Гидроцилиндры механизированных крепей (гидростойки)

В шахтных механизированных крепях применяются гидроцилиндры специального назначения (гидростойки). Гидростойками поддерживается верхнее перекрытие крепи, создается рабочее сопротивление опусканию пород кровли и в случае необходимости активный подпор при передвижении секции крепи.

В настоящее время получили распространение одно-, двух-, трех-, четырех-, пяти- и шестистоечныс секции. Чаще всего секции механизированных крепей выполняются двух- или четырехстоечными, [10] .

Рисунок 1.27 – Типовая схема подключения гидростойки к системе гидропривода механизированной крепи

Рисунок 1.28 – Рабочая характеристика гидростойки

Принцип работы и схема подключения (рис. 2.26) всех гидростоек механизированных крепей одинаковы. Они заключаются в следующем. Вначале в поршневую полость ПП гидростойки по магистрали 8–5–6–7 подается рабочая жидкость под давлением Р_н.с, определяемым давлением, развиваемым насосной станцией системы гидропривода механизированной крепи. При этом гидростойка ГС начинает воздействовать на породы кровли с усилием N_н.р, которое называется усилием начального распора. Разгрузочный клапан PK (гидрозамок) отсекает поршневую полость гидростойки от напорной магистрали 8. По мере увеличения горного давления породы кровли оседают, опускаясь со средней скоростью 3—5 мм/ч. Гидростойка оказывает сопротивление опусканию пород кровли, при этом увеличивается давление рабочей жидкости в поршневой полости ПП гидростойки (линия АВ на рис. 2.27), происходит сжатие рабочей жидкости и упругая деформация цилиндра стойки, сопровождающиеся опусканием выдвижной части гидростойки на величину ΔS_у с одновременным увеличением усилия сопротивления опусканию пород кровли.

В этот период (линия АВ) гидростойка работает в режиме нарастающего сопротивления, предохранительный ПК и (см. рис 2.23) разгрузочный PK клапаны закрыты, и ее длина изменяется только за счет упругой податливости. При дальнейшем опускании пород кровли давление в поршневой части ПП гидростойки повышается до настроечного давления срабатывания предохранительного клапана ПК – происходит его срабатывание. Гидростойка работает в режиме так называемого постоянного сопротивления (линия ВС), оказывая сопротивление опусканию пород кровли с усилием рабочего сопротивления

(2.50)

где D – диаметр цилиндра гидростойки; Р_п.к – давление срабатывания предохранительного клапана ПК, определяемое его настройкой.

При этом работа предохранительного клапана гидростойки характеризуется величиной разброса ±Δр давления рабочей жидкости в поршневой полости гидростойки при срабатывании (открывании и закрывании) предохранительного клапана.

Длина гидростойки изменяется за счет гидравлической податливости, определяемой количеством рабочей жидкости, прошедшей через предохранительный клапан ПК из поршневой полости ПП гидростойки. Для контроля величины давления в поршневой полости ПП гидростойки служит индикатор давления ИД.

Для передвижения секций крепи на новое рабочее место по мере выемки угля гидравлическая стойка разгружается. Для этого рабочая жидкость под давлением подается по магистрали 1–2–3–4 в штоковую полость ШП гидростойки и по магистрали 2–2 в разгрузочный клапан РК, открывая выход рабочей жидкости из поршневой полости ПП на слив по гидромагистрали 7–6–5–8. Происходит опускание выдвижной части гидростойки принудительно под действием рабочей жидкости, поступающей под давлением по магистрали 1–2–3–4 в штоковую полость ШП гидростойки.

Гидростойка может разгружаться полностью с потерей контакта верхнего перекрытия с породами кровли в процессе передвижения или частично со снижением давления в поршневой полости до заданного предела, регулируемого специальным подпорным клапаном.

В последнем случае перекрытие в процессе передвижения не теряет контакта с породами кровли.

После окончания процесса передвижения в поршневую полость гидростойки подается рабочая жидкость под давлением Р_н.с, стойка распирается с усилием начального распора N_н.p и цикл ее работы повторяется.

В отдельных случаях, когда при передвижении секции необходимо сохранить контакт верхнего перекрытия с породами кровли независимо от изменения мощности пласта, в поршневую полость гидростойки подается рабочая жидкость с заданным давлением активного распора.

Площадь фигуры OABCD (см. рис. 2.27) на графике определяет работу гидростойки по сопротивлению опусканию пород кровли.

Величина упругой податливости гидростойки ΔS_у состоит из двух составляющих:

ΔS_у = ΔS_сж+ΔS_с, (2.51)

где ΔS_сж – опускание выдвижной части стойки от упругого сжатия столба жидкости, заключенного в поршневой полости гидростойки; ΔS_с – опускание выдвижной части стойки от упругого расширения стенок цилиндра.

Упругое приращение Δr радиуса r внутреннего отверстия цилиндра гидростойки с наружным радиусом R при действии давления Δр = Р_п.к-Р_н определяется по формуле

(2.52)

где Е – модуль упругости материала и цилиндра; μ – коэффициент Пуассона.

Обозначив получим

Δr = Δр (А+μ). (2.53)

Опускание выдвижной части гидростойки:

а) от упругой деформации стенок цилиндра

(2.54)

б) от упругого сжатия столба жидкости

(2.55)

где β_t – коэффициент объемного сжатия жидкости; V – объем сжимаемой жидкости; - высота столба сжимаемой жидкости.

Тогда, обозначив получим

(2.56)

В целях унификации гидростоек (ОСТ 12.44.096-78) установлены основные параметры для механизированных крепей очистных забоев пологих (до 35°) пластов, приведенные в табл 1.19

Таблица 1.19 – Основные параметры гидростоек механизированных крепей очистных забоев по ОСТ 12.44.096-78

П р и м е ч а н и е. Параметры в скобках применять только в технически обоснованных случаях.

Все гидростойки механизированных крепей по способу их раздвижности (рис. 1.29) следует разделить на три основные группы: с одинарной гидравлической раздвижностью, с гидровинтовой (механической) раздвижностью и с двойной гидравлической раздвижностью [10].

Первый тип гидростоек обычно применяется для пластов средней мощности и мощных.

Стойки с гидровинтовой раздвижностью кроме гидравлической имеют еще и винтовую раздвижность. Стойки с гидромеханической раздвижностью кроме гидравлической имеют еще и ступенчатую раздвижность с помощью специального выдвижного штока. Они применяются тогда, когда гидравлической раздвижности недостаточно для настройки гидростойки по мощности пласта.

Гидростойки с одинарной и двойной гидравлической раздвижностью по роду своего исполнения бывают плунжерные и поршневые.

Плунжерные гидростойки – одинарного действия. У них только подъем выдвижной части (начальный распор) осуществляется под действием давления рабочей жидкости, а опускание – под действием собственного веса или каких-либо механических устройств (например, пружин или отдельного гидроцилиндра на всю секцию и др.).

Поршневые гидростойки – двойного действия. У них подъем и опускание выдвижных частей осуществляются принудительно под действием давления рабочей жидкости.

Гидростойки с двойной гидравлической раздвижностью могут быть выполнены по различным конструктивным схемам (рис. 1.30):

а) ступенчатого сопротивления (рис. 1.30, а), когда при опускании пород кровли рабочее сопротивление гидростойки вначале определяется усилием, возникающим на второй ступени стойки, а затем суммарным усилием первой и второй ступеней. Преимуществом такого устройства гидростойки является простота конструкции, а недостаток их — ступенчатое сопротивление, когда при большой мощности пласта гидростойка работает с меньшим рабочим сопротивлением, а при меньшей мощности пласта – с большим рабочим сопротивлением. При такой конструкции недостаточно используются масса и размеры гидростойки;

Рисунок 1.29 – Схемы устройства гидростоек:

а – с одинарной гидравлической раздвижностью, плунжерные и поршневые; б – с гидровинтовой раздвижностью; в – с гидровинтовой раздвижностью; г – с двойной гидравлической раздвижностью

Рисунок 1.30 – Схемы устройства гидростоек с двойной гидравлической раздвижностью

б) постоянного сопротивления с встроенным обратным клапаном (рис.1.30, б) — это наиболее распространенная и рациональная схема устройства гидростойки с двойной гидравлической раздвижностью. При этой схеме устройства гидростойки ее рабочее сопротивление постоянно. Выдвижение происходит в первую очередь первой ступени, и только после исчерпания ее хода – второй ступени, что обеспечивает лучшую работу гидростойки. Это достигается наличием в днище 1 цилиндра стойки первой ступени встроенного обратного клапана 2.

При подаче рабочей жидкости под давлением в поршневую полость первой ступени вследствие предварительного сжатия пружины обратный клапан закрыт и вначале всегда выдвигается поршень стойки первой ступени. Только, когда гидравлический ход поршня первой ступени исчерпан, давлением рабочей жидкости открывается обратный клапан и начинается выдвижение поршня второй ступени.

При полном опускании первой ступени происходит автоматическое открывание обратного клапана, хвостовик которого упирается в днище цилиндра первой ступени, после этого про­исходит опускание выдвижной части второй ступени.

Несмотря на некоторое усложнение конструкции, такая схема устройства гидростойки с двойной гидравлической раздвижностью является одной из лучших и рациональных, при которой наиболее полно используется масса и размеры стойки и обеспечивается более эффективная ее работа по сопротивлению опускания пород кровли.

Для обеспечения нормального режима работы .механизированной крепи необходимо контролировать фактическое давление рабочей жидкости в поршневой полости гидростойки с помощью индикаторов давления типа ИД (рис. 1.31).

Индикатор давления типа ИД – это по сути загрубленный пружинный манометр, контролирующий давление в поршневой полости гидростойки, приспособленный к тяжелым условиям работы в очистном забое.

Разработаны две конструкции индикаторов давления: ИД-13 – конструкции ИГД им. А. А. Скочинского и ИД.000 – конструкции института «Гипроуглемаш»

Индикатор давления ИД-13 (см. рис.1.31, а) устроен следующим образом. В корпусе 1 по направляющей втулке 2 перемещается плунжер 3, уплотняемый кольцом 4. Плунжер 3 упирается в торец индикаторного стержня 5, цилиндрический хвостовик которого выполнен разрезным, состоящим из двух половин 6. Стержень 5 прижимается к втулке 2 двумя цилиндрическими пружинами 7 и 8. Направляется хвостовик стержня5 завальцованной в кожух 11 втулкой 9 с уплотнительным кольцом 10.

Рисунок 1.31 – Конструкция индикаторов давления ИД:

а – ИД -13 конструкции ИГД им. А.А. Скочинского; б – ИД-000 конструкции института «Гипроуглемаш»

При подаче давления плунжер перемещается и соответственно выдвигаются обе половины хвостовика индикаторного стержня. Если в процессе работы гидростойки давление достигает какого-то максимума, а затем снижается, то одна половина хвостовика остается на уровне максимального давления,а другая половина соответствует уровню фактического давления.

На выдвигающемся хвостовике индикаторного стержня имеются четыре кольцевые риски, которые в зависимости от исполнения индикатора ИД-13 эквивалентны следующим интервалам давлений:

В зависимости от числа появившихся кольцевых рисок можно судить о величине давления в поршневой полости гидростойки.

Индикатор давления позволяет своевременно обнаружить микроутечки в системе гидростойки и знать величину фактического сопротивления стойки.