Технические науки/Автоматизированные системы управления на производстве

Климов Ю.И., Коккоз М.М., Мутовина Н.В., Краснова Н.Н., Рудометкина М.Н.

Карагандинский государственный технический университет

Конечно-элементное моделирование напряженно-деформированное состояние шпурового гидроотрывника

Предлагается способ разрушения горных пород и устройство предназначенное для безвзрывного разрушения горных пород, бетонных фундаментов, а также выемки ниш, подрывки почв выработок, разрушения негабаритов и выполнения других вспомогательных работ горного и строительного производства.

Применение предлагаемых способа и устройства позволяют отказаться от проведения буро-взрывных работ и работы с отбойным молотком, повысить производительность и безопасность работ в стесненных условиях подземных горных выработок.

1 - гидроцилиндр; 2- шток; 3- штанга; 4- цанга; GS1, GS2- гидрозамки; IS- обратный клапан; R- гидрораспределитель; PS- предохранительный клапан; Р- гидронасос; А, В и С – отрывная, возвратная и распорная полости

Рисунок 1 - Шпуровой гидравлический отрывник

Шпуровой гидроотрывник рисунок 1 представляет собой силовой гидроцилиндр 1 с двумя поршнями, один из которых связан со штоком 2, заканчивающимся опорной пятой, а другой выполнен полым и связан со штангой 3, имеющей обратный конус на конце. Своим обратным конусом штанга контактирует с лепестками цанги 4, имеющей внутренний конус. Поршни в силовом цилиндре образуют три гидравлические полости А, В и С. Эти полости сообщаются с маслостанцией привода через напорные рукава.

Работа шпурового гидроотрывника заключается в следующем. В пород-ном массиве предварительно пробуривается короткий шпур и в него вставляется рабочий орган гидроотрывника до упора опорной пяты в дно шпура.

При этом шпуровой гидроотрывник имеет три характерных режима работы: режим распора, режим отрыва, режим возврата. Наибольший интерес представляет первый режим.

В режиме распора гидравлический распределитель R устанавливается в крайнее правое положение и в полость С от насоса Р подается под давлением рабочая жидкость, которая перемещает полый поршень со штангой в направлении от забоя раздвигая лепестки цанги, которые прижимаются к боковым стенкам шпура. Попаданию жидкости в полость А препятствует обратный клапан IS.

Для разбиения геометрической модели штанги сеткой конечных элементов из базы ANSYS был выбран наиболее подходящий для решения нашей задачи элемент SOLID 92, который используется для трехмерного моделирования твердых структур. На рисунке 2 приведена конечно-элементная модель штанги.

Рисунок 2 – Конечно-элементная модель штанги

На рисунке 3 показаны поля распределения деформаций. Максимальные деформации возникают в месте перехода обратного конуса штанги. По мере приближения к поршню штанги деформация уменьшается.

Рисунок 3 – Поля распределения деформаций по оси Х

На рисунке 4 представлены поля распределения напряжений по оси Х. Максимальное напряжение, сосредоточено в местах изменения геометрии модели.

Рисунок 4 – Поля распределения напряжений по оси Х

Из графика, представленном на рисунке 5, видно, что максимальная деформация возникает по оси Х. На участке от 0 до 0,2 мм происходит резкое увеличение деформации, в месте изменения сечения, принимает максимальное значение равное 0,53 мм, от 0,2 до 0,35 мм деформация не изменяется и принимает значение равное 0,4 мм, в точке перехода в конусную часть происходит увеличение деформации до значения 0,48 мм, а затем резкий спад, который вызван закреплением конусной части.

Рисунок 5 – График распределения деформаций по осям

Из графика, представленном на рисунке 6, видно, что максимальное напряжение возникает по оси Х. На участке от 0 до 0,2 мм происходит резкое увеличение напряжения, в месте изменения сечения, принимает максимальное значение равное 107,5 МПа, от 0,2 до 0,35 мм напряжение не изменяется и принимает значение равное 91,7 МПа, в точке перехода в конусную часть происходит увеличение напряжения до значения 100 МПа, а затем резкий спад, который вызван закреплением конусной части.

Рисунок 6 – График распределения напряжений по осям