Библиотека

ВЛИЯНИЕ КИНЕМАТИКИ СЕКЦИЙ И ТРЕНИЯ ПО ИХ ВНЕШНЕМУ КОНТУРУ НА ФОРМИРОВАНИЕ НАГРУЗОК В СИСТЕМЕ «ЩИТОВАЯ МЕХАНИЗИРОВАННАЯ КРЕПЬ –БОКОВЫЕ ПОРОДЫ»

Гуляев К.В., канд. техн. наук, Семенченко А.К., докт. техн. наук, Донецкий национальный технический университет

 

Рассмотрены математические модели для исследования кинематики секций щитовых крепей и рабочего процесса их взаимодействия с боковыми породами. Приведены некоторые результаты исследования влияния кинематики секций и трения на формирование нагрузок в системе «ЩМК-БП».

Анализ результатов моделирования рабочих процессов в системах «Щитовая механизированная крепь – боковые породы» (ЩМК БП) с различными типами ЩМК показал, что главными факторами, определяющими закономерности формирования нагрузок в рассматриваемых системах, являются конструктивная схема секции, реализуемые при взаимодействии с БП кинематические характеристики и силовые параметры крепи и трение по внешнему контуру секций [1]
Исследования кинематических характеристик выполнялись п.» базе математической модели «Кинематика ЩМК»:

У_К = f_К[φ₁;P_К(P_Ч,P_КС]

где У_К - выходной вектор, компонентами которого являются: координаты (Х_M, У_M) точки М, лежащей на оси шарнирного соединении перекрытия с ограждением; координаты (Х₀, У₀) точки 0 - мгновенного центра вращения ограждения; угловые координаты звеньев крепи (φ₂, φ₃, γ_C, φ_Г, γ_С1, γ_С2) угол передачи Ψ; углы γ_M и γ_S, характеризующие соответственно положения касательной и нормали к траектории движения точки М; f_К – вектор-функция преобразования входного параметра φ₁ (угла поворота ведущего звена) в век гор У_К; Р_К – вектор параметров крепи, компонентами которого являются: P_Ч, –вектор конструктивных параметров четырехзвенника и PКС – вектор конструктивных параметров секции, влияющих на кинематику и учитывающий вид расчетной схемы (двух – или четырехстоечная секция ЩМК).

Установлено, что структура и параметры четырехзвенных меха­низмов современных исследованных ЩМК удовлетворяют условиям Грасгофа, т.е. они относятся к односторонним двухкоромысловым механизмам с шатуном – ограждением. Однако соотношения конст­руктивных параметров четырехзвенников исследованных ЩМК от­личаются большим многообразием и определяют существенно раз­личные виды траектории движения точки М: В1, В2, ВЗ, В4 [1,2].

Для исследованных ЩМК отечественного и зарубежного произ­водства составлен каталог кинематических паспортов и предложена классификация по виду траектории точки М [2].
Вид и параметры траектории движения точки М можно инте­грально характеризовать переменным (в общем случае) углом γ_M между нормалью к почве и касательной к траектории точки М. Функция γ_M(φ₁) отражает закон изменения кривизны траектории (соотношения между горизонтальной и вертикальной компонентами смещений шарнира М и перекрытия) в пределах рабочего диапазона раздвижности крепи.
В ЩМК с кинематикой ВЗ на траектории оси шарнира М при­сутствуют одна или две точки перегиба кривой. В точках перегиба траектории точки М γ_M(φ₁), а сила трения между кровлей и пере­крытием меняет знак. Следовательно, данный признак позволяет учи­тывать влияние вида и параметров траектории оси шарнира М и тре­ния между кровлей и перекрытием на формирование нагрузок в системе «ЩМК-БП».
Расчетные схемы для двухсто-ечных (ПО-[0+2]) и четырехстоечных (ПО-[2+2]) ЩМК и подробные алгоритмы моделирования кинематики по зависимости (1) и рабочего процесса - по зависимости (2) рассмотрены в работах [3,4]. В качестве основной фазы рабочего цикла рассматривался режим потенцирова­ния крепью работы горного давления при реализации проектных си­ловых параметров крепи в пределах рабочего диапазона ее раздвижности. Моделирование такого режима нагружения ЩМК позволило выявить влияние особенностей кинематики секций крепи и коэффициента трения на характер изменения сил трения между кровлей и перекрытием (FП), между почвой и основанием (FОС) и закономерности формирования нагрузок в системе «ЩМК-БП».

В работах [3, 4] рассмотрены рабочие процессы и закономерно­сти формирования нагрузок при взаимодействии с боковыми породами двухстоечных (ПО-[0+2]) и четырехстоечных (ПО-[2+2]) секций с различной кинематикой, но при одинаковых значениях коэффициен­тов трения μ=0,3.
Вместе с тем представляют научный и практический интерес ре­зультаты исследований, характеризующие совместное влияние осо­бенностей кинематики секций крени и значений коэффициентов тре­ния на характер и уровень нагрузок в изучаемых системах.
Рассмотрим этот вопрос применительно к ЩМК с секциями ПО-[0+2] с траекторией В3, обусловливающей скачкообразное изменение сил в системе, и крепи с траекторией В1, при которой происходит монотонное изменение сил в системе «ЩМК-БП» в пределах рабочих диапазонов раздвижности исследуемых крепей.
Первым представительным объектом исследования ЩМК ПО-[0+2] с кинематикой вида ВЗ принята в качестве примера крепь КМ500Т (обслуживаемая мощность пластов 1,25 – 2,5 м, сопротивление секции 2460 – 3180 кН, масса секции 9056 кг). Характеристики силового взаимодействия этой крепи с боковыми породами при μ=0,3 и реализации проектных силовых параметров приведены на рис.1б.
Как видно из рис.1б, границам областей 1 и 2 (отмечены пунк­тиром ) соответствуют критические значения угла φ₁, (мощности пласта Н,м), при которых γ_M = 0.

Рисунок 1 – Формирование нагрузок в системах 2КДД-БП (а) и КМ500Т-БП(б) при μ=0,3

Вторым представительным объектом для исследования влияния коэффициентов и сил трения на формирование нагрузок в системе с секциями ПО-[0+2] с кинематикой вида В1 избрана ЩМК 2КДД (обслуживаемая мощность пластов 1,35 – 2,4; сопротивление секции 2660 – 3080 кН; масса секции 8550 кг). Её кинематический паспорт отличается тем, что в рабочем диапазоне раздвижности γγ_M(φ₁) > 0, рис.1а. Поэтому знак сил трения FП и FОС не меняется, а силовое взаимодействие крепи с боковыми породами характеризуется плавным изменением нагрузок при значениях μ =0,15-0,60.
Влияние значений коэффициента трения на формирование на­грузок в системе «ЩМК 2КДД-БП» в пределах рабочего диапазона раздвижности иллюстрируются графиками рис. 2. Анализ графиков показывает, что сила трения FП и нагрузка S при значениях φ_1В < φ₁ < φ_1Н изменяются прямо пропорционально значениям коэффициента трения. Нагрузки |Т1| и |Т2| изменяются приблизительно так же, однако степень влияния коэффициента трения с уменьшением высоты секции снижается.
Реакция R1 в зоне забойного конца перекрытия с, увеличением и возрастает линейно во всем диапазоне раздвижности. На реакцию R2 (над шарниром М) коэффициент трения оказывает наибольшее влия­ние в области 120°<φ₁< 130°, в остальной части диапазона раздвижности крепи влияние и несущественное.

Рисунок 2 –Влияние угла φ₁ и коэффициента трения μ на формирование нагрузок и реакций связей в системе «Крепь 2КДД - боковые породы»

Значительное влияние оказывает коэффициент трения и на фор­мирование реакций почвы: с увеличением μ реакция R3 у завального конца основания возрастает, а R4 снижается. При μ = 0,6 и макси­мальной высоте секции (φ_1В = 123°) реакция R4 (в зоне переднего носка основания) меняет знак, что дает основание прогнозировать воз­можность потери продольной устойчивости секции в виде «опроки­дывания» на завал. При меньших значениях ц, в том числе и при наи­более вероятном значении μ = 0,3, соотношение между R3 и R4 свидетельствует о достаточной продольной устойчивости секций ПО-[0+2] с кинематикой вида В1б при относительном снижении реакции почвы на передний носок основания.
Приведенный анализ показывает, что при увеличении коэффи­циентов трения в пределах 0,15 – 0,60 может наблюдаться, при прочих равных условиях, существенный рост силы трения Fп и внутрисекционных нагрузок. Вместе с тем, в пределах рабочего диапазона раздвижности изменение нагрузок протекает монотонно и не оказывает отрицательного влияния на состояние кровли и на нагруженность си­ловых элементов секций крепей ПО-[0+2] с кинематикой В1.

Таким образом, наиболее существенное влияние коэффициентов трения на формирование внутрисекционных нагрузок характерно для крепей ПО-[0+2] с кинематическими паспортами ВЗ, обусловливающими скачкообразное изменение направления сил трения и на­грузок в системе «ЩМК-БП». При этом в областях диапазонов раздвижности, где γ_M< 0, нагрузки T1и T2 могут в несколько раз превышать номинальное суммарное сопротивление гидростоек, рис. 16.
Для обеспечения надежности тяжело нагруженных силовых элементов шарнирного четырехзвенника и других деталей металло­конструкций ЩМК их прочностные расчеты должны выполняться с учетом особенностей кинематики секций и значений коэффициентов трения, соответствующих максимально возможным нагрузкам.

Список литературы

1.   Гуляев К.В. Обоснование кинематических и силовых параметров щитовых механизи­рованных крепей поддерживающе-оградительного типа для- очистных забоев. //Автореф. дис. ... канд. техн. наук, Донецк, ДонГТУ.-2001.-21с.
2.   Гуляев К.В., Гуляев В.Г., Семенченко А.К. Каталог кинематических паспортов щито­вых крепей и их классификация. //Науковий вісник національної гірничої академії України, 1999.-№2,-с.63-66.
3.   Гуляев К.В. Математическая модель для исследования взаимодействия щитовых кре­пей с боковыми породами //Науков! пращ Донецького державного техшчного утверситету. Випуск 16, Серія: гіпрничо-електромеханічна, Донецьк.-2000,с.92-101.
4.   Гуляев К.В. Исследование и совершенствование щитовых механизированных крепей поддерживающе-оградительного типа // Науков! пращ Донецького державного техщчного ушверситету. Випуск 27, Серія: гірничо-електромеханічна, Донецьк.-2001,-с.177-193.

Библиотека