Гидроцилиндры механизированных крепей угольных шахт

Основными элементами секций механизированных крепей угольных шахт являются гидроцилиндры – гидравлические стойки и гидравлические домкраты. Стойки предназначенные для поддержки перекрытия, поджима консолей к кровле и создания сопротивления опусканию кровли. Гидродомкрат передвижения является составной частью механизма перемещения секции и конвейера.

В состав многих механизированных крепей, которые производятся и применяются в Украине, входят двухступенчатые гидростойки (гидроцилиндры двойного выдвигания, рис. 10.6, табл. 10.1).

Таблица 10.1

Техническая характеристика двухступенчатых гидростоек механизированных крепей

Рис. 10.6. Двухступенчатая гидростойка (гидроцилиндр двойного выдвигания) механизированных крепей: 1 – втулка; 2, 13 – манжета малогабаритная двусторонняя; 3, 14, 19, 21 - кольцо защитное; 4, 11 - манжета малогабаритная; 5, 12 – кольцо; 6, 10 – кольцо пружинное; 7, 9 – очиститель; 8 – втулка; 15 – цилиндр; 16 – плунжер; 17 – шток; 18, 20 – манжета двустороннего действия; 22 – пружина; 23 – упор; 24 – кольцо плотнящее; 25 – толкатель; 26 – гайка; 27 – шарик; 28 - седло

Продолжение рис. 10.6.

Цилиндр 15 стойки изготовлен из термически обработанной стали. К цилиндру приварены бонка и тройник для подачи рабочей жидкости в бесштоковую (поршневую) и штоковую полости стойки. Внутренние поверхности цилиндра 15 и плунжера 16 обработанные с высокой степенью чистоты. Кромки цилиндра 15 и плунжера 16 округляют и зачищают для предотвращения повреждения уплотнений при их установке.

Внешняя поверхность плунжера 16 и штока 17 хромированне. В нижней части плунжера 16 приварено дно с резьбовым отверстием для установки обратного клапана.

В нижней части плунжера 16 и штока 17 установлены манжеты двустороннего действия 18, 20 с защитными кольцами 19, 21, которые уплотняют бесштоковые (поршневые) и штоковые полости стойки.

Верхняя часть штока 17 заканчивается сферической опорой и отверстием под ось для соединения с перекрытием.

При подаче рабочей жидкости в бесштоковую (поршневую) полость цилиндра 15 начинает выдвигаться плунжер 16, толкатель 25 отрывается от дна цилиндра и пружина 22 прижимает шарик 27 к седлу 28, закрывая обратный клапан. Плунжер16 выдвигается к упору во втулку 8.

В дальнейшем давление в бесштоковой (поршневой) полости цилиндра 15 повышается, открывается обратный клапан, рабочая жидкость попадает в бесштоковую (поршневую) полость плунжера 16 и выдвигает шток 17 к упору во втулку 1.

При подаче рабочей жидкости в штоковую полость происходит сначала сложение плунжера 16 до упора толкателя 25 в дно цилиндра, после чего открывается обратный клапан и происходит опускание штока 17.

Конструкция механизма перемещения, основной составляющей которой является гидравлический домкрат (рис. 10.7, табл. 10.2), позволяет проводить подтяжку секции крепи бесштоковой (поршневой) полостью гидродомкрата, то есть большим усилием гидроцилиндра, а передвижение конвейера – штоковой, и разгружает гидродомкрат от боковых нагрузок.

К одному концу цилиндра 8 приварена головка с отверстием для присоединения домкрата к раме, другой конец имеет канавку для установки кольца 1, удерживающего грундбуксу 3 от выдавливания из цилиндра при подаче рабочей жидкости под давлением в штоковую полость.

Внешняя поверхность штока 7 хромируется для предотвращения коррозии.

В головку штока 7 вварена трубка, противоположный конец которой выведен через специальное кольцо и заварен на конце штока. Трубка служит каналом для питания бесштоковой (поршневой) полости гидродомкрата. Питание штоковой полости домкрата проводится через отверстие, которое соединяет штоковую полость с внутренней полостью штока, которая соединена с соответствующим каналом.

Рис. 10.7. Гидравлический домкрат механизированных крепей: 1 – кольцо пружинное; 2 – очиститель; 3 – грундбукса; 4, 12 – кольцо защитное; 5 – манжета; 6, 10 – кольцо уплотняющее; 7 – шток; 8 – цилиндр; 9 – замок; 11 - манжета двустороннего действия; 13 – поршень; 14 – пробка; 15, 16 – кольцо

Таблица 10.2

Техническая характеристика гидравлических домкратов механизированных кріпей

Поршень и грундбукса имеют латунные пояса для предотвращения повреждения внутренней поверхности цилиндра и рабочей поверхности штока.

Поршень13 закреплен на штоке 7 замком 9. Уплотнение между штоком 7 и поршнем 13 выполнено уплотняющим кольцом 10 с двумя подкладными кольцами 16.

На поршне 13 установлена манжета двустороннего действия 11 с защитными кольцами 12, что обеспечивает уплотнение поршневой и штоковой полостей гидродомкрата. Кольцо 6 уплотняет зазор между цилиндром 8 и грундбуксой 3. Уплотнение штоковой полости выполняется манжетой 5 с защитным кольцом 4. Для предотвращения износа манжеты 5 применяется очиститель 2.

По принципу действия гидродомкрат относится к гидроцилиндрам с односторонними штоками двустороннего действия.

10.5. Мембранные и сильфонні гидроцилиндры

Мембранные и сильфонные гидроцилиндры находят применение преимущественно в гидроавтоматике в качестве исполнительных механизмов. Рабочая камера мембранного гидроцилиндра образована корпусом и эластичной мембраной, сильфонного гидроцилиндра – внутренней поверхностью сильфона.

10.5.1. Мембранные гидроцилиндры

Мембранный гидроцилиндр состоит из корпуса, фланцами которого по периферии зажимается круглая эластичная мембрана, которая изготовляется преимущественно из резинотканевого материала (рис. 10.8). Внешняя нагрузка воспринимается центральной частью мембраны, которая, как правило, имеет жесткий центр .

а) б)

Рис. 10.8. Схемы мембранных гидроцилиндров с мембраной плоского (а) и гофрированного (б) типов

Упругая часть мембраны изготовляется плоской (рис. 10.8, а) или гофрированной (рис. 10.8, б). Хотя плоская мембрана проще в изготовлении, но ход гидроцилиндра с такой мембраной значительно меньше, чем с гофрированной мембраной, а ее эффективная площадь склонна к интенсивному изменению при перемещении центральной части.

Под эффективной площадью мембраны понимают такое ее значение, при умножении которого на перепад давления на мембране, получают толкающую силу гидроцилиндра

. (10.14)

Стабильность значения эффективной площади мембраны по длине хода цилиндра является основным показателем качества мембранного гидроцилиндра, так как ее изменение приводит к переменной величине толкающей силы и погрешностей в работе мембранных механизмов.

Эффективная площадь мембраны зависит от ряда факторов – жесткости ее материала, хода цилиндра, перепада давлений и др., учет которых достаточно сложен. Поэтому расчет площади проводят с рядом допущений с последующей экспериментальной проверкой.

Для определения эффективной площади мембраны без жесткого центра всю ее площадь условно разбивают на ряд равнобедренных треугольников, связанных вершинами в центре мембраны (рис. 10.9). Центр давления каждого равнобедренного треугольника расположен на расстоянии от его основы, которое равняется высоты треугольника. Приняв, что каждый треугольник площадью имеет опоры в вершине и по своей основе, значение опорных реакций на равнодействующую силу давления жидкости распределятся обратно пропорционально их расстоянию до центра давления. То есть, реакция на силу давления в вершине треугольника составит , а по основе треугольника - .

Рис. 10.9. Расчетная схема плоской мембраны

Исходя из изложенного, принимают, что на центр мембраны без жесткого центра передается суммарное усилие от всех треугольников , которое и определяет величину толкающей силы

, (10.15)

где - общая рабочая площадь мембраны ( - диаметр круга зажима мембраны в корпусе).

Приравняв (10.14) и (10.15), определим величину эффективной площади мембраны

. (10.16)

Следует иметь в виду, что кроме оговоренных допущений при определении эффективной площади мембраны без жесткого центра и ее толкающей силы , принято постоянство параметров, которые характеризуют физические качества материла мембраны (модуль упругости, коэффициент Пуассона и др.).

Для увеличения эффективной площади мембраны и, соответственно, ее толкающей силы , в центре устанавливают жесткую опору диаметром (рис. 10.8, а), площадь которой превышает эффективную площадь , рассчитанную согласно (10.16).

Выделим на упругой плоской поверхности мембраны кольцо с элементарной площадью с расстоянием от центра , которое равняется . Элементарная сила давления жидкости на кольцо с элементарной площадью составляет

,

элементарные реакции на которую в жестком центре и узлах крепления мембраны в корпусе соотносятся обратно пропорционально их расстоянию до центра давления. Исходя из принятого допущения, элементарная толкающая сила, которая возникает на жестком центре мембраны от действия сил давления жидкости на упругое кольцо элементарной площадью , составляет

,

где и - радиусы соответственно жесткого центра и круга зажима мембраны в корпусе.

Толкающая сила на жестком центре от действия сил давления жидкости на упругое полотно мембраны площадью определяется интегралом

,

решение которого с учетом и позволяет получить

.

Толкающая сила на жестком центре от действия сил давления жидкости собственно на жесткий центр мембраны площадью равняется

.

Суммарная толкающая сила на жестком центре плоской мембраны составляет

,

то есть при заданном перепаде давлений на мембране ее сила зависит от соотношения диаметров и , а эффективная площадь такой мембраны определяется уравнением

.

Более стабильные значения величин эффективной площади , а, значит, и толкающей силы в процессе работы имеет мембранный гидроцилиндр с гофрированной мембраной (рис. 10.8, б), однако и в этом случае они зависят от хода жесткого центра и перепада давлений на мембране. В общем случае при расчетах мембранных гидроцилиндров используют поправочный коэффициент ( - действительная эффективная площадь мембраны), котрый для мембран с прорезиненной эластичной ткани принимают равным: при - ; - ; - [2].

10.5.2. Сильфонные гидроцилиндры

Сильфонные гидроцилиндры (рис. 10.10) используются при малых значениях ходов, что позволяет изготовлять их стенки из однослойных и многослойных металлов. Многослойные металлические сильфоны сравнительно с однослойными имеют значительно больший ход при тех же толщинах стенок, размерах и нагрузках. При небольших давлениях сильфоны изготовляют также из резины, фторопласту и др.

а) б)

Рис. 10.10. Схемы сильфонных гидроцилиндров

Максимальный ход металлического сильфона обычно не превышает 25% его свободной длины, причем из них 15% отводится на сжатие, а 10% - на растягивание. При значительном числе ходов изменение длины сильфона ограничивается 10%.

При нагрузке сильфонов внешним давлением его значения может быть на 25÷30% большим, чем при внутренней нагрузке.

Толкающую силу сильфонного гидроцилиндра при действии внутреннего давления приблизительно, без учета жесткости сильфона, определяют выражением

,

где - перепад давлений на сильфоне;

- эффективная площадь сильфона ;

- средний диаметр гофр сильфона ;

и - внешний и внутренний диаметры гофр; при изготовлении придерживаются соотношения .

Сильфоны в основном изготовляют развальцовкой тонкостенных бесшовных труб (рис. 10.10, а) или сваркой торцов отдельных фасонных колец (мембран) (рис. 10.10, б). Сварные сильфоны допускают более значительную общую деформацию на один гофр, то есть обеспечивают больший общий ход сварного сильфонного гидроцилиндра сравнительно с развальцованым из бесшовных труб.