Податливое соединение крепи

)5 Е 21 О 11/22 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ У Изоб строитель для пода испытыва ние. АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ(71) Днепропетровский горный институт им. Артема(56) Авторское свидетельство СССР М 1153073, кл. Е 21 О 11/22, 1983.Авторское свидетельство СССР М 1151680, кл. Е 21 О 11/22, 1983.(54) ПОДАТЛИВОЕ СОЕДИНЕНИЕ КРЕПИ (57) Изобретение относится к горному делу и м.б. использовано для крепления выработок. Цель - улучшение эксплуатационных характеристик крепи за счет повышения соетение относится к подземному ству и может быть использовано ливой крепи горных выработок, ющих нарастающее горное давлеИзвестно податливое соединение, включающее установленный между днищами профилей стальной вкладыш, выполненный в виде синусоиды с амплитудой, соответствующей зазору между днищем профилей, а концы которого в виде петель с размещенными в них втулками, взаимодействующими с торцами соединенных профилей,Однако известное устройство имеет жесткий характер нарастания сопротивления при малой длине податливости.Наиболее близким к изобретению является податливое соединение крепи, включающее замок для стягивания профилей и.Ы 2 1726776 А 1 противления податливости. Для соединения спецпрофилей (С) используются хомуты и размещенный между С вкладыш, который имеет вид полуцилиндрических выступов (ПВ), встречно направленных под острым углом относительно продольных осей С. Сами ПВ нанесены на контактные поверхности С на одинаковом расстоянии друг от друга, Между собой ПВ образуют замок с углом зацепления ПВ, равным 0ух агссц 1, где р - угол зацепления, град;- коэффициент трения металла по металлу. Кроме того. ПВ на одном из С выполнены на участке по длине С большем, чем на другом С на величину не меньшую величины податливости крепи. 1 з,п.ф-лы, 5 ил,установленныи между их днищами вкладышв виде петель с диаметрально расположенными перегибами, с загнутыми за торцыпрофилей концами,Данное устройство обладает недостаточным сопротивлением и малой длиной податливости в условиях нарастающегогорного давления, кроме того, трудоемкостьмонтажа. сложность конструкции и формывкладыша, двойная вальцовка которого в ограниченном пространстве обеспечивает заданный прирост сопротивленияподатливости лишь на определенной длинеподатливости.Цель изобретения - улучшение эксплуатационных характеристик крепи путем повышения сопротивления податливогосоединения,Цель достигается тем, что вкладыш выполнен в виде полуцилиндрических высту 1726776пов, встречно направленных под острым углом относительно продольных осей соединяемых спецпрофилей, причем выступы выполнены на контактных поверхностях последних на одинаковом расстоянии друг от друга с возможностью образования замкового соединения, имеющего угол зацепления О рагсс 1 д 1(о - угол зацепления, град., 1 - коэффициент трения металла по металлу).На фиг.1 показано податливое соединение, общий вид; на фиг,2 - разрез А-А на фиг.1; на фиг,З - контактные поверхности профилей; на фиг.4 - схема распределения действующих в соединении сил; на фиг.5 - схема определения величины силы упругости.Податливое соединение крепи горных выработок состоит из элементов желобчатого профиля наружного 1 и внутреннего 2, на контактируемых поверхностях которых под углом а к их продольной оси выполнены на одинаковом расстоянии с углом зацепления уполуцилиндрические выступы 3 и 4 с ориентацией контактируемых поверхностей соответственно выступы против впадин, стянутых между собой при необходимости хомутами 5 (фиг.1,2,3),Работа устройства заключается в использовании силы упругости материала профилей 1 и 2 и дополнительной прижимающей силы, возникающих в процессе зацепления и совмещения выступов 3 и 4 под воздействием сдвигающей силы на элементы 1 и 2 крепи и стремящихся расклинить их, вызывая при этом увеличение прижимающей силы, т.е, повышение сопротивления податливости соединения.Необходимость выполнения условия податливого режима работы в пределах величины упругости материала профилей 1 и 2 обеспечивается возможностью проскальзывания выступов 3 и 4 относительно друг друга при их взаимодействии, т.е. наличия приемлемых углов зацепления р, которые, исходя из теории трения, должны быть меньше агсс 91,где 1 - коэффициент трения взаимодействующих материалов, Так как влияние угла р проявляется только при наличии зацепления выступов по направлению действия сдвигающей нагрузки, т.е. при р 0, то возникающая при этом линия зацепления должна иметь угол встречи выступов 3 и 4, именуемый в данном случае углом наклона выступов а по отношению к продольной оси профиля.При действии на профили 1 и 2 сдвигающей силы М (фиг.4) происходит зацепление выступов 3 и 4, вызывающее ее перераспределение на нормальную йзи аи касательную М сов а составляющие. Последняя фактически и является дополнительной прижимающей силой. В том случае,5 когда выступы 3 и 4 выполнены под тупымуглом а, касательная составляющая стремится разъединить профили 1 и 2, вызываяпри этом увеличение силы натяжения Р хомутов 5, что чревато их разрывом или сры 10 вом натяжной гайки, В случае выполнениявыступов 3 и 4 под острым углом а касательная составляющая направлена на прижатие профилей 1 и 2 друг к другу, т.е.происходит самозатяжка профилей 1 и 2,15 Самоформирование прижимающих усилий достигается за счет наличия некоторойстепени свободы продольного смещениявыступов 3 и 4 относительно друг друга иобеспечивается при а агссщ 1 (приложение20 сдвигающей нагрузки вне радиуса угла трения). Поэтому влияние угла а сказываетсяв пропорциональности распределения величины касательной и нормальной составляющей сдвигающей силы М (фиг,4) и25 соответственно влияет на величину силы сопротивления податливости. Следовательно,формированием величины силы прижатияпрофилей 1 и 2 силой натяжения Р хомутов5, в принципе, можно отказаться. В том и30 другом случаях нормальная составляющаясилы й стремится срезать выступы 3 и 4(фиг.4),Очевидно, что режим работы зависит отвеличины угла зацепления р; выступов 3 и35 4 и коэффициента трения 1 между взаимодействующими материалами и определяется при р агсс 1 д 1 (жесткий режим работысоединения и при грагссщ 1 (податливый).В жестком режиме работы величина со 40 противления соединения определяетсяпрочностью выступов 3 и 4 на срез,Решение задачи равномерного распределения нагрузки по всей контактируемойповерхности и необходимости реализации45 некоторой степени свободы, а также достижения максимальной прочности выступов 3и 4 достигается за счет полуцилиндрическойих формы, что позволяет достичь сочетаниярежима плавного равномерного скольжения и зацепления. Особенность процесса втом, что это достигается при любых К в зонемаксимальных концентраций напряжений(максимальные значения которых приходятся на верхушку выступов 3 и 4), по достиже 55 нии которой скольжение осуществляется собратным знаком. В случае угольчатой формы при изменении М, еще не достигая зоны максимальныхнапряжений за счет выдавливания профилей (реакция Ру). Эта форма в максимальной 10 15 Кзпа зи р,йзпа созр отражает наличиепостоянства величины нормальной составляющей й зи а при изменении угла О в ы профиля (спраиков АОВ и КОО уточные расчеты,(3) КО бпах в формулу ( Подставив значенияполучим равенствод(4) концентраций, происходит срез выступающей части выступов.В случаях наличия площадок исчезает влияние а и следует мгновенное снятие степени удовлетворяет требованию долго-, вечности и прочности (при действующих в соединении нагрузок), достигающих предела текучести используемых в настоящее время материалов и условию приемлемостиугла зацепления р. В податливом режиме работы силази а способствует прижатию элементов 1 и 2 и перераспределяется на силу йзп а зпу среза и силу йзпа созр - силу упругого деформирования Ру (фиг.4),Взаимосвязь углов р и а в выражениях процессе взаимодействия выступов 3 и 4 полуцилиндрической формы,Для определения взаимосвязи параметров и величины сопротивления податливости соединения произведен аналитический расчет.Исходя из теории расчета упругих балок и плит определяем величину Ру3 адах Е д(1) где Ьах - максимальный вертикальный прогиб в точке, наиболее удаленной от центра основания профиля (точки защемления, фиг.5); Е - модуль упругости стали профиля; д- толщина основания профиля; С - плечо приложения силы Ру относительно точки максимального прогиба;- расстояние от точки защемления до точки максимального прогиба.Размер С зависит от типоразмера применяемого профиля и высоты г выступов 3 и 4 и определяется из выраженияН+Ь+ +д где Н, Ь, р и д - параметвочные),Из подобия треугольния р= условию что удовлетворяет стижения податлииз которого следует, что величина силы Ру упругого деформирования профилей в процессе работы податливого. соединения зависит только от угла зацепления р и достигает своего максимального значения при р = О, т,е. при полном совмещении выступов 3 и 4. Следовательно, величина силы сопротивления податливости при условии наличия максимальной величины Рааху равнаМ = 1 Р + 1 Ру и (5) где Р - величина силы прижатия контактных поверхностей профилей 1 и 2 обычного соединения (без выполнения выступов 3 и 4);и - количество параллельных взаимодействующих пар выступов 3 и 4;1 - коэффициент трения металла по металлу.Из выражения (4) видно, что величина Ру прямо пропорциональна высоте г. Следовательно, максимальной высоте уступов 3 и 4 соответствует и максимальное. значение Ру, т.е. проявляется явно выраженная тенденция к максимально возможной высоте г, ограничиваемой конструктивными параметрами профилей 1 и 2 (фиг,5 и выражение (2), где С не может быть больше П. Величина С зависит от качественной характеристики материала профилей (модуля упругости), что следует из выражения (1); Из выражения (3) следует, что, если известно Ьпах, то из выражения (4) можно определить максимальное значение г, выразив С через г из выражения (2) и приняв у= 0 (момент совмещения выступов 3 и 4), которому соответствует максимальное значение Ру, Очевидно, что при уменьшении высоты г выступов 3 и 4 к высоте шероховатости применяемого материала Ру исчезает, тогда сопротивление податливости будет обеспечиваться только за счет силы трения (работа обычного соединения).Так как первое слагаемое выражения (5) является величиной силы сопротивления податливости обычного соединения, то коэффициент относительного увеличения сопротивления податливости 1 будет определяться из выраженияР иК=-р -"+1. .(6)Исходя из полуцилиндрической формы конструкции выступов 3 и 4, максимальная величина угла зацепления с (момент полного зацепления, когда расстояние между профилями 1 и 2 в зоне контакта минимальное, т.е. равно г) определяется из выраже(8) Выражение (8) наглядно доказывает возможность повышения величины сопротивления податливости соединения с помощью предлагаемого устройства, так как в сумму числителя входит величина Р и знаменатель всегда при этом будет1.Так как величина сопротивления податливости соединения находится в прямо пропорциональной зависимости от количества пар зацеплений и, то максимально возможное их количество определяется из выраже- ния-оВпервоначальная (конструкт ерекрытия профилей 1 и 2 и при установке крепи);расстояние между выступами для х фоомы равног /3.оянство величины сопротивления ости обеспечивается равным колипар зацепления. Очевидно, что это тся за счет продления участка выя выступов на одном из профилей ую длину,ходимым условием применяемых ций податливых крепей является ивная) (длина где о - длина и нахл ест В -данной и Ь =2 Пост податлив еством достигае полнени на больш Необ конструквого режима работы при использовании материалов с коэффициентом трения 10,6.,Для промежуточных значений угла р сопротивление податливости зависит от прочности выступов 3 и 4 на срез тср и величины силы басова - силы самозатяжки профилей 1 и 2, Для положения полного зацепления выступов (фиг,4) взаимосвязь а и у проявляется и в изменении величины прочности срезатр2 г) г 31 п р 1/зи а, (7) где т, - допустимое напряжение на срез при ручной сварке (800 - 1100 кг/см );1 - длина зацепления пары выступов, равная 2 Н - СэпаИспользование эффекта самозатяжки профилей предопределяет угол (2 ( аГСС 19 1, а, с другой стороны, требуется минимальная длина проскальзывания профилей при создании максимальной величины силы сопротивления податливости. При углах а ) агсс 19 т эффект самозатяжки профилей исчезает и силу сопротивлЕния податливости составляют только Ру и Р.Учитывая влияние всех действующих в соединении сил, получим величину сопротивления податливости наличие возможности перехода в жесткий режим работы по исчерпании расчетной податливости О (фиг.З), Это при данной конструкции достигается тем, что на одной из 5 контактируемых плоскостей выступы 3 и 4выполняются на длине(+ О) (фиг.З, выступы 4 на профиле 2), а на другой А - с разрывом на длину, равную О (выступы 3 на профиле 1), чем и достигается воэможность 10 по исчерпанию конструктивной податливости О эа счет ввода дополнительных пар зацеплений выступов 3 и 4 повысить сопротивление податливости соединения для работы крепи в жестком режиме.15 Конкретным примером примененияэтой конструкции податливого соединения может быть соединение сборных элементов податливой крепи из желобчатого профиля.применяемых для крепления подготовки 20 горных выработок на шахтах и рудниках,При использовании предлагаемой конструкции податливого соединения элементов крепи желобчатого профиля обеспечивается повышение и возможность 25 эффективного регулирования величины сопротивления податливости и обеспечение его увеличения пропорционально длине податливости; максимальное использование силы упругости материала профилей и стяж ных хомутов в формировании величины сопротивления податливости; простота конструкции; отсутствие проскальзывания профилей при монтаже крепи; возможность создания податливого соединения без 35 стяжных хомутов; возможность перехода нажесткий режим работы по исчерпанию длины расчетной податливости; наличие жесткой связи материала, обладающее большим коэффициентом трения с контактной повер хностью профиля; снижение трудоемкостипроцесса монтажа крепи и последующей ее эксплуатации; уменьшение металлоемкости крепи горных выработок.Экономический эффект может быть пол учен за счет снижения трудоемкости процесса монтажа; умен ьш Ения металлоемкости крепи; повышения темпов и снижения себестоимости проходки; увеличения срока службы крепи и снижения за трат по перекреплению горных выработок,Формула изобретения 1,Податливое соединение крепи, включающее размещенный между соединяемыми внахлест элементами из спецпрофиля 55 вкладыш и охватывающие соединяемыеэлементы хомуты, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик крепи за счет повышения сопротивления податливости, вкладыш выполнен в виде полуцилиндрическихвыступов, встречно направленных под острым углом относительно продольных осей соединяемых спецпрофилей, причем выступы выполнены на контактных поверхностях последних на одинаковом расстоянии друг от друга с возможностью образования замкового соединения, имеющего угол зацепления0фэгсст 9 1,где р- угол зацепления, град;- коэффициент трения металла по металлу. 2.Податливое соединение по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что полуцилиндрическиевыступы на одном из соединяемых спецпрофилей выполнены на,участке по длине спец- профиля большем, чем на другом соединяемом спецпрофилем на величину не 10 меньшую величины. податливости крепи.1726776 Фиг Осауленко Редактор М.Келе ек одственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарин аз 1262 ВНИИПИ Госуд Составитель В.Куха Техред М,Моргента Тираж Подписноевенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5