Спецпрофиль

 

Изобретение относится к шахтным металлическим крепям, к специальным взаимозаменяемым профилям. Для обеспечения равнопрочности спецпрофиля по факторам прочности и местной устойчивости толщины его наклонных стенок d₁ и d днища d приняты из соотношений: , где K₁ - параметр, характеризующий кривизну конструктивного элемента крепи и вид напряженно-деформированного состояния спецпрофиля, принимающий значения: K₁ = 6,93 - для прямолинейных элементов крепи при работе в упругой стадии; K₁ = 5,66 - то же, при работе за пределом упругости; K₁ = 2,91 - для криволинейных элементов крепи при работе в упругой стадии; K₁ - 2,36 - то же, при работе за пределом упругости; W - параметр, принимающий значения упругого W_x или пластического W_t моментов сопротивления поперечного сечения спецпрофиля в зависимости от вида напряженно-деформированного состояния спецпрофиля; K₂, K₃, K₄ и K₅ - параметры, характеризующие форму и размеры поперечного сечения спецпрофиля. 1 ил.

Изобретение относится к шахтным металлическим крепям, а именно к специальным взаимозаменяемым профилям.

Известен спецпрофиль [1] содержащий прямолинейное днище, наклонные боковые стенки и фланцы. Днище выполнено толщиной, равной высоте фланцев и составляющей 3,1-3,8 толщины наклонных боковых стенок. Днище выполнено шириной, равной суммарной ширине фланцев. Наклонные боковые стенки выполнены с углом наклона к оси симметрии спецпрофиля, равным углу, образованному продолжением средних линий боковых стенок профиля и осью симметрии при пересечении этих линий в центре изгиба сечения спецпрофиля. Днище сопрягается с наклонными стенками с внутренней и внешней сторон с образованием внешней и внутренней цилиндрических поверхностей, причем радиус кривизны внутренней цилиндрической поверхности составляет 1,2-1,5 радиуса кривизны внешней цилиндрической поверхности. Однако, как показали шахтные испытания крепей в сложных горно-геологических условиях, еще до исчерпания расчетной несущей способности указанного спецпрофиля происходит потеря местной устойчивости его боковых стенок. Это объясняется, во-первых, тем что при обосновании геометрических параметров поперечного сечения профиля в качестве критерия оптимальности была принята его одинаковая несущая способность по факторам прочности и общей устойчивости без оценки местной устойчивости наклонных стенок при упруго-пластической работе элементов крепи.

Не было учтено, что в предельном состоянии нормальные напряжения в сечении спецпрофиля, обусловленные местным изгибом его стенок, больше, чем нормальные напряжения от общего изгиба и сжатия продольной силой, что вызывает местный изгиб стенок до исчерпания расчетной несущей способности. Во-вторых, условие пересечения продолжений линий боковых стенок профиля в центре его изгиба является слишком жестким и практически невыполнимым, что затрудняет многокритериальную оптимизацию геометрических параметров поперечного сечения спецпрофиля. Кроме того, в соответствии с требованиями технологии изготовления (b₂/(h-d)) ≥ 0,8 необходимо увеличить ширину профиля, что при условии сохранения постоянной массы профиля приводит к уменьшению толщин элементов профиля (стенок, днища, фланцев). При этом жесткость относительно тонких стенок резко уменьшается, вследствие чего ухудшается работа узлов податливости. При увеличении же толщины стенок между днищем и фланцами образуется одинаковый зазор, который не должен превышать толщины стенки, так как в противном случае стенка в нижней части профиля при соединении в узлах податливости работает на сдвиг.

Для устранения указанных недостатков стенки и днище, сопряженные по внешней и внутренней цилиндрическим поверхностям, на участке между сопряжениями выполнены прямолинейными и имеют постоянные толщины d₁, d величины которых приняты из соотношений d₁≥ K d ≥ K где К₁ параметр характеризующий кривизну конструктивного элемента крепи и вид напряженно-деформированного состояния спецпрофиля; К₂, К₃, К₄, К₅ параметры, характеризующие форму и размеры поперечного сечения спецпрофиля; W момент сопротивления поперечного сечения.

На чертеже изображен специальный взаимозаменяемый унифицированный профиль (СВПУ), общий вид.

Спецпрофиль содержит прямолинейное днище 1, наклонные боковые стенки 2 и фланцы 3. Днище 1 выполнено толщиной d, равной высоте фланцев h₁, составляющей 2,4-3,1 толщины d₁ наклонных боковых стенок 2. Днище 1 выполнено шириной b₁, равной суммарной ширине фланцев (b-b₂). Внешняя боковая поверхность 4 фланцев 3 выполнена наклонной, и угол ее наклона β к оси симметрии (у-у) спецпрофиля составляет 4-10^о. Наклонные боковые стенки 2 выполнены с углом наклона α к оси симметрии (у-у) спецпрофиля. Днище 1 сопрягается с наклонными стенками 2 с внутренней и внешней сторон с образованием внешней (с радиусом кривизны R₁) и внутренней (с радиусом кривизны R₂) цилиндрических поверхностей. Для предотвращения потери устойчивости стенок спецпрофиля до исчерпания расчетной несущей способности крепи за счет обеспечения равенства нормальных напряжений, обусловленных общим и местным изгибом стенок и днища спецпрофиля при упруго-пластическом деформировании крепи, и повышения надежности работы податливых соединений крепи за счет обеспечения гарантированного контакта по всей длине плоских стенок соединяемых внахлест концов элементов крепи, геометрические параметры поперечного сечения спецпрофиля выбраны в зависимости от величины упругого W_х и пластического W_т моментов сопротивления поперечного сечения спецпрофиля, его высоты h, высоты фланцев h₁, ширины профиля по фланцам b, величины раскрытия профиля по фланцам b₂, ширины днища по внутреннему контуру b₃, угла наклона стенок α радиусов кривизны внешней R₁ и внутренней R₂ цилиндрических поверхностей сопряжения днища со стенками, длины l и радиуса кривизны R элементов крепи в соответствии с соотношениями.

для прямолинейных элементов крепи: при работе в упругой стадии d₁≥ 6,93 (1) при работе за пределом упругости d₁≥ 5,66 (2) Для криволинейных элементов крепи: при работе в упругой стадии d₁≥ 2,91 ^; (3) при работе за пределом упругости d₁≥ 2,36 ^; (4) где W_x и W_т упругий и пластический моменты сопротивления сечения спецпрофиля при изгибе в плоскости симметрии; а геометрический параметр, определяемый по формуле
a (b₂-b₃)/2 + (b-b₂)/4 d₁/₂
-R₂(1-sin α )cos α
l и R соответственно длина и радиус элемента крепи;
b₃ ширина днища по внутреннему контуру;
h высота профиля.

При этом толщина днища d должна также удовлетворять соотношениям вида (1)-(4), если подставить в них вместо параметра а параметр а₁ а + b₃/2 + d₁/2.

Из всех полученных значений параметров d₁ и d выбираются наибольшие их величины, при этом должно выполняться соотношение d₁ ≥ d ˙ sin α (5) Причем радиус кривизны R₂ внутренней цилиндрической поверхности связан с радиусом кривизны R₁ внешней цилиндрической поверхности соотношением R₁≥ R₂- (6)
Для серийно выпускаемого спецпрофиля СВП-17 геометрические параметры которого приведены в [3] из соотношений (1)-(6) получается d₁ ≥ 6,4 мм и d ≥ 9,6 мм, тогда как в действительности принято d₁ 6,0 мм и d 8,5 мм. Это приводит к потере формы сечения профиля в виде местного изгиба стенок и днища при нагрузках, не достигающих расчетных значений, что подтверждается лабораторными испытаниями, проведенными в ТулГТУ [4]
В конструкции разработанного в соответствии с заявками [1] и [2] спецпрофиля СВПУ-14а, геометрические параметры которого приведены в [3] за счет утолщения днища указанный недостаток серийных профилей был частично устранен, однако толщина его стенок d₁ 5 мм не обеспечивает их местной устойчивости, так как из соотношений (1)-(6) она должна быть не менее 5,3 мм. Эффект потери устойчивости стенок проявился при испытаниях отрезков спецпрофиля СВПУ-14а в лаборатории кафедры сопротивления материалов ТулГТУ, стендовых испытаниях крепей из этого спецпрофиля в институте КузНИИШахтострой, а также при испытаниях тех же крепей в сложных условиях шахты "Капитальная" объединения "Кузнецкуголь".

Параметры поперечного сечения предлагаемого профиля, удовлетворяющие соотношениям (1)-(6), обеспечивают его равнопрочность по факторам прочности, общей и местной устойчивости при наименьшей металлоемкости.

Формула изобретения

СПЕЦПРОФИЛЬ, содержащий днище, наклонные боковые стенки, расположенные под углом к оси симметрии профиля и сопрягающиеся с днищем по внешней и внутренней цилиндрическим поверхностям, и фланцы, высота которых больше толщины боковых стенок и равна толщине днища, а общая их ширина равна ширине днища, отличающийся тем, что стенки и днище, сопряженные по внешней и внутренней цилиндрическим поверхностям, на участке между сопряжениями выполнены прямолинейными и имеют постоянные толщины d₁, d, величины которых приняты из соотношений


где K₁ - параметр, характеризующий кривизну конструктивного элемента крепи и вид напряженно-деформированного состояния спецпрофиля, принимающий значения:
K₁ = 6,93 - для прямолинейных элементов крепи при работе в упругой стадии;
K₁ = 5,66 - то же при работе за пределом упругости;
K₁ = 2,91 - для криволинейных элементов крепи при работе в другой стадии;
K₁ = 2,36 - то же при работе за пределом упругости;
W - параметр, принимающий значения упругого W_x или пластического W_т моментов сопротивления поперечного сечения спецпрофиля в зависимости от вида напряженно-деформированного состояния спецпрофиля;
K₂ - K₅ - параметры, характерижующие форму и размеры поперечного сечения спецпрофиля, определяемые из выражений:
K₂= (b₂-b₃):2+(b-b₂):4
-d₁(2-R₂)1-sinα/cosα ;
K₃ = 1/l²;
K₄ = K₂ + b₃/2 + d₁ /2;
K₅ = R(2h - h₁ - d),
причем из всех полученных значений d₁ и d выбраны наибольшие их величины при одновременном соблюдении ограничений
d₁≥ d sinα ;
d = (2,4 - 3,1)d₁;

РИСУНКИ

Рисунок 1