АМОРТИЗИРУЮЩИЙ ЗАМОК "АЗ" УЗЛА ПОДАТЛИВОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ РАМНОЙ ПОДАТЛИВОЙ КРЕПИ ИЗ ШАХТНЫХ СПЕЦПРОФИЛЕЙ

Область техники
Полезная модель относится к оборудованию, используемого для крепления и поддержания горных выработок в горнодобывающей и угольной промышленности, в частности к сооружениям, возводимых для предотвращения обрушения окружающих пород и сохранения необходимого размера поперечного сечения капитальных (вскрывающих), подготовительных и очистных пространственных выемок.
Уровень техники
Известно, что к такому виду оборудования относятся крепления, классифицируемые по основным конструктивным и технологическим признакам на рамные, сплошные и анкерные; по характеру работы на ограждающие, изолирующие и несущие; по деформационно-силовой характеристике - на жесткие (смещения до 50 мм), малоподатливые (до 100 мм), податливые (до 300 мм) и весьма податливые (более 300 мм).
Наиболее потребляемыми, для крепления и поддержания горных выработок угольных, рудничных и сланцевых шахт, являются податливые металлические рамные крепления. Жесткие крепления применяются главным образом в условиях с постоянным и незначительным горным давлением. Податливые рамные крепи наиболее универсальны, поскольку они находят применение в сложных горно-геологических условиях, при возможном значительном влиянии очистных работ на крепление выработки. Одним из основных преимуществ рамных податливых крепей является их способность работать в податливом режиме, то есть воспринимать смещения горных пород при росте горного давления.
Рама податливой крепи образована из звеньев, выполняемых из шахтных спецпрофилей типа СВП или СПА и ей может придаваться разнообразная форма (например арки), в зависимости от назначения выработки и ожидаемых проявлений горного давления. Несущие элементы рамной податливой крепли выполнены в виде прямо- или криволинейных стержней, работающих на сжатие и или изгиб. Они выполняют функцию восприятия и перераспределения давления со стороны массива на окружающие выработку породы, создают подпор на контуре и препятствуют развитию оползней пород внутрь выработки. Несущий элемент, воспринимающий нагрузки со стороны кровли, обычно называют верхняком. Он передает нагрузку на сочлененные с ним с помощью различного типа соединений несущих элементов, называемых стойками. Последние, при незамкнутой конструкции крепления, опираются своими концами на почву горной выработки, а в замкнутой - на нижний несущий элемент (лежень).
В горнодобывающей и угольной промышленности, наиболее распространенными формами арок рамных крепей является кольцевая (циркульная), подковообразная, овоидная, эллиптическая; значительно реже встречаются сводчатая и трапецевидная формы (см. В.Н.Каретников, Б.Клейменов, А.Г.Нуждихин Крепление капитальных и подготовительных горных выработок. Справочник. - М.: Недра, 1989. - 571 с.: ил.) [1].
Как правило, 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) [2]
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 мм.
Работоспособность крепления 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 креплении, но и обеспечивать необходимые деформационные характеристики крепи. Жесткое соединение элементов является самым простым по конструкции и обеспечивает неподвижную фиксацию контактирующих элементов. 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 узла податливости зависит работоспособность крепи в целом. Количество и место расположения того или иного соединения должны определяться особенностями взаимодействия крепи с массивом. В практике наибольшее распространение получили податливые и шарнирные соединения.
Согласно приведенному анализу и описанию конструкции, рамная крепь состоит из большого числа элементов различного функционального назначения, которые должны взаимодействуя друг с другом и массивом горных пород обеспечить эксплуатационную стойкость выработок в различных горно-геологических условиях.
Работоспособность и деформационно-силовые характеристики стальных рамных крепей, область их эффективного применения во многом зависят от числа, месторасположения и конструктивной эффективности соединений их звеньев.
К таким соединительным элементам звеньев рамной крепи относятся зажимные устройства различного конструктивно-технологического исполнения, осуществляющие силовое замыкание в узлах податливости с одновременной возможностью продольного скольжения при достижении максимальной нагрузки в соединениях.
Самым распространенным видом силового замыкания звеньев рам из спецпрофилей в узлах податливости, соединяемых внахлестку, есть замки различного конструктивного исполнения.
Замки обычно состоят из скоб П-образной формы с резьбовыми концами, планок с отверстиями и гаек, соединенных таким образом, что при смещении массива горных пород происходит их взаимное скольжение с одновременным изменением поперечного сечения рамы. Скольжение звеньев спецпрофилей податливой крепи в узлах податливости зависит от рабочей характеристики спецпрофилей желобов и обусловлено формой их поперечного сечения и материалом. Спецпрофили на участках сочленения фиксируются замками с определенным усилием, предельная величина которого зависит от конструктивных особенностей самих замков.
Работа податливого крепления во многом зависит от параметров рабочей характеристики замка, основное назначение которого состоит в том, чтобы при его затяжке создать стабильные усилия трения между связанными в узлах податливости поверхностями шахтных спецпрофилей. Отсюда и требования к такому крепления: взаимное скольжение спецпрофилей в податливом режиме должно осуществляться с обеспечением стабильного рабочего сопротивления крепи. Таким образом, величина и стабильность сопротивления рамы податливого крепления вместе с формой поперечного сечения и материалом спецпрофилей существенно зависит и от конструкции замков узлов податливости и их функциональной возможности осуществлять силовое замыкание.
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). [3]. Наиболее широкое распространение получили замки узлов податливости болтового типа трех известных видов АП3.030, ОЗШ-1 и ЗСД (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, див. 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) [4].
Замок АП3.030 узла податливости металлического 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 внакладе 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). [5].
Этот замок универсальный, простой конструктивно и технологический при производстве. Однако он, при прочих равных условиях, имеет низкую надежность при эксплуатации. Усилия, возникающие от трения скоб и планок относительно перемещающихся спецпрофилей, вызывающие перекос скоб, достаточно большие, чтобы растянуть скобы и даже вызвать их разрыв, который происходит на наиболее нагруженном участке резьбовых соединениях в районе планки. Кроме того, при работе крепления в податливом режиме, при возникновении перекоса замков, недостаточно жесткая планка изгибается, крепежная скоба извлекается, происходит резкий сброс сопротивления крепления, что и приводит к разрыву крепежных скоб на резьбовых концах, динамичному срыву гаек и разрушению замка. Таким образом, этот замок не только не обеспечивает заданное рабочее сопротивление крепи в податливом режиме, но даже не гарантирует целостность его конструкции (15-50% замков разрушаются).
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 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). [6].
Этот замок обеспечивает более высокую надежность работы крепления в податливом режиме, но нетехнологичен в изготовлении и сложный при монтаже. Он менее универсален, поскольку 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 свойственны упруго-пластическая податливость концов фигурной планки, поворот концевых частей ее относительно оси крепежной скобы в пределах монтажного зазора, что приводит к эксцентричности нагрузки резьбовых соединений крепежной скобы с гайками. 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, что приводит к разрыву одного из резьбовых концов крепежной скобы по внутреннему диаметру резьбы, снижению способности к нагружению, а также к уменьшению уровня стабильности рабочего сопротивления и надежности замка.
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: Е21D 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). [7]. 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 является низкая технологичность, громоздкость, большая металлоемкость и сложность сборки, что повышает его себестоимость. Вызвано это тем, что фигурная планка замка, осуществляющего 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 крепи. Объясняется это тем, что фигурная планка замка имеет сложную пространственную конфигурацию, что приводит к ее деформации, потери работоспособности при высоких нагрузках и снижению надежности узла.
Известный замок ЗСД узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей является двойным хомутом, который содержит фигурную планку с отверстиями и две сблокированные с помощью подложки и расположенные под углом друг к другу крепежные скобы П-образной формы с резьбовыми концами, пропущенными через отверстия фигурной планки, расположенными между ними в нахлест внутренним и внешним спецпрофилем, 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). [8].
Замок ЗСД универсален, имеет достаточно высокую надежность. Однако он обладает относительно повышенной податливостью, что в рабочем режиме приводит к ослаблению конструкции крепи и требует периодического подтягивания гаек, а необходимость применения специального профильного проката ПЗС-20 вызывает увеличение номенклатуры деталей, снижение технологичности и повышения себестоимости. В узле податливости серийной крепи предусмотрена установка одного такого замка. Поскольку один такой замок обеспечивает очень узкий участок зажима спецпрофилей, узел податливости при действии изгибающего момента, часто приобретает функции шарнирного узла и начинает функционировать по принципу шарнирного соединения, что сопровождается разрывной деформацией одного из соединенных спецпрофилей. В связи с этим, и в случаях, когда необходима повышенная величина рабочего сопротивления крепи, возникает необходимость 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) [9] становится невозможным, поскольку повышение рабочего сопротивления крепи приводит к уменьшению ее запаса прочности и надежности.
Непосредственно же в самом замке ЗСД изменение числа хомутов или увеличение расстояния между стяжками невозможно из-за конструктивного исполнения замка, что также является его недостатком.
Известен по рассматриваемой проблеме также целый ряд технических решений на замки податливости, включающие: 1) патент Украины №56078А от 15.04.03 г.; 2) патент Украины №68553А от 04.04.05 г.; 3) патент Украины №81126А от 14.06.08 г.; 4) патент Украины №85177А от 12.01.09 г.; 5) патент РФ №2347909 от 27.02.09 г. 6) заявка на патент РФ №2007139061 от 22.10.07 г. Известен ("Замок узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей "Патент Украины №56078А, МПК-7 E21D 11/22, E21D 11/14, заявлено 28.10.2002 р., опубликован 15.04.2003 р. Бюлетень №4, авторы Г.Г.Сугаренко, Н.А.Алиев, В.Я.Кириченко, аналог). [10], содержащий планку с отверстиями и крепежной скобой П-образной формы с резьбовыми концами, пропущенными через отверстия планки, расположенные между ними внахлестку внутренней и внешней спецпрофиле, гайки и упорные скобы С-образной формы, выполненной с отверстиями в полках, через которые пропущены резьбовые концы крепежной скобы, и установленные между планкой и фланцами внутреннего спецпрофиля боковыми стенками внутрь, отличающийся тем, что дополнительно содержит распорные элементы, установленные между полками упорных скоб, при этом боковые стенки упорных скоб выполнены двугранными, внешние грани которых контактируют с наклонными боковыми стенками внутреннего спецпрофиля, а внутренние грани расположены симметрично внешним граням 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 нагрузки болтового соединения, что приводит к разрушению резьбового конца скобы и часто вызывающие тяжелые травмы и обрушения крепи. Достигается это за счет установки в замок замкнутой пространственной конструкции - усилителя-стабилизатора, контактирующим двугранный углом с боковыми стенками шахтного спецпрофиля, а параллельными сторонами упирается в фланец внешнего спецпрофиля и в планку замка, что повышает жесткость системы и позволяет осуществить силовое замыкание конструкции. Таким образом, решена задача обеспечения жесткости конструкции замка узла податливости и стабильности их работы в составе крепи.
Однако предложенное решение нетехнологично, конструктивно сложное. Кроме того, предложенная конструкция усилителя-стабилизатора не симметричная в плане, необходима ее обязательная ориентация при сборке замка, что не всегда возможно в шахтных условиях, особенно при ликвидации аварийных ситуаций, а также не универсальна для всех типоразмеров креплений. То есть для каждого типоразмера крепи нужно изготовления нового замка с соответствующим данной крепи усилителем-стабилизатором. К тому же, неконтролируемое затягивания гаек замкового соединения, через большую жесткость усилителя-стабилизатора по этому патенту может создать условия перехода податливой крепи в жесткий режим работы и полное ее разрушение.
Важное значение имеет тот факт, что при сбросе нагрузки, из-за невозможности абсолютно равного приложении момента затяжки гаек П-образных скоб, замки перемещаются с перекосом, и соответственно скоба вытягивается, что приводит ее к разрушению. Во всех типах замков имеет место указанный вид конструктивного несовершенства и типичный случай нарушения работы крепи как несущей сооружения.
По назначению, числу общих признаков и достигаемому результату предлагаемой полезной модели наиболее близок замок узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей, "Патент Украины №68553 А, МПК-7 Е21D 11/22, Е21D 11/14, заявлено 18.07.2003 г., опубликовано 16.08.2004 г. Бюллетень №8, авторы Рисухин В.В., Алиев П.Н., Яненко А.П., Ченский А.А., Семенов О.В., Дубров В.Г.) [11], выбранный в качестве прототипа, содержащий планку с отверстиями и крепежную скобу П-образной формы с резьбовыми концами, пропущенными через отверстия планки, расположенные между ними внахлест внутренней и внешний спецпрофили, гайки и упорные скобы С-образной формы, выполненные с отверстиями в полках, через которые пропущены резьбовые концы крепежной скобы и установленные между планкой и фланцами внутреннего спецпрофиля боковыми стенками внутрь, отличный тем, что усилители-стабилизаторы образованы из элементов, выполненных в виде двух пар равновеликих или неравнобоких пространственных трапециевидных фигур, расположенных в узле с разворотом одной пары относительно другой на прямой угол, а внешняя сторона элементов, создающих усилители-стабилизаторы является узлом распора, обеспечивающего жесткость системы. Поставленная задача решается тем, что в замке узла податливости металлического рамного податливого крепления из шахтных спецпрофилей, содержащий планку с отверстиями и крепежной скобой П-образной формы с резьбовыми концами, пропущенными через отверстия планки, расположенные между ними внахлестку внутренней и внешней спецпрофиле, гайки, усилитель-стабилизатор выполнен в виде двух или нескольких равновеликих пространственных трапециевидных фигур с отверстиями в полках, через которые пропущены резьбовые концы крепежной скобы, и установленных между планкой и фланцами внутреннего спецпрофиля, так что плоскость разъема их проходит по нижней основании трапеции, а усилия распора передается через нижние боковые грани элементов, приведенных в соприкосновение между собой. Причем боковые стенки каждого из элементов усилителя-стабилизатора, образующие трапецию контактируют с наклонными боковыми стенками внутреннего спецпрофиля, осуществляя силовое замыкание, как элементов усилителя-стабилизатора, так и замка узла податливости металлической рамной крепи ("Замок узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей" Патент Украины №68553 А, МПК-7 Е21D 11/22, Е21D 11/14, заявлено 18.07.2003 г., опубликовано 16.08.2004 г. Бюллетень №8, авторы Рисухин В.В., Алиев П.Н., Яненко А.П., Ченский А.А., Семенов О.В., Дубров В.Г., прототип).
Этот замок характеризуется 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, что приводит к разрушению резьбового конца скобы и часто вызывает тяжелые травмы и обрушения крепи.
Достигается это за счет установки в замок замкнутой пространственной конструкции - усилителя-стабилизатора, контактирующего двугранный углом одной из пар с боковыми стенками шахтного спецпрофиля, а параллельными сторонами внешнего спецпрофиля, что упирается в фланец, и в планку замка, что повышает жесткость системы и позволяет осуществить силовое замыкание конструкции. Таким образом, в указанном патенте решена задача обеспечения жесткости с одновременной упруго-деформируемостью конструкции замка узла податливости при стабильности их работы в составе крепи.
Однако предложенное решение конструктивно сложное, для создания замкнутой пространственной системы - усилителя-стабилизатора, в нем используется как минимум четыре элемента, затруднена сборка и ориентация элементов замка.
На базе, накопленного авторским коллективом, опыта конструирования и результатов испытаний экспериментальных проектируемых моделей замков податливости, а также с учетом, представленного выше, детального анализа современного состояния уровня техники, по рассматриваемой проблеме, можно сделать взвод о необходимости дальнейшего совершенствования замков узла податливости для рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей.
Общими признаками прототипа и заявляемого решения являются:
замок узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей, включающий конструктивные элементы в качестве средства для формирования силового замкнутого контура, за счет контактирования плоскостей элементов, при их распоре в составе крепежной скобы П-образной формы с резьбовыми концами пропущенными последовательно соответственно через отверстия в установленном амортизирующем усилителе-стабилизаторе трапецевидной формы и через отверстия в поперечной планке, для последующего их скрепления гайками, для чего размещенные в нахлестку внешний и внутренний снецпрофили, охвачены указанной скобой под прямым углом к их продольным осям со стороны фланца верхнего спецпрофиля, а со стороны нижнего основания внутреннего спецпрофиля, оно охвачено поперечной планкой с указанными отверстиями для пропуска резьбовых концов скобы, при совпадении се контактной поверхности по высоте, с плоскостью разъема нижних торцов, указанного трапецевидного усилителя-стабилизатора с последующим рас пором элементов, посредством навинчивания гаек.
СУТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
В основу полезной модели, поставлена задача создания универсального по ряду близких типоразмеров спецпрофилей замка узла податливости, путем усовершенствования конструкции усилителя-стабилизатора, в направлении формирования его пространственной амортизирующей упруго-деформируемой системы, контактирующей с поперечной несущей планкой и спецпрофилями, что обеспечит повышенную надежность и стабильность работы силовою замка, как в режиме податливости, так и в режиме динамического сброса загрузки, а также позволит снизить металлоемкость конструкции и упростить технологию изготовления.
Поставленная задача решается тем, что в амортизирующем замке узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофиле, содержащее планку с отверстиями и крепежную П-образную скобу с резьбовыми концами, пропущенными через отверстия планки, расположенные между ними внахлестку внутренний и внешний спецпрофили, гайки и амортизирующие усилители-стабилизаторы, установленные между планкой и фланцами внутреннего спецпрофиля, с отверстиями через которые пропущены резьбовые концы крепежной скобы, навинчивания гаек, согласно полезной модели, амормотизирующие усилители-стабилизаторы выполнены в виде шестирганных полых призм с тремя осями симметрии боковые стороны каждой призмы попарно параллельны друг другу, горизонтальные боковые грани каждой призмы по центру имеют отверстия, через которые пропускают резьбовые концы П-образной скобы, а прилегающие, к горизонтальным боковым граням, наклонные боковые грани спецпрофилей образуют с ними угол α, равный углу α наклона внешней боковой поверхности шахтного спецпрофиля к горизонтальной плоскости основания шахгного спецпрофиля или угла наклона касательной к боковой поверхности спецпрофиля в зоне контакта наклонной боковой поверхности усилителя-стабилизатора и боковой поверхности спецпрофиля если она криволинейная, сопряжения горизонтальных и наклонных боковых граней призм, выполнены с радиусом кривизны от 0,5 до 30 мм,
Причинно-следственная связь отличительных (новых) признаков при их взаимодействии с известными (общими) признаками, в обеспечении новых свойств объекта полезной модели, обусловленных поставленной технической задачей, заключается в следующем. Такая конструкция замка широко универсальна, силовая характеристика его варьируется жесткостными параметрами усилителей-стабилизаторов - кривизной сопряжения горизонтальных и наклонных плоскостей, толщиной боковых граней, габаритной величиной горизонтальных плоскостей, которая делается на 0,1-1.5% больше, чем размер между планкой замка и фланцем спецпрофиля, площадью контактирующих - деталей. Это способствует подпружиниванию и стопорению резьбовых соединений замка с исключением возможного перехода работы крепи в жесткий режим, одновременно осуществляя выборку зазоров и технологической несовершенства спецпрофилей с силовым замыканием системы.
Данное техническое решение позволяет стабилизировать процесс работы замкового соединения в узлах податливости в режиме сброса нагрузки, исключает условия, приводящие к перекосу замков, поскольку амортизирующие усилители-стабилизаторы создают отрицательную обратную связь, переводя замок в режим автоматичной следящей системы, выравнивая его положение и соответственно обусловливает возможность увеличения зажимного усилия на 30-35%.
Приведенные признаки, характеризующие полезную модель, являются существенными, поскольку в совокупности достаточны для обеспечения работоспособности и достижения решаемой технической задачи, а каждый отдельный необходим для идентификации отличия заявляемою 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, поскольку решает поставленную задачу.
Существенными отличиями предлагаемой полезной модели от замка по патенту UA 68553 A (прототипа) является то, что шестигранный амортизирующий усилитель-стабилизатор является цельной деталью, выполненной из специальной профильной трубы.
В отличие от замка по патенту UA 68553 A, указанный шестигранный амортизирующий усилитель-стабилизатор из отдельных трапециевидных штампованных частей, может также изготавливаться сварным, из отдельных трапецевидных штамповок. За счет более равномерного распределения напряжений по всей конструкции при силовом нагружении их значение не переходит из зоны упругой деформации в зону пластической деформации. Благодаря этому:
1) существенное упрощается и ускоряется процесс монтажа крепления;
2) целостная конструкция усилителя-стабилизатора исключает характерное для стабилизаторов-усилителей по патенту UA 68553 A проворачивание трапецевиднего элемента под действием силы трения с боковой поверхности внутреннего спецпрофиля вокруг резьбового конца П-образной скобы видностно трапециевидные элемента, опирающегося на планку замка, так как эта сила превышает силу трения между трапециевидные элементами в зоне их взаимного контакта. Такое проворачивание приводит к разрыву упруго-податливого силового замыкания, перекосу и заклиниванию замка, потере податливости (см. фото на фиг.2 и 3);
3) аналогично новый замок значительно устойчивее воспринимает прямое силовое воздействие посторонних предметов (обломков шахтной затяжки или массивных кусков породы) на усилитель-стабилизатор, которое возникает при внештатных ситуациях (аварии, выбросы породы и т.д.). Такое влияние на стабилизатор-усилитель замка по патенту UA 68553 A приводит к деформации одного из, трапециевидных элементов. Его распорная - торцевая поверхность, по которой он контактирует с противоположным трапецевидным элементом, линейно смещается из зоны контакта, такое смещение приводит к разрыву упруго-податливого силового замыкания, перекосу и заклиниванию замка, потере податливости (см. фото на фиг.4).
4) Стабилизатор-усилитель нового замка под таким воздействием может развернуться, но при этом сохранит упруго-податливое силовое замыкание и свои стабилизирующие свойства, что подтверждают шахтные испытания (см. фото на фиг.5).
Список рисунков и чертежей:
На фиг.1 изображен, заявляемый амортизирующий замок узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей содержащий планку с отверстиями и крепежную П-образную скобу 1 с резьбовыми концами, пропущенными через отверстия планки 2, расположенные между ними внахлестку внутренний и внешний спецпрофили, гайки 3 и амортизирующие усилители-стабилизаторы 4, установленные между планкой и фланцами внутреннего спецпрофиля, с отверстиями, через которые пропущены резьбовые концы крепежной скобы, отличается тем, что усилители-стабилизаторы выполненные в виде шестигранных полых призм с тремя осями симметрии, боковые стороны призмы попарно параллельны друг другу; горизонтальные боковые грани призмы по центру имеют отверстия, через которые пропускаются резьбовые концы П-образной скобы, прилегающие к горизонтальным боковых граней наклонные боковые грани образуют с ними угол α, равный углу α наклона внешней боковой поверхности шахтного спецпрофиля к горизонтальной плоскости основания шахтного спец профиля (или угла наклона касательной к боковой поверхности спецпрофиля в зоне контакта наклонной боковой поверхности усилителя-стабилизатора и боковой поверхности спецпрофиля если она криволинейная); сопряжения горизонтальных и наклонных боковых граней имеет радиус кривизны от 0,5 до 30 мм, его величина зависит от типа шахтного спецпрофиля.
На фиг.2 изображено фото результата шахтных испытаний замка по патенту Ua68553a, хорошо видно разрушение силового замыкания планки замка и фланца спецпрофиля, вызванное проворотом трапецевидного элемента под действием силы трения с боковой поверхностью спецпрофиля.
На фиг.3 изображено фото результата шахтных испытаний замка по патенту Ua68553a, хорошо видно разрушение силового замыкания планки замка и фланца спецпрофиля вследствие проворачивания трапецевиднего элемента, вызванного силовым воздействием обломков шахтной затяжки.
На фиг.4 изображено фото результата шахтных испытаний замка по патенту Ua68553a, хорошо видно разрушение силового замыкания планки замка и фланца спец профиля вследствие линейного сдвига торцевой поверхности трапецевидного элемента стабилизатора-усилителя в месте контакта с противоположным трапецевидные элементом, вызванное силовым воздействием обломков шахтной затяжки.
На фиг 5 изображено фото результата шахтных испытаний заявляемой конструкции, амортизующего замка. Видно, что цельный амортирующий стабилизатор-усилитель под силовым воздействием обломков шахтной затяжки (в нештатной ситуации) хоть и провернулся вокруг оси резьбового конца П-образной скобы, но не произошло разрушения силового замыкания планки замка и фланца спецпрофиля, узел податливости не перешел в состояние шарнира (который затем приводит к разрушению замка), отсутствует деформация замка и элементов крепи, замок работает в режиме, близком к штатному.
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И НАИМЕНОВАНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ «АМОРТИЗИРУЮЩИЙ ЗАМОК УЗЛА ПОДАТЛИВОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ РАМНОЙ ПОДАТЛИВОЙ КРЕПЛЕНИЯ ИЗ ШАХТНЫХ СПЕЦПРОФЕЛЕИ.»
1. Крепежная П-образная скоба
2. Крепежная планка
3. Гайки
4. Амортизирующий усилитель-стабилизатор
α - угол наклона наклонной боковой грани к горизонтальной боковой грани амортизирующего усилителя-стабилизатора и угол наклона наружной боковой поверхности шахтного спецпрофиля к горизонтальной плоскости основания шахтного спецпрофиля, или угол наклона касательной к боковой поверхности спецпрофиля в зоне контакта наклонной боковой поверхности усилителя-стабилизатора и боковой поверхности спецпрофиля если боковая поверхность спецпрофиля криволинейная.
СВЕДЕНИЯ, КОТОРЫЕ ПОДТВЕРЖДАЮТ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Заявляемое конструктивное решение, создано в результате длительной экспериментальной отработки ряда вариантов, с проверкой их в реальных эксплуатационных условиях.
Описанное выше техническое решение позволяет сформировать универсальную силовую конструкцию, содержащую крепежную скобу П-образной формы с резьбовыми концами 1, планку 2, расположенные между ними внахлест внутренний и внешний спецпрофили, гайки, амортизирующие усилители-стабилизаторы 4, с введением их в контакт с фланцем и боковой стенкой спецпрофиля, исполняющую в узле податливости крепи роль замка, который создает силовое замыкание звеньев рамы, осуществляет пидпружинивание и стопорение резьбового соединения, одновременно осуществляя выборку зазоров и технологических несовершенств спецпрофилей с силовым замыканием системы с возможностью варьирования упруго-податливой характеристики узла, обеспечивающего повышение стабильности и надежности его работы в режиме податливости при различных условиях нагрузки и геомеханических условий поддержки.
Замок узла податливости металлической рамной податливой крепи из шахтных спецпрофилей работает следующим образом. При возведении крепи его звенья - спецпрофили рамы сочленяют внахлест и соединяют замками в узлах податливости.
Спецпрофили в узлах податливости сжимают замками с определенным усилием, предельная величина которого зависит от конструктивных особенностей и возможности самих замков.
При затягивании гаек, амортизирующие усилители-стабилизаторы 4 упруго деформируются в продольно-поперечном направлении, распределено давят на боковую поверхность спецпрофиля увеличивая пятно контакта между элементами спецпрофиля и повышая за счет этого рабочее сопротивление стойки, выравнивая усилие затяжки по веткам замка и предотвращая перекос и пластическую деформацию планки замка. Дополнительно следует отметить, что усилители-стабилизаторы 4 установлены в распор между фланцем спецпрофиля и внутренней плоскостью планки замка 2, осуществляют силовое замыкание и предотвращают возможное образование угла перекоса между главной осью симметрии замка АП3.030 и фланца спецпрофиля.
В процессе образования вокруг контура выработки зоны неупругих деформаций происходит всестороннее внешнее обжатие крепления нарушенными породами. При горном давлении, превышающем сопротивление податливости крепи спецпрофили, соединенные замками в узлах податливости, под действием сдвига массива горных пород скользят друг относительно друга, в результате чего изменяется геометрия и поперечное сечение рамы. При этом устанавливается необходимое геомеханическое равновесие системы «крепление-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 геомеханические равновесие системы «крепление-массив» в новом состоянии. Работа податливого крепления во многом зависит от параметров рабочей характеристики замка, основное назначение которого состоит в том, чтобы при его затяжке создать стабильные усилия трения между связанными в узлах податливости поверхностями спецпрофилей. При этом взаимное скольжение спецпрофилей в податливом режиме должно осуществляться с обеспечением стабильного рабочего сопротивления, которое требуется от податливого крепления.
Поставленная задача решается тем, что в замке узла податливости металлической рамной крепи из шахтных спецпрофилей, содержащей крепежные скобы П-образной формы с резьбовыми концами 1, расположенными между ними внахлест внутренний и внешний спецпрофили, фланцы которых параллельны несущим планкам, гайки, усилители стабилизаторы 4, согласно полезной модели выполненные в виде шестигранных полых призм с тремя осями симметрии, боковые стороны призмы попарно параллельны друг другу; горизонтальные боковые грани призмы по центру имеют отверстия, через которые пропускаются резьбовые концы П-образной скобы, прилегающие к ним наклонные боковые грани образуют с горизонтальными боковыми гранями угол а, равный углу а наклона внешней боковой поверхности шахтного спецпрофиля к горизонтальной плоскости основания шахтного спецпрофиля (или угла наклона касательной к боковой поверхности спецпрофиля в зоне контакта наклонной боковой поверхности усилителя-стабилизатора и боковой поверхности спецпрофиля если она криволинейная), сопряжения горизонтальных и наклонных боковых граней имеет радиус кривизны от 0,5 до 30 мм, его величина зависит от типа шахтного спецпрофиля.
Известно, что радиус кривизны сопряжения граней призм усилителей-стабилизаторов выбирается таким образом, чтобы обеспечить свободный монтаж стабилизаторов в шахтных условиях без затруднений. Например, по действующим ТУ У 28.1-33360135-002: 2007 «Стабилизаторы замков узла податливости металлической рамной крепи и размер радиусов сопряжения равен 12-15 мм.
3
3
Согласно ГОСТ 18662-83 «Профили горячекатаные СВП для крепи горных выработок. Сортамент» для реализации усилителей-стабилизаторов в шахтах применяются следующие типоразмеры спецпрофилей: СВП 14, СВП 17, СВП 19, СВП 22 и СВП 27 с радиусом изгиба «R» равным 5 мм, а для спецпрофиля СВП 33 - 6 мм. В настоящий момент целым рядом научно-производственных коллективов Украины ведется разработка новых видов шахтных спецпрофилей в дополнение к указанному ГОСТ 18662-83, в которых размер радиуса изгиба «R» может варьироваться от 0,2 мм до 25 мм. Соответственно, с учетом перспективы, после внедрения таких спецпрофилей, потребуются стабилизаторы с указанными размерами радиусов сопряжения в пределах от 0,5 мм до 30 мм.
Таким образом, на основе предложенного усовершенствования замка, достигается получение силовой, геометрически неизменяемой конструкции и полное блокирование перекоса замка и П-образной скобы в процессе оседания крепи под действием горного давления с одновременным улучшением технологии изготовления элементов замка, сборки и его эксплуатации.
Это значительно повышает надежность работы узла податливости, обеспечивает заданное усилие затяжки замка, его стабильность и 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. При небольших затратах на модернизацию общая себестоимость замка растет незначительно и компенсируется повышением надежности, долговечности и безопасности работ. Кроме того, создаются условия для обоснованного уменьшения шага расстановки рам крепления, что значительно снижает ее металлоемкость при сохранении высокой надежности.
В целом элементы предлагаемого замка изготавливаются из углеродистой стандартной стали, технологичны, менее металлоемки, функционально более надежные и регулируемые по усилию силового замыкания.
Полезная модель проверена в процессе стендовых испытаний, а также в шахтных условиях. Результаты испытаний полностью подтвердили его техническую и экономическую эффективность и целесообразность широкого использования. Амортизирующий замок податливости металлической рамной податливой крепи «AЗ» из шахтных спецпрофилей может быть изготовлен в условиях промышленного производства на любом рудоремонтном или другом заводе и может найти широкое применение на угольных, рудничных и сланцевых шахтах для повышения надежности крепи и безопасности ведения горных работ.
С учетом приведениях данных заявляемое решение соответствует нормативным требованиям, предъявляемым к полезной модели.