую часть гидравлической стойки. Это обеспечивает надежную связь между элементами закрепления механизированной крепи и гидравлической стойкой. В то же время это дает возможность при динамических нагрузках передавать смещения элементов закрепления механизированной крепи и гидравлической стойки. Для того, чтобы смещения гидравлической стойки соответствовали перемещению кровли при динамическом воздействии, оболочку выполняют из пластичного материала типа ковкой стали или другого материала, способного к повышенному удлинению, но имеющего малые упругие свойства.

Цилиндрическая пластичная оболочка под воздействием единовременно возникающей динамической нагрузки деформируется, образуя раздув в месте максимально действующего усилия. При этом изменяются размеры этой оболочки, но она сохраняет работоспособность. В конструкции цилиндрической пластичной оболочки могут быть предусмотрены специальные элементы, способствующие ее пластическому деформированию после каждой единовременной динамической нагрузки.

Размеры цилиндрической пластичной оболочки должны обеспечивать работоспособность при многократном воздействии динамической нагрузки. Кроме того, в ее конструкции может быть предусмотрен пластический разрыв целостности отдельных ее частей в радиальном направлении после каждого динамического воздействия при сохранении работоспособности в целом.

Причем конструкция цилиндрической пластичной оболочки способна до начала пластической деформации воспринимать нагрузку на 2-10% больше, чем несущая способность гидравлической стойки. При наличии цилиндрических пластичных оболочек с обоих торцов гидравлической стойки она надежно защищена от динамических нагрузок. Выбор наличия цилиндрических пластичных оболочек определяется конкретными горно-геологическими условиями.

Пример осуществления предлагаемого способа защиты гидравлической стойки шахтной крепи от динамических нагрузок показан на фиг. 1-3, где

на фиг. 1 показана принципиальная схема реализации способа защиты гидравлической стойки шахтной крепи от динамических нагрузок;

на фиг. 2 - эпюра усилий, действующих на стенку цилиндрической пластичной оболочки в элементе передачи динамических нагрузок, установленном в верхней части крепи;

на фиг. 3 - то же в элементе передачи динамических нагрузок, установленном в нижней части крепи.

На приведенной принципиальной схеме (фиг. 1) показана гидравлическая стойка 1, состоящая из цилиндра 2 с элементами 3 привода гидравлической энергии, поршня 4, штока 5. На штоке 5 имеется плунжер 6, взаимодействующий с сыпучим материалом 7, размещенным в цилиндрической пластичной оболочке 8, которая при работе контактирует с элементами передачи динамических нагрузок, например, ограждающим щитом 9 механизированной крепи (на фиг. 1 крепь не показана).

Цилиндрическая пластичная оболочка 8 выполнена из ковкой стали, способной к повышенному удлинению, но обладающей малыми упругими свойствами. Ее диаметр обеспечивает широкоходовую посадку (зазор до 1 мм) плунжера 6.

Торцевая часть цилиндра 2 выполнена с плунжером 10, взаимодействующим с сыпучим материалом 11, размещенным аналогичным образом в цилиндрической пластичной оболочке 12, которая в свою очередь контактирует с элементами крепи, например основанием 13 механизированной крепи. Цилиндрические пластичные оболочки 8 и 12 идентичны, диаметры и длины их определяют расчетным путем и уточняют исследованиями на натурных образцах. Эти оболочки 8 и 12 могут быть выполнены с элементами (надрезами, канавками, утолщением), повышающими их работоспособность при многократных динамических нагружениях. В сыпучий материал могут вводиться вещества, изменяющие углы внутреннего трения и сцепления.

Пример осуществления способа защиты гидравлической стойки шахтной крепи от динамических нагрузок.

После очередной передвижки секции механизированной крепи через элементы 3 подводят гидравлическую энергию в цилиндр 2 гидравлической стойки 1. Поршнем 4 через шток 5 цилиндрическую пластичную оболочку 8 доводят плунжером 6 до контакта с ограждающим щитом 9. При повышении давления гидравлическая стойка 1 обеспечивает необходимое расчетное усилие для поддержания ограждающего щита 9. При этом торцевая часть гидравлической стойки 1 через плунжер 10, сыпучий материал 11, цилиндрическую пластичную оболочку 12 передает усилие на основание 13 механизированной крепи. Развиваемое усилие в гидравлической стойке 1 через плунжеры 6 и 10 будет передаваться соответственно на сыпучий материал 7 и 11.

Исследованиями установлено, что давление на стенки цилиндрических пластичных оболочек 8, 12 передается от плунжеров 6, 10 через сыпучий материал 7, 11 за счет сил трения и сцепления в нем. Причем максимальное давление создается на стенках этих оболочек 8, 12 на небольшом расстоянии от плунжеров 6, 10. Эпюры давлений на стенки цилиндрической пластичной оболочки 8 показаны на фиг. 2 (кривая 14) и оболочки 12 на фиг. 3 (кривая 15) от действия статической нагрузки, развиваемой гидравлической стойкой 1 и горным давлением. На расстоянии, равном 3-5 диаметрам этих оболочек 8, 12, давление на их стенки уменьшается до нуля.

Вся нагрузка от гидравлической стойки 1 на ограждающий щит 9 и основание 13 передается через цилиндрические пластичные оболочки 8 и 12 за счет боковой) распора сыпучим материалом 7 и 11 соответственно. Необходимо отметить, что при этом сыпучий материал 7, 11 в цилиндрических пластичных оболочках 8 и 12, находящийся ближе к ограждающему щиту 9 и основанию 13, не передает усилия от плунжеров 6 и 10.

Зона передачи усилий зависит от диаметров плунжеров 6, 10 (оболочек 8, 12) и физико-механических свойств сыпучего материала 7, 11. Изменением этих параметров можно регулировать передаваемые усилия. Параметры цилиндрических пластичных оболочек 8, 12 рассчитаны таким образом, чтобы величина усилия, на которую рассчитана гидравлическая стойка 1, была на 3-10% ниже ее возможности, т.е. в этих оболочках 8, 12 не должны происходить необратимые деформации. Исследованиями установлено, что при передаче усилия плунжерами 6, 10 через сыпучий материал 7, 11 цилиндрических пластичных оболочек 8, 12 при динамических нагружениях эпюры действующих усилий аналогичны статическим и отличаются только интенсивностью нарастания и снижения усилий.

При динамическом нагружении через ограждающий щит 9 над плунжером 6 образуется распирающее усилие - кривая 16 (фиг. 2), величина которого может быть значительно больше прочностных характеристик цилиндрической пластичной оболочки 8, и, по мере нагружения, последняя будет деформироваться в виде местного раздува 17 (фиг. 1). При этом будет компенсироваться перемещение ограждающего щита 9 при почти неподвижном плунжере 6. Так как гидравлическая стойка 1 обладает заданной несущей способностью, часть перемещений плунжера 6 совместно с гидравлической стойкой 1 будет передаваться на плунжер 10. Динамическую нагрузку на плунжер 10 будет компенсировать распирающийся сыпучий материал 11 в цилиндрической пластичной оболочке 12. Эпюра усилий - кривая 18 (фиг. 3) - на стенки этой оболочки 12 будет несколько меньше, но может быть достаточной для деформации в виде раздува 19 (фиг. 1).

Конструкция цилиндрических пластичных оболочек 8 и 12 обеспечивает многократную возрастающую деформацию стенок. Кроме того, в конструкции могут быть предусмотрены элементы в виде надрезов, канавок, утолщений и т.п., обеспечивающие направленное пластическое деформирование вплоть до изменения целостности при обеспечении работоспособности.

Таким образом гидравлическая стойка 1, снабженная податливыми конструкциями в виде цилиндрических пластичных оболочек 8, 12, заполненных сыпучим материалом 7, 11, обеспечивает надежную защиту от динамических нагрузок.