» » Гидростойки индивидуальных крепей

Гидростойки индивидуальных крепей

30.08.2016

Несмотря на непрерывный рост количества комплексно-механизированных забоев (около 45% их общего количества на угольных шахтах), все еще большой объем приходится на индивидуальные крепи, из которых значительное число составляют деревянные, используемые одноразово и безвозвратно оставляемые в завалах. Применяемые в качестве индивидуальной крепи металлические гидростойки и верхняки имеют большой вес, что затрудняет их установку и транспортировку в стесненных условиях очистных забоев, в результате чего скорость возведения крепи часто отстает от скорости движения выемочных машин. Применение тяжелых гидростоек ухудшает, кроме того, условия труда рабочих.
Разработка конструкций и технологии изготовления серии гидравлических стоек из напряженного металлостеклопластика для различных условий залегания пластов Донбасса и Караганды выполнена коллективом сотрудников ИГД им. А.А. Скочинского. Ниже приводятся основные результаты этих разработок.
Гидростойки индивидуальных крепей

На рис. 7.1 показана типовая конструкция шахтной гидравлической стойки с внешним питанием, в которой полимерные композиции использованы для изготовления корпуса, выдвижной части, пяты, направляющей втулки, опорной головки. Гидростойка состоит из цилиндра 7, выдвижной части (штока) 3 с поршнем 8 и перепускной трубкой 4, предохранительно-разгрузочного клапана 2, нижней опорной пяты 9, накидной втулки 6 с центрирующей втулкой 5, верхней головки 1.
Цилиндр 7 представляет собой герметичную камеру, в рабочем состоянии находящуюся под гидростатическим давлением. Основные детали гидростойки, за исключением корпуса клапана и верхней опорной головки, изготовлены из полимерных композиций. Шток 3 относится к выдвижной части стойки и обеспечивает ее раздвижку в заданных пределах. К верхней части штока крепится клапанный блок 2, к нижнему — поршень 8.
Шток изготавливается методом контактной намотки выпускаемой промышленностью уточной титановой стеклоткани или стеклошпона с соотношением продольных и поперечных волокон 1:5 на хромированный дорн (оправку). В качестве связующего применяют модифицированную композицию на основе эпоксидной смолы ЭД-6 и клея БФ-2 с отвердителем в виде дициан-диамида.
Изготовление стеклошпона производилось на специально созданной в ИГД им. А.А. Скочинского установке НС-52, а намотка труб для шпонов — на валковой машине НС-54. Намотка стеклоткани или стеклошпона на дорн производится «в стык» с допуском ±0,5 мм к размеру наружного диаметра. Для придания штоку правильной цилиндрической формы и чистоты поверхности его формуют после намотки в специальной (разъемной) форме под прессом (р = 600—800 кН) при температуре t0 = 100—110°C в течение первых 30 мин и t1 = 195—200°С в течение последующих 2 ч. Обрезка трубы в размер штока производится после полного охлаждения изделия.
Шток гидростойки работает на осевое сжатие, и с целью повышения его устойчивости и прочности второй вариант конструктивного исполнения штока основывается на использовании в качестве оправки дюралюминиевой гильзы, которая после полимеризации на ней намотанной стеклоткани остается в готовом изделии. Это упрощает технологический процесс (не требуется дорн) и на 20—30% повышает прочность штока на сжатие.
Основной цилиндр 7 гидростойки (рис. 7.1) представляет собой металлопластиковую трубу. В качестве рабочей (внутренней) детали применяют трубу из дюралюминиевого сплава Д16Т толщиной стенки 4 мм, на которую, как на дорн, наматывается стеклопластиковая оболочка из стеклоленты ЭФ-2С продольнопоперечным способом. Стеклолента ЭФ-2С представляет собой однонаправленную ленту на основе некрученых стеклонитей с диаметром элементарного волокна 9—11 мкм, пропитанных эпоксифенольнобутварным связующим на основе клея БФ-4, фенольной смолы 214 и эпоксидной смолы ЭД-6.
Изготовление цилиндров осуществляется на специально разработанной установке ЭМ-275 в следующей последовательности: вначале намотка ленты для поперечного слоя Δ = 3 мм, затем поперечно-продольного слоя (в соотношении 1:1) до необходимого размера трубы и затем намотка облицовочных (1—2) слоев. Полимеризация таким способом изготовленных цилиндров производится при постепенном подъеме температуры от 20 до 160° С в течение 6—6,5 ч.
После полимеризации заготовку цилиндров подвергают механической обработке: дюралевую гильзу — в необходимый размер по внутреннему диаметру, а концы цилиндра — под насадку накидной втулки и пяты. Пята гидростойки (рис. 7.1, нижняя опора 9) изготавливается методом прессования из стеклопластика АГ-4НС по следующему режиму: удельное давление прессования р0=40 МПа, Тв=50—55 мин, давление подпрессовки Pпп = 7—10 МПа, количество подпрессовок 2.
Соединение пяты с цилиндром осуществляется под натягом, создаваемым прессом. Для лучшего сцепления обеих деталей на их посадочные поверхности предварительно наносится эпоксидный клей (смола ЭД-6, дибутилфталат, ПЭПА). Полимеризация осуществляется в режиме: выдержка при t0 = 18—20° С в течение Т0 = 16—18 ч, подъем температуры до t1 = 100—105°С и выдержка при ней T1 = 1,2—1,5 ч, постепенное длительное охлаждение.
Накидная втулка 6 (рис. 7.1) изготавливается из поликарбоната методом литья под давлением в специальной форме. Изготовление осуществляется на термопласт-автомате со следующим режимом: просушивание поликарбоната в термошкафу в течение 10 ч при температуре t0 = 100° С; впрыскивание поликарбоната в форму под давлением рр = 120 МПа; выдержка под этим давлением tb = 35—40 с; охлаждение в течение tk = 30—35 с. Центрирующая втулка 5 изготавливается таким же способом из сополимера формальдегида с диоксаланом (СФД). Литьевая форма подогревается до tл = 80—90° С; впрыск под давлением 80 МПа, длительность цикла 70 с.
Обоснование прочности и работоспособности разработанных деталей гидростоек из композиционных материалов выполнено как путем их расчета, так и проведения экспериментальных работ. Представляет интерес расчет прочности металлостеклопластикового цилиндра гидростойки, выполненный С.В. Мамонтовым.
Пренебрегая влиянием заделки, с одной стороны, гидростойки и арматурой перепускного клапана — с другой (принцип Сен-Венана), напряженное состояние средней части двухслойного цилиндра под действием гидростатического давления (рис. 7.2) можно определить решением плоской задачи теории упругости с функцией напряжений F(r) в виде
dF/dr = Ar + Brk + Cr-k,

где k=(Et/Er)0,5 (Et и Er — ортотропные значения модулей упругости — тангенциального и радиального соответственно); А, В, С — постоянные интегрирования, определяемые из условий на внутренней и наружной поверхностях цилиндра.
Решение уравнений равновесия в полярных координатах дает выражение для тангенциальных напряжений в трубе, наибольшее значение которых записывается формулой
Гидростойки индивидуальных крепей

Входящее сюда давление q0 на поверхности контакта стальной и стеклопластиковых труб (при r=r0, рис. 7.2) определяется из условия совместности деформаций обеих труб:
ur1 = ur2.

После подстановки выведенного значения q0 в формулу (7.1) выражение для наибольшего напряжения в стеклопластиковой трубе получает вид
Гидростойки индивидуальных крепей

где rв — внутренний радиус дюралюминиевой трубы, см; rн — наружный радиус стеклопластиковой трубы, см; r0 — радиус поверхности контакта обеих труб, см; μt и μr — коэффициент Пуассона стеклопластика в тангенциальном (t) и радиальном (r) направлениях; р — внутреннее гидростатическое давление, МПа.
Также дается вывод формул для вычисления наибольших тангенциальных напряжений в стальной трубе цилиндра (на основе анализа формул Ляме), а также технологических напряжений вследствие усадки стеклопластиковой оболочки при полимеризации. Расчеты позволили установить, что рациональная толщина стальной гильзы в металлостеклопластиковом цилиндре гидростойки составляет 1,5—2 мм, а величина оптимального давления жидкости в цилиндре ~55 МПа. В этом случае гидравлическая стойка из полимерных композиций будет в 1,7—1,8 раза легче металлической. Опытные партии около 1000 шт. гидростоек из композиционных материалов прошли испытания при работе в очистных забоях шахт Донбасса и Караганды.