Обоснование и выбор конструктивных и режимных параметров гидроцилиндров с гибким штоком для монтажа-демонтажа горношахтного оборудования

Принятая в 2003 г. Правительством Российской Федерации «Энергетическая стратегия РФ на период до 2020 г.» нацелена на существенное увеличение угледобычи и повышение угольной составляющей в энергетическом балансе страны. При этом научно-техническая и инновационная политика Правительства в угольной отрасли предусматривает коренное техническое перевооружение угледобывающего производства.

В угольной и горнорудной промышленности проводится множество работ, связанных с монтажом, демонтажом и ремонтом различных конструкций, сооружений и оборудования угледобывающего и перерабатывающего комплекса. При выполнении подобных работ зачастую приходится иметь дело с тяжеловесным и крупногабаритным оборудованием, таким как: очистные механизированные комплексы, проходческое оборудование, подъемные машины и надшахтные копры, вентиляторы, калориферные установки, дробилки и грохоты обогатительных фабрик, оборудование ТЭЦ, буровых установок, карьерных экскаваторов и т. п.

Для выполнения тяговых операций в подавляющем большинстве случаев используются лебедки с тяговым усилием до 150 кН, канатоемкостью от 140 до 300 м и массой до 3900 кг. В то же время уже сейчас для механизации целого ряда монтажно-демонтажных и аварийно-восстановительных работ требуется приложение тяговых усилий 400−600 кН при относительно небольшой длине перемещения от 3 до 20 м. Однако, повышение до подобного уровня тяговых усилий механизмов вращательного действия, реализующих поступательное перемещение в результате многоступенчатого преобразования энергии, сопряжено со значительным увеличением габаритных размеров и массы устройств. Это оправдывается при большой длине перемещения, но является нерациональным в указанном диапазоне относительно небольших перемещений, где более эффективным является применение гидроцилиндров с гибким штоком.

Отличительные особенности конструкций таких гидроцилиндров заключаются в использовании гибкого штока, способного отклоняться на необходимый угол при помощи блока, и составного корпуса, состоящего из быстроразъемных секций. Это дает возможность многократно увеличить длину рабочего хода штока по сравнению с обычными гидроцилиндрами и применять их в стесненных шахтных условиях.

Решение научно-технических вопросов эффективной герметизации наружной поверхности и межпроволочного пространства гибкого штока, изготавливаемого из каната закрытой конструкции, а также уплотнения поршня, проходящего через стыки гильз в секционном корпусе, позволило довести рабочее давление водомасляной эмульсии до 20 МПа, и в восьмидесятых годах разработать конструкцию и освоить выпуск гидроцилиндров двух типоразмеров с номинальным тяговым усилием 110 и 360 кН и рабочим ходом от 0,5 до 19 м. К 1992 г. Управлением «Спецшахтомонтаж» было изготовлено и внедрено на шахтах ПО «Карагандауголь», а также апробировано в горнотехнических условиях шахт 17 других производственных объединений Минуглепрома СССР более 1500 гидроцилиндров с гибким штоком.

Они применялись для механизации основных и вспомогательных работ по монтажу-демонтажу и ремонту оборудования угледобывающих механизированных комплексоввыравниванию и удержанию секций мехкомплексов от сползания на наклонных пластахперемещению штрекового оборудованияизвлечению арочной металлокрепи и леса из выработанного пространства. На базе длинноходовых гидроцилиндров с гибким штоком разработаны конструкции: нескольких типов кранов и подъемно-транспортных устройств, примененных для сборки-разборки секций мехкомплексов в подземных условиях, погрузки-разгрузки и сортировки шахтного оборудования, транспортировки грузов по вертикальным гезенкам и скатамсиловой оснастки для передвижки надшахтных копров. Как показал опыт использования на шахтах, применение гидроцилиндров с гибким штоком и различных устройств на его основе, способствует сокращению доли ручного и тяжелого физического труда при 2−3-кратном повышении производительности монтажно-демонтажных и других вспомогательных работ.

Однако выпускаемая в 80−90-х годах линейка гидроцилиндров с односторонним и двухсторонним гибким штоком состояла всего из двух типоразмеров, а именно ГГШ-20/90 и ГГШ-33/160, с помощью которых приходилось закрывать потребности разрабатываемых тяговых и подъемно-транспортных устройств, зачастую с вынужденно завышенными тяговыми и габаритно-весовыми характеристиками. К тому же эти гидроцилиндры были рассчитаны на работу при номинальном давлении 20 МПа, применявшемся в гидросистемах большинства механизированных комплексов того времени.

Поэтому перевод гидроцилиндров с гибким штоком на давление в 32 МПа, характерное для современного горношахтного оборудования, увеличение количества типоразмеров гидроцилиндров для различных средств механизации монтажно-демонтажных работ, реализующих более широкий диапазон номинальных тяговых усилий при одновременном снижении весовых показателей, является актуальной научной задачей.

Целью работы являются обоснование и выбор конструктивных и режимных параметров гидроцилиндров с гибким штоком для монтажа-демонтажа горношахтного оборудования путем установления закономерностей влияния на герметичность особенностей структуры канатных гибких штоков и конструктивных схем узлов герметизации.

В связи с этим в диссертации решались следующие задачи: теоретическое обоснование условий обеспечения внутренней герметичности межпроволочного пространства при повышении рабочего давления и сравнительный анализ рациональности применения различных канатов закрытой конструкции в качестве гибких штоков для силовых гидроцилиндров;

— анализ известных конструктивных схем узлов герметизации и синтез конструкций новых узлов герметизации, использование которых позволит повысить герметичность и расширить типоразмерный ряд гидроцилиндров;

— определение передаточных характеристик узлов герметизации, обеспечивающих герметичность наружной поверхности гибкого штока на всем диапазоне изменения рабочих давлений;

— математическое моделирование и теоретическое обоснование параметров новых конструктивных схем узлов герметизации;

— обоснование рациональных режимно-конструктивных параметров и разработка расширенного типоразмерного ряда гидроцилиндров с гибким штоком для тяговых и подъемно-транспортных устройств;

— разработка новых технологических схем применения гидроцилиндров с гибким штоком при выполнении монтажно-демонтажных и аварийно-восстановительных работ на угольных и горнорудных предприятиях.

Научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

— характеристикой проницаемости внутренней структуры канатного гибкого штока, рассматриваемого как уплотненное вязкопластичным материалом пористое тело, находящееся под воздействием перепада давления рабочей жидкости, может служить гидравлический диаметр межпроволочного пространства, зависящий от числа слоев навивки каната, конфигурации проволочек, их суммарных периметров и площадей сечения;

— отклонения фактических диаметров канатных гибких штоков от номинальных значений в пределах нормируемых 2-процентных значений вызывают на порядок большие относительные изменения их гидравлических диаметров и это необходимо учитывать, как при выборе типа каната в процессе проектирования гидроцилиндров с гибким штоком для заданных режимных, конструктивных и реологических параметров, так и при отборе канатных заготовок при изготовлении гибких штоков;

— математическая модель узла герметизации гибкого штока гидроцилиндра, выполняемого по новой конструктивной схеме, отличающаяся тем, что она учитывает дополнительное действие упругих элементов в виде пружин на преобразователь давления рабочей жидкости для увеличения давления вязкопластичного материала, уплотняющего гибкий шток и сопротивление эластомерного сальника, поджатие которого предопределяется воздействием пружин и соотношением площадей поршней преобразователя давления;

— использование пружин в узлах герметизации позволяет понизить величину соотношения рабочих площадей входной и выходной полостей преобразователей давления, пропорционально уменьшить контактные давления вязкопластичного материала и эластомерных сальников, что дает возможность повысить номинальное давление и тяговую способность гидроцилиндров с гибким штоком.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждены исследованиями, базирующимися на апробированных методах теоретической и прикладной механики, теории течения неньютоновских жидкостей и вязкопластичных сред, научных основах герметологии и гидропривода. Сходимость теоретических и экспериментальных данных при величине относительной ошибки не выше 0,1 составляет 95%.

Научное значение работы заключается в разработке математической модели для узлов герметизации гибкого штока гидроцилиндра, выполняемых по новым конструктивным схемам, и установлении зависимостей влияния конструктивных параметров пружин и поршней преобразователей давления на контактное давление вязкопластичного материала, уплотняющего гибкий штокв установлении закономерностей изменения гидравлического диаметра в зависимости от отклонений фактического диаметра канатных гибких штоков относительно номинальных значений, обосновании предельно допустимого значения гидравлического диаметра для заданных режимных, конструктивных и реологических параметров.

Практическое значение работы состоит в разработке методических рекомендаций по выбору канатов и составлении справочной таблицы значений гидравлических диаметров известных канатов закрытого типаразработке новых конструктивных схем узлов герметизации и методических положений по их расчетув обосновании рациональных параметров расширенного типоразмерного ряда гидроцилиндров с гибким штоком для различных тяговых и подъемно-транспортных устройствв разработке технологических схем для новых областей их использования и рекомендаций по составу мобильных гидросиловых комплектов для выполнения монтажа-демонтажа оборудования и ведения аварийно-восстановительных работ.

Методические рекомендации по выбору канатов и расчету новых узлов герметизации при проектировании гидроцилиндров с гибким штоком использованы предприятиями ЗАО «ЭНЕРПРЕД-Гидравлик», г. Москва, и ЗАО «ЭНЕРПРЕД», г. Иркутск, при разработке технической документации на типоразмерный ряд гидроцилиндров ГГШ и ГГША, для изготовления таких гидроцилиндров и включения их в состав серийно изготавливаемых комплектов мобильного гидравлического оборудования для механизации монтажно-демонтажных и аварийно-восстановительных работ.

Основные положения и содержание работы были доложены и обсуждены: на международных научных симпозиумах «Неделя горняка» — в 2008 и 2009 гг. (г. Москва, МГГУ) — на девятой и десятой межвузовских научно-технических конференциях студентов и молодых ученых «Подъемно-транспортные, строительные, дорожные и путевые машины и робототехнические комплексы» — в 2005 г. (г. Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана) и в 2006 г. (г. Москва. МГАВТ) — на техническом совете ЗАО «Энерпред» — в 2008 г. (г. Иркутск) — на технических советах ЗАО «Энерпред-Гидравлик» — в 2007, 2008 и 2009 гг. (г. Москва).

По результатам выполненной работы опубликовано 6 статей, две из них опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий, утвержденных ВАК, и получено одно решение о выдаче патента на изобретение.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 147 страницах машинописного текста, включает 56 рисунков и 9 таблиц, список использованных источников из 110 наименований и приложения.

4.5. Выводы по главе.

1. При проектировании ГТШ следует учитывать два значения нормируемых коэффициентов запаса прочности канатного гибкого штока: для тяговых операций — 3,0- для операций по подъему и удержанию грузов — 6,0. Это позволит минимизировать номенклатуру гибких штоков, диаметров гильз и штоковых уплотнений.

2. Потенциальная ориентировка сразу на два возможных номинальных давления 32 и 16 МПа при выработке рациональных параметров типоразмерного ряда гидроцилиндров с гибким штоком, может дать возможность унификации основных изготавливаемых деталей, и использования их для соседних типоразмеров при сборке гидроцилиндров, применяемых соответственно в тяговых и подъемных устройствах, а также для использования в аварийно-восстановительных комплектах гидросилового оборудования.

3. Обоснованы конструктивные соотношения между диаметрами гибких штоков и внутренними диаметрами гильз корпуса гидроцилиндров на базе которых разработан расширенный типоразмерный ряд гидроцилиндров с гибким штоком ГГШ для тяговых и подъемно-транспортных устройств с номинальными тяговыми усилиями от 33 до 2009 кН, который может быть реализован за счет применения в гидроцилиндрах с гибким штоком всего шести типоразмеров гибких штоков, а также семи типоразмеров гильз корпуса и поршневых уплотнений.

4. Перевод гидроцшшндров с гибким штоком на номинальное давление 32 МПа и использование новой конструкции ГГШ позволит уменьшить относительный вес стальных гидроцилиндров на единицу реализуемого тягового усилия в 1,7−2,3 раза по сравнению с базовыми образцами.

5. Применение алюминиевых сплавов в конструкциях ГГША позволит дополнительно снизить вес в 1,5−1,7 раза по сравнению гидроцилиндрами изготовленными из стали.

6. Разработаны новые технологические схемы применения гидроцилиндров на монтажно-демонтажных работах, а также при ведении аварийно-восстановительных и аварийно-спасательных работ в составе мобильных комплектов гидросилового оборудования и приспособлений, в сочетании с гидродомкратами нескольких типов или гидродинамическим оборудованием и гидроинструментом.

7. Применение комплектов гидросилового оборудования с использованием гидроцилиндров с гибким штоком на предприятиях угольной и горнорудной промышленности при выполнении монтажно-демонтажных работ с тяжеловесным и крупногабаритным оборудованием, а также для ведения аварийно-восстановительных работ в труднодоступных местах, даст возможность обеспечить ручную доставку достаточно мощного гидросилового оборудования в зону их проведения и выйти на новый уровень реализуемых усилий, что позволяет прогнозировать повышение производительности и эффективности выполнения таких работ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных исследований в диссертационной работе дано решение актуальной научной задачи по установлению закономерностей влияния на герметичность гидроцилиндров с гибким штоком особенностей структуры канатов закрытого типа и конструктивных схем выполнения узлов герметизации для обоснования рациональных конструктивных и режимных параметров при разработке расширенного типоразмерного ряда гидроцилиндров с гибким штоком для монтажно-демонтажных и аварийно-восстановительных работ.

Выполненные исследования позволили сделать следующие выводы и получить результаты:

1. Новая математическая модель узла герметизации гибкого штока гидроцилиндра, выполненного по вновь синтезированной и запатентованной конструктивной схеме, позволяет учитывать дополнительное действие упругих элементов в виде пружин на преобразователь давления рабочей жидкости в увеличенное давление вязкопластичного материала, уплотняющего гибкий шток и сопротивление эластомерного сальника, поджатие которого предопределяется воздействием пружин и соотношением площадей поршней преобразователя давления;

2. Полученные зависимости для расчета передаточных характеристик новых конструктивных схем узлов герметизации с подпружиненными преобразователями давления, дают возможность устанавливать рациональные параметры ступенчатых поршней и пружин, способствующих обеспечению герметичности наружной поверхности гибких штоков на всем диапазоне изменения рабочих давлений и скоростей перемещения при минимальном превышении контактного давления.

3. Для характеристики проницаемости внутренней структуры канатного гибкого штока, рассматриваемого как уплотненное вязкопластичным материалом пористое тело, находящееся под воздействием перепада давления рабочей жидкости, может служить гидравлический диаметр межпроволочного пространства, зависящий от числа слоев навивки каната, конфигурации проволочек, их суммарных периметров и площадей сечения.

4. Изменения наружного диаметра канатных гибких штоков, даже в пределах нормируемых отклонений, оказывают существенное влияние на их гидравлический диаметр и это необходимо учитывать, как при проектировании гидроцилиндров, так и при отборе канатных заготовок до и после их герметизации при изготовлении гибких штоков.

5. Предложенный методический подход к количественной оценке структуры каната может быть рекомендован при выборе типа и рациональных параметров канатов закрытой конструкции для задаваемых режимных, конструктивных и реологических параметров гидроцилиндров с гибким штоком.

6. В результате экспериментальных исследований на опытном стенде установлены оптимальные величины осевого зажатия полиуретановых втулок, в зависимости от контактного давления вязкопластичного материала на гибкий шток и определены рациональные соотношения диаметров втулок и ступенчатых поршней, что позволит обоснованно назначать их размеры при проектировании гидроцилиндров с канатным гибким штоком.

7. Повышение герметичности гидроцилиндров с гибким штоком за счет выбора рациональной конструкции каната и снижение реализуемых контактных давлений в узлах герметизации, выполняемых по новым конструктивным схемам, позволяет повысить номинальное давление до 32 МПа и способствует увеличению тяговой способности при одновременном снижении весовых показателей по сравнению с серийными образцами гидроцилиндров с гибким штоком.

8. Обоснованные конструктивные соотношения между диаметрами гибких штоков и внутренними диаметрами корпусов позволяют сформировать расширенный типоразмерный ряд гидроцилиндров с гибким штоком для тяговых и подъемно-транспортных устройств с номинальными усилиями от 33 до 2009 кН, реализуемый при использовании шести типоразмеров гибких штоков и семи типоразмеров корпусов.

9. Предложенные новые технологические схемы применения стальных и алюминиевых гидроцилиндров с гибким штоком при выполнении монтажно-демонтажных работ с тяжеловесным и крупногабаритным оборудованием, в том числе и в составе мобильных комплектов гидросилового оборудования для ведения аварийно-восстановительных работ в стесненных и труднодоступных местах, могут быть эффективно использованы на предприятиях угольной и горнорудной промышленности.

10. Результаты исследований и методические рекомендации по выбору канатов и расчету новых узлов герметизации гидроцилиндров с гибким штоком использованы предприятиями ЗАО «ЭНЕРПРЕД-Гидравлик», г. Москва, и ЗАО «ЭНЕРПРЕД», г. Иркутск, при разработке технической документации на изготовление гидроцилиндров для включения их в состав серийных комплектов мобильного гидравлического оборудования для механизации монтажно-демонтажных и аварийно-восстановительных работ.