ЗАМОК УЗЛА ПОДАТЛИВОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ РАМНОЙ ПОДАТЛИВОЙ КРЕПИ ИЗ ШАХТНЫХ СПЕЦПРОФИЛЕЙ
FLEXIBILITY ASSEMBLY LOCK OF METALLIC FRAME YIELDING SUPPORT FROM MINE SPECIAL SECTIONS

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к горнорудной и угольной отрасли, в частности к устройствам силового замыкания узлов податливости, скользящих при максимальной нагрузке соединений элементов арочных податливых металлических рамных крепей, выполненных из шахтных спецпрофилей для предотвращения обрушения окружающих пород, сохранения необходимых размеров поперечных сечений коммуникаций, а также управления горным давлением.
Уровень техники.
Известно, что для крепления и поддержания горных выработок угольных, рудниковых и сланцевых шахт применяются арочные жесткие и податливые металлические рамные крепи. Жесткие крепи применяются главным образом в условиях с постоянным и небольшим горным давлением. Арочные податливые рамные крепи являются универсальным инженерным сооружением, применяемым в сложных горно-геологических условиях, при возможном значительном влиянии очистных работ на геометрическую форму и величину поперечных сечений коммуникаций и подготовительных выработок.
Главным и существенно важным преимуществом рамных податливых крепей является их возможность воспринимать смещения горных пород при возрастании горного давления посредством относительного перемещения составляющих элементов.
Рама податливой крепи образована из звеньев (элементов), выполненных из шахтных спецпрофилей, и ей может придаваться функциональная геометрическая форма в зависимости от назначения выработки и ожидаемых проявлений горного давления. Несущие элементы рамной податливой крепи выполняются в виде прямолинейных стержней в сочетании со звеньями, очерчиваемыми кривыми второго порядка, эквидистантными геометрии прокладываемой выработки с возможностью восприятия сжимающих и изгибающих нагрузок при включении арки в работу по поддержанию.
Функция элементов арочных податливых металлических рамных крепей заключается в восприятии и перераспределении давления со стороны горного массива на окружающие выработку породы, создание подпора на контуре с минимизацией смещений пород внутрь и конвергенции боковых сторон коммуникаций.
Несущий элемент рамной крепи - верхняк, воспринимающий нагрузку со стороны кровли выработки, передает ее на сопряженные с ним, посредством различного типа замковых соединений, несущие элементы - стойки. В незамкнутых конструкциях рамных крепей стойки опираются своими концами на почву горной выработки, а в замкнутых - на нижний несущий элемент, называемый лежень.
Наиболее распространенными формами арок рамных крепей являются кольцевая (циркульная), подковообразная, овоидная, эллиптическая; значительно реже встречаются сводчатая и трапециевидная формы (см. В.Н.Каретников, Б.Клейменов, А.Г.Нуждихин. Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. Справочник. - М.: Недра, 1989. - 571 с.: ил.). Обычно, в сложных горно-геологических условиях применяют многозвенные (трехзвенные, пятизвенные) металлические рамные податливые крепи (см. Б.А.Грядущий, Н.А.Алиев, В.Б.Грядущий. Критерии, определяющие возможности интенсификации отработки месторождений полезных ископаемых. В сборнике научных трудов: Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. Часть 1; Государственный Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности МакНИИ. Макеевка-Донбасс, 2004. стр.106…118).
Трехзвенные металлические рамные податливые крепи рекомендуются для горных выработок с ожидаемым смещением пород кровли до 500 мм. Пятизвенные металлические рамные податливые крепи применяются в основном для горных выработок с ожидаемым смещением пород кровли более 500-1000 мм.
Работоспособность крепи во многом зависит от принятой конструкции соединений (узлов) несущих звеньев. Среди них следует различать жесткие, шарнирные, податливые и комбинированные. Соединения грузонесущих элементов друг с другом не только должны воспринимать все усилия, возникающие в крепи, но и обеспечивать необходимую деформационную характеристику крепи. Жесткое соединение элементов является наиболее простым по конструкции и обеспечивает неподвижную фиксацию контактирующих элементов в узлах податливости. Шарнирное соединение элементов дает возможность их взаимного поворота в плоскости рамы с заданным изгибающим моментом, равным в обычных соединениях моменту сил трения в шарнире. Если соседние элементы крепи соединены податливо, то в зависимости от конструкции такого соединения («узла» или «замка» податливости) один из них или оба могут перемещаться в продольном направлении, если продольная сила превышает сопротивление податливости. От характеристики замка податливости зависит работоспособность крепи в целом. Количество и место расположения того или иного соединения должно определяться особенностями взаимодействия крепи с массивом. Наибольшее распространение получили податливые и шарнирные соединения. Жесткие соединения преобладали главным образом в устаревших конструкциях и почти вышли из употребления.
Согласно приведенному описанию конструкции рамная крепь состоит из большого числа элементов различного функционального назначения, которые должны, взаимодействуя друг с другом и массивом горных пород, обеспечить эксплуатационную устойчивость выработки в различных горно-геологических условиях.
Работоспособность, деформационно-силовые характеристики и конструктивная податливость металлических рамных крепей, а также область их эффективного применения всецело зависят от числа, месторасположения и конструкторско-технологической эффективности соединений их звеньев.
Наиболее распространенным методом силового замыкания звеньев рам из спецпрофилей в узлах податливости, соединяемых внахлестку, является применение замков различного конструктивного исполнения.
Замки узла податливости, применяемые повсеместно, состоят из скоб, сформированных из стального проката цилиндрического сечения, П-образной формы с резьбовыми концами, планок с отверстиями и гаек, соединенных между собой таким образом, что при смещении массива горных пород происходит их взаимное скольжение с одновременным изменением поперечного сечения рамы. Скольжение звеньев податливой рамной крепи в узлах податливости зависит от рабочей характеристики желобчатых спецпрофилей, из которых они изготовлены, и обусловлено формой их поперечного сечения и материалом. Звенья крепи на участках сопряжения фиксируются замками с определенным усилием, граничная величина которого зависит от конструктивных особенностей самих замков, технологического их исполнения, масс-центровочных характеристик сечения спецпрофилей.
Работа податливой арочной крепи в режиме поддержания во многом зависит от параметров рабочей характеристики замка, основное назначение которого состоит в том, чтобы при его затяжке создать стабильные усилия трения между сопряженными в узлах податливости поверхностями элементов из шахтных спецпрофилей.
Этим и обусловливается основное требование к крепи как к инженерно-техническому сооружению, обеспечивающему поддержание горной выработки: взаимное скольжение элементов, сформированных из спецпрофилей, в податливом режиме должно осуществляться с обеспечением стабильного рабочего сопротивления крепи, без потери эквидистантности ее геометрии контуру выработки, с возможностью восприятия сжимающих и изгибающих нагрузок при включении арки в работу.
Таким образом, величина и стабильность сопротивления рамы податливой крепи наряду с формой поперечного сечения и материалом спецпрофилей существенно зависит и от конструкции замков узлов податливости и их функциональной возможности осуществлять силовое замыкание при сопряжении составляющих элементов.
В горнодобывающей и угольной промышленности нашли применение в основном два типа замков узлов податливости - болтового и клинового типов (см. Б.А.Маркович Шахтная металлическая крепь и способы ее массового производства. - М.: Недра, 1974. с.7, рис.3, с.8, рис.4, с.5, рис.5). Наиболее широкое распространение получили замки узлов податливости болтового типа трех известных видов АПЗ.ОЗО, ЗСД и ОЗШ-1 (см. «Рамные крепи горных выработок». Обзорная информация и справочные материалы». Донецк: ЦБНТИ, ДонУГИ Госуглепрома Украины, 1992, с.3-4, рис.3-а, рис.3-б, рис.3-в, см. также Г.Г.Литвинский, Г.И.Гайко, Н.И.Кулдыркаев Стальные рамные крепи горных выработок. - К.: Техника, - 1999, с.87, рис.3.9, с.91, рис.3.12, с.92, рис.3.13).
Замок АПЗ.ОЗО узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей включает два хомута, каждый из которых содержит плоскую планку с отверстиями, и крепежную скобу П-образной формы с резьбовыми концами, пропущенными через отверстия планки, расположенные между ними внахлестку внутренний и внешний спецпрофили и гайки (см. «Рамные крепи горных выработок», обзорная информация и справочные материалы». Донецк: ЦБНТИ, ДонУГИ Госуглепрома Украины, 1992, с.3-4, рис.3-а, аналог).
Этот замок универсален, прост конструктивно и технологичен при серийном производстве. Однако он, при прочих равных условиях, имеет низкую надежность при эксплуатации. Усилия, возникающие от трения скоб и планок относительно перемещающихся спецпрофилей и вызывающие перекос скоб, достаточно велики, чтобы растянуть скобы и даже вызвать их разрыв.
При этом разрыв происходит на самом нагруженном участке - в переходной зоне от резьбового соединения к цилиндрической части П-образной скобы, то есть в районе плоской планки, что приводит к полному разрушению замка и, соответственно, узла сопряжения элементов рамной крепи. Кроме того, при работе крепи в податливом режиме, при возникновении перекоса замков недостаточно жесткая планка изгибается, крепежная скоба вытягивается, происходит резкий сброс сопротивления крепи, что также приводит к разрыву крепежных скоб на резьбовых концах, динамическому срыву гаек и разрушению замка.
Основным недостатком замка АПЗ.ОЗО является ограниченная область его применение по фактору податливости. Конструктивные особенности замка не позволяют получить при его установке в узле податливости требуемого усилия трения между сопряженными поверхностями элементов крепи, при этом участок податливости не превышает величины 500 мм. Установка же двух замков и увеличение длины сопряжения элементов (нахлест концов звеньев) резко усложняют технологию возведения, монтаж замков, металлоемкость и, соответственно, стоимость крепи.
Таким образом, этот замок не только не обеспечивает заданное рабочее сопротивление крепи в податливом режиме, имеет малую величину участка податливости (не более 500 мм), но даже не гарантирует целостность его конструкции (15-50% замков разрушаются, что приводит к потери рабочего сопротивления крепи).
Замок ЗСД узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей представляет собой двойной хомут, который содержит фигурную планку с отверстиями и две сблокированные с помощью подкладки и расположенные под углом друг к другу крепежных скобы П-образной формы с резьбовыми концами, пропущенными через отверстия фигурной планки, расположенные между ними внахлестку внутренний и внешний спецпрофили и гайки. Фигурная планка изготавливается из специального профильного проката ПЗС-20. («Рамные крепи горных выработок». Обзорная информация и справочные материалы. Донецк: ЦБНТИ, ДонУГИ Госуглепрома Украины, 1992, с.3-4, рис.3-б, см. также Г.Г.Литвинский, Г.И.Гайко, Н.И.Кулдыркаев. Стальные рамные крепи горных выработок. - К.: Техника, - 1999, с.91, рис.3.12, аналог).
Замок ЗСД универсален, имеет достаточную прочность и высокую надежность. Однако он обладает относительно повышенной податливостью, что в рабочем режиме приводит к ослаблению конструкцию крепи и требует периодического подтягивания гаек, а необходимость применения специального профильного проката ПЗС-20 вызывает увеличение номенклатуры деталей, снижение технологичности, надежности и повышение себестоимости. В узле податливости серийной крепи предусмотрена установка одного такого замка. Поскольку один такой замок обеспечивает очень узкий участок зажатия сопрягаемых элементов крепи, узел податливости во время действия изгибающего момента приобретает функцию шарнира и начинает работать по принципу шарнирного соединения, что сопровождается разрывной деформацией одного из сопряженных спецпрофилей.
К основному недостатку замка ЗСД как и замка АПЗ.ОЗО относится ограниченность области его применения по фактору величины податливости вследствие конструктивных особенностей: малого участка охвата, относительно невысокой жесткости и вследствие этого небольшого усилия трения между сопряженными поверхностями элементов крепи. В совокупности это для замка ЗСД не позволяет получить величину податливости более 500 мм. В связи с этим для условий поддержания при необходимости повышения величины рабочего сопротивления и податливости крепи возникает потребность установки в узле податливости двух таких замков, что увеличивает стоимость крепи, а в традиционных арочных крепях типа АП-3, АП-5 (см. В.Н.Каретников, Б.Клейменов, А.Г.Нуждихин Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. Справочник. - М.: Недра, 1989. с.52, с.54, рис.3.4) становится невозможным, так как повышение рабочего сопротивления крепи приводит к уменьшению ее запаса прочности и надежности.
Замок ОЗШ-1 узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей включает два хомута, каждый из которых содержит фигурную планку с отверстиями и крепежную скобу П-образной формы с резьбовыми концами, пропущенными через отверстия фигурной планки, расположенные между ними внахлестку внутренний и внешний спецпрофили и гайки («Рамные крепи горных выработок», обзорная информация и справочные материалы, ЦБНТИ ДонУГИ Госуглепрома Украины, Донецк, 1992, с.3-4, рис.3-в, аналог).
Этот замок обеспечивает более высокую надежность работы крепи в податливом режиме - участок податливости достигает величин более 500 мм, но он не технологичен в изготовлении и сложен при монтаже. Кроме того, конструктивно этот замок менее универсален, так как фигурная планка должна иметь конфигурацию охватываемого спецпрофиля, что в связи с большой номенклатурой спецпрофилей требует расширения типоразмерного ряда фигурных планок. Кроме того, для этого замка свойственна упруго-пластичная податливость концов фигурной планки, поворот концевых частей ее относительно оси крепежной скобы в пределах монтажного зазора, что приводит к эксцентричному нагружению резьбовых соединений в плоскости планки и гаек. При затягивании резьбовых соединений торцы гаек располагаются под углом к опорным плоскостям, а сами резьбовые соединения нагружаются как осевым усилием, так и дополнительно изгибающим моментом. В результате, в резьбовых соединениях крепежной скобы и гаек возникает сложное напряженное состояние - растяжение с изгибом, что приводит к разрыву одного из резьбовых концов крепежной скобы по внутреннему диаметру резьбы, снижению нагрузочной способности, а также к снижению уровня стабильности рабочего сопротивления крепи в целом.
Известен замок узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей, включающий скобу и фигурную планку со скосом и выступом, контактирующим со стенкой фланца спецпрофиля («Замок податливости для крепи из спецпрофиля», Авторское свидетельство СССР №1263872, А1, МПК-4: E21D 11/22, авторы В.П.Макаров, И.Б.Ильина, Ю.А.Белоглазов, В.Я.Мининберг, заявл. 02.01.1985, опубл. 15.10.1986, бюл. №38, аналог). Этот замок близок по конструкции к замку ОЗШ-1, но частично избавлен от вышеназванных недостатков. Для повышения стабильности рабочего сопротивления замка скос планки выполнен с приливом, а планка установлена с возможностью взаимодействия поверхности прилива с фланцем одного из соединяемых спецпрофилей.
Недостатками этого замка являются низкая технологичность, громоздкость, большая металлоемкость и сложность сборки узла податливости, что повышает его себестоимость. Вызвано это тем, что фигурная планка замка, которая осуществляет силовое замыкание конструкции, может быть изготовлена только из специального проката сложного профиля. Кроме того, фигурная планка замка не обеспечивает стабильную работу узла податливости при изменении нагрузки на крепь, как и не обеспечивает значительную величину податливости. Объясняется это тем, что фигурная планка замка имеет сложную пространственную конфигурацию и технологическую неаутентичность взаимообратных сторон, что приводит к ее деформации, потере работоспособности при высоких нагрузках и снижению надежности узла податливости.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по назначению, числу общих признаков и достигаемому результату является замок узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей, содержащий планку с отверстиями и крепежную скобу П-образной формы с резьбовыми концами, пропущенными через отверстия планки, расположенные между ними внахлестку внутренний и внешний спецпрофили, гайки, а также усилители-стабилизаторы, установленные между планкой и фланцами внутреннего спецпрофиля, отличающиеся тем, что стабилизаторы выполнены в виде двух полых равновеликих призматоидов, боковые стороны которых сформированы равнобочными или прямоугольными трапециями, контактирующими между собой контурами большого из оснований, в верхних основаниях которых сформированы отверстия, через которые пропущена П-образная скоба, боковая поверхность одного из призматоидов контактирует с наклонной боковой стенкой спецпрофиля, одновременно при этом плоскость основания призматоида опирается в планку замка, а с диаметрально противоположной стороны плоскость основания другого призматоида введена в распор с фланцем шахтного спецпрофиля («Замок узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей», заявка на изобретение Российской Федерации №2009129189/03 от 29.07.2009 г., МПК E21D 11/22, авторы Алиев Н.А., Акопов С.Г., Алиев П.Н. Положительное решение Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) по заявке от 13.04.2010 г.).
Этот замок характеризуется более высокой надежностью и меньшей себестоимостью изготовления по сравнению с предыдущей конструкцией. В нем реализовано силовое замыкание конструкции в целом, исключена возможность изгиба планки и, соответственно, эксцентричное нагружение болтового соединения, приводящего к разрушению резьбового конца скобы и часто вызывающего тяжелые травмы и обрушение крепи. Кроме того, в описываемом замке осуществлена стабилизация и увеличение усилия прижима элементов крепи в продольном направлении - вдоль контура рамы, что позволяет увеличить величину податливости в пределах 1000…1200 мм.
Достигается это тем, что в замке узла податливости металлической рамной крепи из шахтных спецпрофилей, содержащем планку с отверстиями и крепежную скобу П-образной формы с резьбовыми концами, пропущенными через отверстия планки, расположенные между ними внахлестку внутренний и внешний спецпрофили, гайки, усилители-стабилизаторы согласно изобретению, выполнены в виде двух полых равновеликих призматоидов, боковые стороны которых сформированы прямоугольными или равнобочными трапециями, контактирующими между собой контурами большего из оснований, в верхних основаниях которых сформированы отверстия, через которые пропущена П-образная скоба, боковая поверхность одного из призматоидов контактирует с наклонной боковой стенкой спецпрофиля, одновременно при этом плоскость основания второго призматоида опирается в планку замка, а с диаметрально противоположной стороны плоскость основания другого призматоида введена в распор с фланцем шахтного спецпрофиля («Замок узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей», заявка на изобретение Российской Федерации №2009129189/03 от 29.07.2009 г., МПК E21D 11/22, авторы Алиев Н.А., Акопов С.Г., Алиев П.Н. Положительное решение Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) по заявке от 13.04.2010 г.). Упругое сопряжение каждого из призматоидов между собой опорными гранями, формирующими большее из оснований по контуру в миделевом сечении усилителя-стабилизатора, позволяет компенсировать неравномерность продольной нагрузки на узел податливости, увеличить контакт элементов по фланцам спецпрофилей в продольном направлении - вдоль рамы, с увеличением податливости крепи в пределах 1000…1200 мм.
Таким образом, в указанном патенте решена задача обеспечения жесткости рамы в продольном направлении с частичным увеличением ее податливости при обеспечении упруго-деформационных характеристик замка узла податливости и стабильности его работы в составе крепи.
Однако предложенное решение конструктивно и технологически сложно: для создания замкнутой пространственной системы усилителя-стабилизатора требуется специальный раскрой заготовки каждого из элементов, образующих замок (Заявка на изобретение Российской Федерации №2009129189/03 от 29.07.2009 г., МПК E21D 11/22, Положительное решение Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам по заявке от 13.04.2010 г.). При этом также необходима полная аутентичность по расположению и пространственной ориентации взаимообразующих поверхностей деталей усилителя-стабилизатора, что требует специальной технологической оснастки, детерминированных методов сборки с ориентацией элементов замка в составе крепи.
Кроме того, неконтролируемая затяжка гаек замкового соединения из-за большой жесткости усилителя-стабилизатора по этому изобретению может создать условия перехода податливой крепи в жесткий режим работы и вызвать полное ее разрушение. Немаловажное значение имеет тот факт, что при сбросе нагрузки из-за невозможности абсолютно равного приложения момента затяжки к каждому из резьбовых соединений при перекреплениии, замки перекашиваются и, соответственно, скоба вытягивается, что также может привести к разрушению крепи.
Сведения, раскрывающие сущность изобретения.
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования замка с конструкцией усилителя-стабилизатора, улучшения его технологии изготовления, увеличения величины податливости крепи до 1500 мм введением в узел податливости амортизирующих элементов в виде двух полых неравнообъемных призматоидов, торцевые грани которых сформированы равнобочными, одинаковой высоты трапециями, а в миделевом сечении площадь основания верхнего призматоида относится к площади основания нижнего призматоида как 3:1.
Такая конструкция замка узла податливости арочной крепи, сформированная посредством усилителя-стабилизатора, выполненного в виде двух полых неравнообъемных призматоидов с отношением площадей их оснований как 3:1, а торцевых граней в виде равнобочных одинаковой высоты трапеций, образует пространственную, упруго-деформируемую систему, позволяющую осуществить силовое замыкание конструкции, при одновременном росте контактирующего усилия по фланцам спецпрофилей и распределения его вдоль рамы в продольном направлении, что минимизирует возможность сближения замков под нагрузкой и увеличивает податливость крепи до 1500 мм. При этом возрастает надежность и стабильность работы замка в режиме податливости, минимизируется вероятность сближения замков под нагрузкой, что является основным фактором увеличения податливости крепи до 1500 мм, а также уменьшается возможность перехода арочной крепи в жесткий режим.
Поставленная задача решается тем, что в замке узла податливости металлической рамной крепи из шахтных спецпрофилей, содержащем планку с отверстиями и крепежную скобу П-образной формы с резьбовыми концами, пропущенными через отверстия планки, расположенные между ними внахлестку внутренний и внешний спецпрофили, гайки, усилители-стабилизаторы согласно изобретению выполнены в виде двух полых неравнообъемных призматоидов, торцевые грани которых сформированы равнобочными, одинаковой высоты трапециями, контактирующими между собой контурами больших оснований, при этом площадь основания верхнего призматоида относится к площади основания нижнего призматоида как 3:1. В противоположных опорных основаниях каждого из призматоидов сформированы отверстия, через которые пропущена П-образная скоба, а боковая поверхность большего их них контактирует с наклонной боковой стенкой спецпрофиля, одновременно при этом плоскость основания второго призматоида опирается в планку замка, а с диаметрально противоположной стороны плоскость основания большего их них введена в распор с фланцем шахтного спецпрофиля.
Такое техническое решение усилителя-стабилизатора замка позволяет формировать его из двух элементов, технологичных при изготовлении, собираемых без сварочных операций, а упруго-податливая характеристика его способствует подпружиниванию и стопорению резьбового соединения, исключению изгиба планки, вероятного перехода работы крепи в жесткий режим с одновременным осуществлением выборки зазоров и технологических несовершенств спецпрофилей с силовым замыканием системы.
В режиме податливости, при возможном перемещении звеньев рамы относительно друг друга боковые поверхности могут изменять угол относительно меридиональной плоскости призматоида, выполняя роль амортизатора, способствуя перераспределению нагрузок, действующих на узел податливости, как в поперечном, так и продольном направлении, компенсируя и сглаживая их в режиме сброса с исключением возможности перекоса замка. Осуществление силового замыкания конструкции посредством такого исполнения усилителей-стабилизаторов с увеличением контактирующего усилия по фланцам спецпрофилей на участке сопряжения и распределения его вдоль рамы в продольном направлении создает возможность увеличения податливости крепи до 1500 мм.
При необходимости, для поддержания выработок со сложными геомеханическими условиями, изменение жесткостных параметров крепи в целом или непосредственно замков узла податливости может быть осуществлено вариацией толщин формообразующих поверхностей и углов наклона боковых сторон призматоида.
Увеличение упруго-податливых свойств и рабочего сопротивления в узлах податливости также может быть достигнуто заполнением внутреннего пространства призматоидов эластичным наполнителем, например, высокопрочной резиной или иным материалом, обладающим эластичной характеристикой и устойчивостью к возгоранию (для выполнения правил безопасности работ в горной промышленности).
Данное техническое решение позволяет стабилизировать процесс работы замкового соединения в узлах податливости, в режиме сброса нагрузки, исключает условия работы системы, приводящие к перекосу замков и, соответственно, предопределяет возможность увеличения зажимного усилия на 35-40%. Возможность перекоса замка при таком решении исключается из-за того, что контакт боковой поверхности призматоида с боковой стенкой спецпрофиля происходит по плоскости, что переориентирует контактные нагрузки в зоне сопряжения деталей, сглаживает неравномерность их распределения, стабилизирует процесс работы замкового соединения. То есть применение в замках такого элемента позволяет осуществить замену высшей кинематической пары на низшую (И.И.Артоболевский. Теория машин и механизмов. Изд. 3. - М.: Наука, 1975. 10, с.45) создает условия для распределения нагрузки в зоне контакта и относительного скольжения элементов сопряжения в узле силового замыкания конструкции без поворота ее вокруг П-образной скобы, вследствие чего исключается перекос замка с заклиниванием его при сбросе нагрузки.
Приведенные признаки, характеризующие изобретение, являются существенными, так как в совокупности достаточны для обеспечения работоспособности и достижения решаемой технической задачи, а каждый в отдельности необходим для идентификации и отличия заявляемого замка от известных в технике аналогичных решений.
Таким образом, новая совокупность общих (известных) и отличительных (новых) от прототипа существенных признаков, которыми характеризуется новый замок, является достаточной во всех случаях, на которые распространяется объем правовой защиты, так как решает поставленную задачу.
Обозначенные признаки, характеризующие изобретение, не являются обязательными, но, по мнению заявителя, являются лучшими и не исключают возможности иного конкретного эквивалентного выполнения замка в пределах указанной сущности изобретения.
Причинно-следственная связь отличительных (новых) признаков при их взаимодействии с известными (общими) признаками в обеспечении новых свойств объекта изобретения, обусловленных поставленной технической задачей, заключается в следующем.
В связи с тем, что замок содержит упруго-податливые элементы - усилители-стабилизаторы, выполненные в виде двух полых неравнообъемных призматоидов, торцевые грани которых сформированы равнобочными, одинаковой высоты трапециями, контактирующими между собой контурами больших оснований, отношение площадей которых имеет величину 3:1, а в противоположных основаниях призматоидов сформированы отверстия для П-образной скобы, посредством которой осуществляется силовое замыкание стабилизаторов с планкой замка и фланцем спецпрофиля, чем обеспечивается работа по восприятию продольной нагрузки замком и значительное увеличение величины податливости узла.
Кроме того, такая компоновка усилителя-стабилизатора создает возможность подпружинивания и стопорения резьбового соединения, выборку зазоров и технологических несовершенств профилей, увеличивает надежность и стабильность фиксации замкового соединения, исключает перекос замка.
Поэтому при одном и том же усилии затяжки замка, относительно штатных, увеличивается и стабилизируется сила трения между наклонной боковой стенкой внутреннего спецпрофиля и боковой поверхностью призматоида, формирующего в паре усилитель-стабилизатор, между поверхностями внутреннего и внешнего спецпрофилей, а также между П-образной скобой и фланцами спецпрофиля, что также повышает стабильность и надежность работы замка. В режиме сброса нагрузки контактирующие боковые поверхности стабилизатора с боковыми поверхностями спецпрофиля за счет упруго-податливой системы осуществляют относительное проскальзывание при сохранении зажимного усилия в узле податливости без перекоса и заклинивания замка.
Для исключения проскальзывания между собой на торцах боковых поверхностей призматоидов сформированы соединительные элементы в виде пазов, сопрягаемых с выступами, или шарнирные сочленения, исключающие относительное перемещение деталей между собой.
В дальнейшем изобретение поясняется подробным описанием примера конкретного выполнения его лучшего варианта со ссылками на прилагаемые чертежи.
Перечень чертежей изобретения.
На фиг.1 изображен замок узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей; общий вид, вид сбоку; элементы усилителя-стабилизатора выполнены в виде двух полых неравнообъемных призматоидов, торцевые грани которых сформированы равнобочными одинаковой высоты трапециями, контактирующими между собой контурами большего из оснований, в верхних основаниях которых сформированы отверстия, через которые пропущена П-образная скоба, а боковая поверхность верхнего из призматоидов контактирует с наклонной боковой стенкой спецпрофиля, одновременно при этом торцевая плоскость основания нижнего призматоида опирается в планку замка, а с диаметрально противоположной стороны торцевая плоскость основания верхнего призматоида введена в распор с фланцем шахтного спецпрофиля, чем обеспечивается упруго-податливое силовое замыкание узла.
На фиг.2 изображен замок узла податливости с усилителями-стабилизаторами, выполненными в виде двух полых неравнообъемных призматоидов, торцевые грани которых сформированы равнобочными одинаковой высоты трапециями, контактирующими между собой контурами большего из оснований, в аксонометрической проекции.
На фиг.3 изображен, в аксонометрической проекции, элемент замка узла податливости рамной металлической крепи - усилитель-стабилизатор, выполненный в виде двух полых неравнообъемных призматоидов, торцевые грани которых сформированы равнобочными одинаковой высоты трапециями, контактирующими между собой контурами большего из оснований:
а) вариант исполнения призматоидов усилителя-стабилизатора, контактирующих между собой контурами больших из оснований в виде соединения с шипами, скриншот;
б) вариант исполнения призматоидов усилителя-стабилизатора, контактирующих между собой контурами больших из оснований со сферическим шарнирным соединением, скриншот.
Перечень обозначений и наименований элементов изобретения.
1. Планка
2. Отверстие в планке
3. Крепежная скоба П-образной формы
4. Резьбовой конец крепежной скобы
5. Внутренний шахтный спецпрофиль рамной податливой крепи
6. Наружный шахтный спецпрофиль рамной податливой крепи
7. Гайка
8. Призматоид верхний
9. Призматоид нижний
10. Отверстие в призматоиде верхнем
11. Отверстие в призматоиде нижнем
12. Плоскость контактирования оснований верхнего и нижнего призматоидов
13. Боковая сторона верхнего призматоида
14. Боковая стенка наружного спецпрофиля рамной податливой крепи
15. Торцевая плоскость - основание верхнего призматоида.
16. Фланец наружного спецпрофиля рамной податливой крепи
17. Фланец внутреннего спецпрофиля рамной податливой крепи
18. Торцевая плоскость - основание нижнего призматоида
19. Фигурные шипы боковой стороны призматоида
20. Фигурные пазы боковой стороны призматоида
21. Сферический выступ шарнира боковой стороны призматоида
22. Сферическая впадина шарнира боковой стороны призматоида
23. Соединительный уклон боковой стороны верхнего призматоида
24. Торцевая грань верхнего призматоида.
25. Торцевая грань нижнего призматоида.
Сведения, которые подтверждают возможность осуществления изобретения.
Описанное выше техническое решение замка позволяет сформировать замкнутую силовую конструкцию, выполняющую в замке узла податливости роль усилителя-стабилизатора, который создает жесткое силовое замыкание замка с одновременным подпружиниванием и стопорением резьбового соединения, что обеспечивает повышение стабильности и надежности его работы в режиме податливости. Вследствие роста контактирующего усилия по фланцам спецпрофилей на участке сопряжения элементов крепи и распределения его вдоль рамы в продольном направлении создается возможность увеличения податливости крепи до 1500 мм.
Замок узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей (фиг.1) содержит планку 1 с отверстиями 2, П-образную крепежную скобу 3 с резьбовыми концами 4, пропущенными через отверстия 2 планки 1, расположенные между ними внахлестку, внутренний и внешний спецпрофили 5 и 6, гайки 7, а также усилители-стабилизаторы, выполненные в виде двух полых неравнообъемных призматоидов - верхнего 8 и нижнего 9, торцевые грани которых сформированы равнобочными одинаковой высоты трапециями, с отверстиями 10 и 11 в плоскостях оснований для монтажа их на скобу.
Монтаж призматоидов на стержень П-образной скобы 3 производится так, что оба призматоида контактируют между собой контурами большего из оснований 12, а боковой стороной 13 верхнего призматоида усилитель-стабилизатор контактирует с боковой стенкой 14 наружного шахтного спецпрофиля 6. Одновременно при этом, верхняя торцевая плоскость-основание 15 верхнего призматоида 8, с одной стороны, введена в распор с фланцем 16 наружного спецпрофиля 6, а диаметрально противоположная торцевая плоскость-основание 18 нижнего призматоида 9 контактирует с планкой 1 замка узла податливости.
Для увеличения упруго-податливой характеристики и функционирования усилителей-стабилизаторов в режиме сброса и выравнивания закрепной нагрузки на раму боковые поверхности, образующие призматоид, наклонены к оси П-образной стяжки под углом α и приведены в контакт с боковой поверхностью спецпрофиля. Причем такое конструктивное исполнение контактирования боковых поверхностей 13 призматоидов в отличие от известных усилителей-стабилизаторов позволяет компенсировать нагрузку на раму как в поперечном, так и продольном направлении (вдоль рамы). И вследствие этого создаются условия для увеличения зажимного усилия замка в узле податливости с увеличением величины податливости до 1500 мм.
На фиг.2 приведен вышеописанный замок узла податливости в аксонометрической проекции, где показаны наружный 6 и внутренний 5 спецпрофили, П-образная скоба 3, призматоиды 8 и 9, торцевые грани которых образованы равнобочными трапециями, установлены в распор торцевыми плоскостями-основаниями 15 и 18 соответственно на фланцы 16 и планку 1 замка, с одновременным контактом боковой поверхности 13 верхнего призматоида 8 и боковой стенкой 14 наружного спецпрофиля 6.
На фиг.3а изображен скриншот элементов замка узла податливости рамной металлической крепи - усилитель-стабилизатор, выполненный в виде двух полых неравнообъемных призматоидов верхнего 8 и нижнего 9, образующие торцевых граней которых сформированы равнобочными трапециями, а контактирующие поверхности выполнены в виде фигурных шипов 19 для монтажа во взаимообратных пазах 20, исключающих возможность сдвига их под нагрузкой и нарушения сопряжения.
На фиг.3б изображен скриншот исполнения элементов замка узла податливости рамной металлической крепи - усилитель-стабилизатор, выполненный в виде двух полых неравнообъемных призматоидов - верхнего 8 и нижнего 9, образующие торцевых граней которых сформированы равнобочными трапециями, а контактирующие поверхности выполнены в виде взаимомообратного сферического шарнира 21 и 22, также исключающего возможность сдвига деталей под нагрузкой и нарушения сопряжения.
Замок узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей работает следующим образом. При возведении крепи ее звенья - спецпрофили 5, 6 рамы сочленяют внахлестку и соединяют замками в узлах податливости.
Спецпрофили 5, 6 в узлах податливости сжимают замками с определенным усилием, граничная величина которого зависит от конструктивных особенностей и возможности самих замков.
В процессе образования вокруг контура выработки зоны неупругих деформаций происходит всестороннее внешнее обжатие крепи нарушенными породами. При горном давлении, превышающем сопротивление податливости крепи, спецпрофили 5, 6, скрепленные замками в узлах податливости, под действием смещения массива горных пород скользят друг относительно друга, в результате чего изменяется геометрический контур и поперечное сечение рамы. При этом устанавливается требуемое геомеханическое равновесие системы «крепь-массив», которое обеспечивается силами трения, то есть силами сопротивления замков в узлах податливости крепи. В процессе работы крепи в податливом режиме этот процесс постоянно повторяется до тех пор, пока не установится геомеханическое равновесие системы «крепь-массив» в новом состоянии. Работа податливой крепи во многом зависит от параметров рабочей характеристики замка, основное назначение которого состоит в том, чтобы при его затяжке создать стабильные усилия трения между сопряженными в узлах податливости поверхностями спецпрофилей 5, 6. При этом взаимное скольжение спецпрофилей 5, 6 в податливом режиме должно осуществляться с обеспечением стабильного рабочего сопротивления, которое требуется от податливой крепи, но не превышающего несущую способность рамы.
Новая конструкция усилителя-стабилизатора, состоящая из призматоидов 8 и 9, сборка и установка их в распор с упором в боковую стенку 14 спецпрофиля 6 позволяет создать технологичную, замкнутую конструкцию, обеспечивающую силовое замыкание замка, осуществляющую подпружинивание и стопорение резьбового соединения, с одновременной выборкой зазоров и технологических несовершенств спецпрофилей. Следствием такого технического решения является рост контактного усилия по фланцам спецпрофилей на участке сопряжения элементов крепи и распределения его вдоль рамы в продольном направлении с увеличением податливости крепи до 1500 мм.
Таким образом, на основе предложенного усовершенствования замка, достигается получение силовой, геометрически неизменной конструкции и полного блокирования перекоса планки 1 и крепежной П-образной скобы 3 в процессе осадки крепи под действием горного давления, с одновременным улучшением технологии изготовления элементов замка, увеличения величины податливости, а также упрощения монтажа и эксплуатации.
Такое техническое решение значительно повышает надежность работы узлов податливости, обеспечивает заданное усилие затяжки замка, стабильность рабочего сопротивления крепи на всем интервале ее конструктивной податливости. При этом замок имеет не сложную для массового изготовления конструкцию, которая характеризуется малой себестоимостью изготовления. В технологическом процессе изготовления элементов усилителя-стабилизатора не требуется использование широкой гаммы оснастки и штампов, так как во всех случаях усилитель-стабилизатор замка формируется из одной унифицированной детали-призматоида, выполненного из листовой стали штамповкой при отсутствии сварочных работ, а также не требуется организация ориентации элементов при сборке замка. При минимальных затратах на модернизацию общая себестоимость замка возрастает незначительно и компенсируется повышением надежности, долговечности и безопасности работ с увеличением нагрузки на лаву. Кроме того, создаются условия для обоснованного увеличения шага расстановки рам крепи - шпации, что значительно снижает общую металлоемкость по выработке при сохранении высокой надежности.
Изобретение не ограничивается описанными и показанными на чертежах вариантами реализации, но может быть изменено, модифицировано и дополнено в рамках объема, определенного формулой изобретения.
Изобретение проверено в процессе стендовых испытаний, а также в шахтных условиях. Результаты испытаний полностью подтвердили его техническую и экономическую эффективность и целесообразность широкого использования. Замок податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей может быть изготовлен в условиях промышленного производства на любом рудоремонтном или другом заводе и найти широкое применение на угольных, рудниковых, сланцевых шахтах для повышения надежности крепи как инженерного сооружения и безопасности ведения горных работ.