Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время 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, шахтные подъемные машины и надшахтные копры, вентиляторы, калориферные установки, дробилки и грохоты обогатительных фабрик, оборудование ТЭЦ, буровых и дегазационных установок, карьерных экскаваторов и т.п.
Для выполнения тяговых операций в подавляющем большинстве случаев используются лебедки с усилием до 150 кН, канатоемкостыо от 140 до 300 м и массой до 3900 кг. В то же время уже сейчас для механизации целого ряда вспомогательных работ требуется приложение тяговых усилий 400-600 кН при относительно небольшой длине перемещения от 3 до 20 м. В указанном диапазоне перемещений эффективным является применение гидроцилиндров с гибким штоком, созданных в Управлении «Спещпахтомонтаж» производственного объединения «Карагандауголь».
Как показал опыт их использования на шахтах, применение гидроцилиндров с гибким штоком и различных устройств на их основе способствует сокращению доли ручного и тяжелого физического труда при 2...3-кратном повышении производительности монтажно-демонтажных и других вспомогательных работ. К 1992 г. 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 тяговым усилием ПО и 360 кН и рабочим ходом от 0,5 до 19 м.
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 в то время.
Поэтому обоснование рациональных параметров гидроцилиндров с гибким штоком при переводе их на давление в 32 МПа, увеличение числа типоразмеров гидроцилиндров, 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.
Идея работы заключается в повышении герметичности гибких штоков за счет применения канатов закрытой конструкции с наименьшим гидравлическим диаметром межпроволочного пространства и новых конструктивных схем узлов герметизации с подпружиненными преобразователями давления.
Научные положения, разработанные соискателем, 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 пщющгаиндров 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 ньютоновских лшдкостеи 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, выполняемого по новым конструктивным схемам, и установлении зависимостей влияния конструктивных параметров пружин и поршней преобразователей давления на контактное давление вязкопластичного материала, уплотняющего гибкий шток; в 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 типа; разработке новых конструктивных схем узлов герметизации и методических положений по их расчету; в обосновании рациональных параметров расширенного типоразмерного ряда гидроцилиндров с гибким штоком для различных тяговых и подъемно-транспортных устройств; в 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.
Реализация выводов и рекомендаций работы. 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 тшюразмерный ряд гидроцилиндров ГГШ и ГГША, для изготовления таких гидроцишшдров и включения их в состав серийно изготавливаемых комплектов мобильного гидравлического оборудования для механизации монтажно-демонтажных и аварийно-восстановительных работ.
Апробация работы. 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, МГГУ 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).
Публикации. По результатам работы опубликовано 6 статей, две из них опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий, утвержденных ВАК, и получено решение РОСПАГЕНТа о выдаче патента на изобретение.
Объем и структура работы. 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.
