Effect of uncertainty in basing hydraulic prop rod on dimensional wear of its basic surfaces

Силовые гидроцилиндры являются основными несущими элементами механизированных комплексов горнодобывающих предприятий, с помощью которых обеспечивается надежная фиксация кровли в требуемом рабочем положении, а также осуществляется продвижение шахтной крепи в забое. Таким образом, силовые гидроцилиндры обеспечивают безопасность выполнения очистных работ, в связи с чем к ним предъявляют жесткие требования и по качеству изготовления, и по эксплуатационной надежности. При этом состояние рабочих поверхностей элементов гидроцилиндров играет решающую роль в обеспечении должного ресурса ответственных соединений. Общие технические требования к изготовлению гидростоек в механизированных крепях и основные параметры регламентируются стандартами [1–3].

Как показывает производственная статистика, основные отказы шахтных крепей в большинстве случаев обусловлены нарушением герметичности соединений гидроцилиндров из-за износа сопряженных поверхностей, что вызывает утечку рабочей жидкости и соответственно потерю работоспособности несущего узла. Последнее может стать причиной обрушения кровли, вызвать аварийную ситуацию и даже привести к человеческим жертвам. Все это требует проведения систематического мониторинга состояния уплотнительных элементов, своевременной замены вышедших из строя гидроцилиндров на новые или отремонтированные [4–6].

Известно, что восстановительный ремонт силовых гидроцилиндров в условиях специализированных ремонтных мастерских – процесс достаточно трудоемкий и дрогостоя-щий. При этом качество восстановленных поверхностей, к примеру, зеркала цилиндра, рабочих поверхностей штока, не должно уступать соответствующим показателям новых деталей, поскольку эти поверхности и определяют должные ресурс и несущую способность соединений. Требуемая точность соединений гидростоек достигается селективной сборкой методами групповой и межгрупповой взаимозаменяемости. Данная технология сборки позволяет обеспечить соответствие заданным техническим требованиям и ресурс соединений [7–12]. Вместе с тем наряду с вопросами обеспечения точности сборки для обеспечения должной безопасности работы в забоях чрезвычайно важным является анализ причин изменения относительного положения деталей соединений гистостойки в процессе эксплуатации, их позиционных отклонений от требуемого положения, появления перекосов под нагрузкой, оказывающих значительное влияние на напряженное состояние, процесс износа деталей и ресурс соединений [13, 14].

Вследствие наличия зазора в подвижных соединениях гидроцилиндра отклонения положения штока гидростойки проявляются как неопределенность его базирования, которая происходит по причине неорганизованой смены баз, возникающей в результате упругих перемещений и деформаций в гидростойке под действием нагрузки на ее рабочих поверхностях.

I ГОРНЫЕ НАУКИ

I Ж И ТЕХНОЛОГИИ

2020;5(3):201-207

МИСиС

Национальный исследовательский технологический университет

Для выявления и однозначного математического описания схем базирования деталей и узлов используем метод идентификации и моделирования баз [11, 12, 15, 16].

Координаты положения опорных точек детали или узла можно разделить на две группы: плановые координаты ( X i , Y i , Z i ), определяющие расположение опорных точек на трех базирующих поверхностях (вид в плане на базирующую поверхность), и нормальные координаты ( А х i , A y i , A z i ), определяющие отклонения опорных точек в перпендикулярном к базирующим поверхностям направлении.

Если нормальные координаты опорных точек сгруппировать по базам и записать в последовательности уменьшения точек на базах, то получим матрицу-столбец Т нормальных координат, которая однозначно определяет схему базирования и расположение точек на координатных плоскостях.

Основными базами гидростойки, определяющими ее положение в механизированной крепи, являются две полусферы (рис. 1), что позволяет стойке самоустанавливаться под действием внешней нагрузки, обеспечивая таким образом требуемую кинематическую гибкость.

Рис. 1. Схемы базирования элементов гидростойки :

1 - цилиндр; 2 - шток; 3 - поршень; 4 - грундбукса

Это означает, что стойка базируется по схеме с использованием двойной направляющей базы (см. рис. 1), которая описывается строчной матрицей:

T = (А х 1 , А х 2 , А у з , А у 4 , А г 5 , А у б ). (1)

Согласно (1) составляющие (Ах 1, Ах2, Ауз, Ау4) являются нормальными координатами опорных точек двойной направляющей базы, роль которой выполняет ось 0Z, а составляющие Аг5, Ау6 являются нормальными координатами опорных точек опорных баз, которыми являются плоскости X0 Y (Аг5) и X0Z (Ау6).

Самоустановку стойки по основанию обеспечивают опорные точки (А х 1 , А у з ), а са-моустановку по перекрытию - опорные точки (А х 2 , А у 4 ).

2020;5(3):201-207

Таблица 1

Схемы положения и расчетные формулы, определяющие отклонения штока и поршня в гидростойке

№ схемы	Схема положения в цилиндре поршня и штока при смене баз	Описание неорганизованной смены баз матрицами нормальных координат
1	—/—Г—ЧМи	Схема базирования: T = (A x i , A x 2 , А у з , А у 4 , A z 5 , А у б ); значения нормальных координат: A x 1 = 0,5 S п ; А у з = 0,5 S „ ; A x 2 = 0,5 S ш ; А у 4 = 0,5 S ш ; угол отклонения оси штока: a = 2^ ' ( 5 " + 5 ■ + $ ")
2	Г 1 -—1— Lmu	Схема базирования: T = (A x 1* , A x 2* , А у з* , А у 4* , A z 5 , А у б ); значения нормальных координат: A x 1* = S ш ; А у з* = S ш ; A x 2* = S ш ; А у 4* = S ш ; угол отклонения оси штока: S a, = —ш 2 В
3	-fl Jib	Схема базирования: T = (A x 1‘ , A x 2, А у з‘ , А у 4 ‘ ,A z 5 , А у б ); значения нормальных координат: A x 1’ = S вт ; А у з’ = S вт ; A x2' = S вт ; А у 4’ = S вт ; угол отклонения оси штока: a = 5 п 3 С

Примечание. M u - изгибающий момент, действующий на шток; F - нормальная нагрузка на детали соединений, возрастающая в результате перекоса штока; 1 , 2 - опорные точки - зоны критического нагружения на деталях соединений.

2020;5(3):201-207

В свою очередь, базирование поршня и

А х 2 * = 5 ш ; А у 4 * = 5 ш .        (9)

штока в гидроцилиндре также осуществляется с использованием двойной направляющей базы (табл. 1):

T = (А х 1 , А х 2 , А у з , А у 4 , A z 5 , А у б ), (2)

где (А х 1 , А у з ) - нормальные координаты опорных точек, определяющих положение (центрирование) поршня в цилиндре; (А х 2 , А у 4 ) -

Верхний символ « ∗ » означает, что элементы матрицы (7) определяют базирование по грундбуксе (точки 1 и 2).

Согласно схеме № 3 неорганизованная смена баз приводит к тому, что базирование штока и поршня происходит только по внутренней поверхности цилиндра:

нормальные координаты опорных точек, определяющих положение (центрирование) штока в грундбуксе.

При правильном базировании (см.

рис. 1) каждый элемент (А х 1 , А у з ) равен половине диаметрального зазора S п между поршнем и цилиндром:

А х 1 = 0,5 5 п ; А у з = 0,5 5 п ,        (3)

а элементы (А х 2 , А у 4 ) равны половине диаметрального зазора 5 ш между штоком и грундбуксой:

А х 2 = 0,5 5 ш ; А у 4 = 0,5 5 ш .     (4)

Однако под действием переменной нагрузки имеет место неорганизованная смена баз поршня и штока, которую можно представить тремя схемами, представленными в табл. 1.

Согласно схеме № 1 неорганизованная смена баз приводит к одностороннему контакту поршня и штока, при котором зазор выбирается с одной стороны и имеют место равенства:

А х 1 = 5 п ; А у з = 5 п ;              (5)

А х 2 = 5 ш ; А у 4 = 5 ш .            (б)

Согласно схеме № 2 неорганизованная смена баз приводит к тому, что базирование штока и поршня происходит только по грундбуксе (точки 1 и 2):

T = (А х 1 * , А х 2 * , А у з * , А у 4 , А 5 , А у б ),   (7)

при одностороннем контакте штока с поверхно стью грундбуксы:

А х 1 * = 5 ш ; А у з * = 5 ш ;        (8)

T = (А х 1 ‘ , А х 2 ' , А у з ‘ , А у 4 , A z 5 , А у б ), (10)

при одностороннем контакте поршня с поверхностью цилиндра:

А х 1 ‘ = 5 вт ; А у з ‘ = 5 вт ;             (11)

А х 2 ‘ = 5 вт ; А у 4 ’ = 5 вт ,            (12)

где 5 вт - диаметральный зазор «карман цилиндра - внешняя поверхность грундбуксы» («карман цилиндра - грундбукса»).

С учетом численных значений параметров конструкции А, Б, С отклонения оси штока от вертикали a t , a 2 , а з , обусловленные неорганизованной сменной баз, можно рассчитать по формулам, приведенным в табл. 1.

Выводы

Установлено, что наличие зазоров в соединениях «цилиндр - поршень» и «грундбукса - шток» приводит к неопределенности базирования поршня и штока. Использование аналитической теории баз позволяет определить численные значения возникающих при этом угловых и линейных отклонений деталей соединения в зависимости от принятых конструктивных параметров А, Б, С.

При неорганизованной смене баз действующая в гидростойке нагрузка передается не по рабочим поверхностям деталей соединения, а через малые по площади опорные точки, вызывая в местах контакта повышенные напряжения и, как следствие, локальный интенсивный износ, что приводит к снижению ресурса гидростойки.

2020;5(3):201-207

М.: Стандарты; 1985. 4 с.

2020;5(3):201-207