П’ятиланкове металеве арочне податливе кріплення

П'ятиланкове металеве арочне податливе кріплення, що містить з'єднані між собою рами, кожна з яких складається з триланкового верхняка й одноланкових стійок, ланки яких виконані з металевого шахтного спецпрофілю і з'єднані між собою вузлами податливості, утвореними сполученими внапусток кінцевими частинами ланок і скріпленими замками, яке відрізняється тим, що верхняк і стійки кожної рами виконані з криволіній де Ri - радіус кривизни бічних криволінійних ланок верхняка рами, мм; R2 - радіус кривизни криволінійних ланок стійок рами, мм; R3 - радіус кривизни середньої криволінійної ланки верхняка рами, мм; К - коефіцієнт пропорційності, К = 1,5-3,7, а замки вузлів податливості закріплені на кінцевих частинах ланок, що сполучаються таким чином, що відстань між ними в процесі просідання рами кріплення під навантаженням залишається постійною. Корисна модель відноситься до гірської промисловості, зокрема, до багатоланкових металевих арочних податливих кріплень і може бути використана для кріплення гірничих виробок у різних, у тому числі складних, гірничо-геологічних умовах. З рівня техніки відоме аналогічне корисній моделі п'ятиланкове металеве арочне податливе кріплення, що включає з'єднані між собою рами, кожна з яких складається з трьохланкового верхняка й одноланкових стійок, ланки яких виконані з металевого шахтного спецпрофилю і з'єднані між собою вузлами податливості, утвореними сполученими внапустку кінцевими частинами ланок і скріпленими замками [«Рамные крепи горных выработок», обзорная информация и справочные материалы, ЦБНТИ Дон УГИ Госуглепрома Украины, Донецк, 1992, с. 4-5, рис. 4 «Крепь КМП-А5 (АП 5)», аналог]. Трьохланковий верхняк рами відомого кріплення включає криволінійну середню ланку з постійним радіусом кривизни по всій його довжині і криволінійні бічні ланки з криволінійними верхніми ділянками, сполученими із середньою криволінійною ланкою, і прямолінійними нижніми ділянками, сполученими з прямолінійними одноланковими стійками. У вузлах податливості рами цього кріплення ланки верхняка і стійок скріплені відомими замками типу ЗСД. Замок ЗСД являє собою хомут, що містить фігурну планку з отворами і дві зблоковані за допомогою підкладки і розташовані під кутом друг до друга кріпильні скоби П-образної форми з різьбовими кінцями, пропущеними через отвори фігурної планки, і гайки [«Рамные крепи горных выработок», обзорная информация и справочные материалы, ЦБНТИ Дон УГИ Госуглепрома Украины, Донецк, 1992, с. 3-4, рис. З-б «Замок ЗСД (черт. АП3.070)»]. Фігурна планка виготовляється зі спеціального профільного прокату ПЗС-20. Це п'ятиланкове кріплення відноситься до кріплень циркульного типу, тому що центри радіусів кривизни середньої ланки і верхніх частин бічних ланок трьохланкового верхняка знаходяться в площині симетрії рами кріплення й в одній точці. Недоліком кріплення циркульного типу є те, що воно не володіє високою несучою здатністю. У зв'язку з тим, що усі ланки верхняка і стійок виконані різної довжини і форми, суттєво збільшу Ri = R2 = К-Яз, 00 5Г 8414 ється номенклатура, собівартість і трудомісткість виготовлення ланок і монтажу рами кріплення в шахтних умовах. Крім того, ускладнюється транспортування великогабаритних бічних ланок верхняка рами кріплення, як під час перевезення транспортними засобами, так і при доставці в гірничу виробку. Поряд з цим, згаданий замок має нестабільне затискне зусилля, що вимагає періодичного підтягування гайок, Необхідність застосування спеціального профільного прокату для виготовлення фігурної планки викликає також збільшення номенклатури деталей і матеріалів, зниження технологічності і підвищення собівартості. У вузлі податливості рами серійного кріплення передбачена установка одного такого замка. Оскільки один такий замок забезпечує дуже вузьку ділянку затиснення спецпрофілів, вузол податливості рами під час дії згинаючого моменту часто здобуває функцію шарнірного вузла і починає функціонувати за принципом шарнірного з'єднання, що супроводжується розривною деформацією однієї зі сполучених ланок рами. У зв'язку з цим, і у випадках, коли необхідна підвищена величина робочого опору кріплення, виникає необхідність установки в кожнім вузлі податливості рами двох таких замків, що суттєво збільшує вартість кріплення і трудомісткість його зведення. З рівня техніки відоме аналогічне і найбільш близьке до корисної моделі по призначенню, суті і кількості загальних ознак п'ятиланкове металеве арочне податливе кріплення, що включає з'єднані між собою рами, кожна з яких складається з трьохланкового верхняка й одноланкових стійок, ланки яких виконані з металевого шахтного спецпрофілю і з'єднані між собою вузлами податливості, утвореними сполученими внапустку кінцевими частинами ланок і скріпленими замками [«Polygonformiger Streckenausbau» («Полігональне кріплення гірничої виробки») DE № DT 2546493, В1, 2 МПК E21D11/18, фіг. 5, 6, заявл. 17.10.1975, опубл. 30.12.1976, найбільш близький аналогпрототип]. Ланки верхняка і стійок рами мають різну довжину. Кінцеві частини ланок верхняка і стійок рами на ділянках установки замків і утворення вузлів податливості виконані прямолінійними. Середні частини ланок верхняка і стійок рами виконані криволінійними і мають однакові радіуси кривизни для одного типу ланок і різні радіуси кривизни для різного типу ланок. Недоліком кріплення полігонального (багатокутного) типу є те, що, через недосконалість форми рами, вона також не володіє високою несучою здатністю. У зв'язку з тим, що усі ланки верхняка і стійок виконані різної довжини і форми, суттєво збільшується номенклатура, собівартість і трудомісткість виготовлення ланок і монтажу рами кріплення в шахтних умовах. Крім того, ускладнюється транспортування великогабаритних середніх ланок верхняка і ланок стійок рами кріплення, як під час перевезення транспортними засобами, так і при доставці в гірничу виробку. Поряд з цим замки вузлів податливості рами створюють нестабільну величину робочого опору кріплення. Викликано це тим, що замки вузлів податливості закріплені на кінцевих частинах ланок, що сполучаються, таким чином, що відстань між ними в процесі просідання рами кріплення під навантаженням пропорційно збільшується. За рахунок цього пропорційно збільшуються площі поверхонь кінцевих частин ланок, що сполучаються, верхняка і стійок і сили тертя у вузлах податливості рами. Це у свою чергу адекватно приводить до підвищення робочого опору кріплення, що суттєво змінює робочу характеристику кріплення в процесі його просідання під навантаженням у податливому режимі роботи. З цієї причини у відомому кріпленні не забезпечується стабільність робочого опору і робочої характеристики кріплення. Однак відомо, що основне призначення замків полягає в тому, щоб при їхньому затягуванні створити стабільні на всьому інтервалі конструктивної податливості зусилля тертя між сполученими у вузлах податливості поверхнями кінцевих частин ланок рами. Відповідно до вимог до податливого кріплення взаємне ковзання кінцевих частин ланок рами в податливому режимі повинне здійснюватися з забезпеченням стабільного робочого опору. Тому, стабільність робочого опору податливого кріплення, висока несуча здатність і технологічність, транспортабельність, а також низька собівартість є основними показниками, що характеризують технічну досконалість його конструкції. Технічною задачею, на рішення якої спрямована пропонована корисна модель є в п'ятиланковому металевому арочному податливому кріпленні, шляхом удосконалення геометричних параметрів ланок трьохланкового верхняка й одноланкових стійок рами, а також оптимального компонування замків вузлів податливості, забезпечити зниження номенклатури ланок, виконання їх з одномірної заготівки шахтного спецпрофілю і стабілізацію величини робочого опору кріплення. Технічним результатом, що досягається від використання пропонуємо! корисної моделі, є підвищення технологічності і транспортабельності ланок багатоланкового верхняка і стійок рами, підвищення несучої здатності, а також стабілізація робочої характеристики кріплення в процесі його просідання під навантаженням у податливому режимі роботи. Поставлена технічна задача вирішується, а технічний результат досягається тим, що в п'ятиланковому металевому арочному податливому кріпленні, що включає з'єднані між собою рами, кожна з яких складається з трьохланкового верхняка й одноланкових стійок, ланки яких виконані з металевого шахтного спецпрофілю і з'єднані між собою вузлами податливості, утвореними сполу 8414 ченими внапустку кінцевими частинами ланок і скріплених замками, згідно винаходу, верхняк і стійки кожної рами виконані з криволінійних ланок, що мають однакову довжину дуги і постійний радіус кривизни по всій довжині кожної ланки, при цьому радіус Ri кривизни бічних криволінійних ланок верхняка відповідає радіусу R2 кривизни криволінійних ланок стійок і дорівнює: де Ri - радіус кривизни бічних криволінійних ланок верхняка рами, MM, R2 - радіус кривизни криволінійних ланок стійок рами, MM, R3 - радіус кривизни середньої криволінійної ланки верхняка рами, мм, К - коефіцієнт пропорційності, К=1,5-3,7, а замки вузлів податливості закріплені на кінцевих частинах ланок, що сполучаються, таким чином, що відстань між ними в процесі просідання рами кріплення під навантаженням залишається постійною. Приведені ознаки корисної моделі є суттєвим, тому що в сукупності достатні для рішення поставленої технічної задачі і досягнення технічного результату, а кожний окремо необхідний для ідентифікації кріплення, що заявляється. Ця сукупність загальних і відмітних від прототипу суттєвих ознак, якими характеризується удосконалене кріплення, невідома з рівня техніки, є новою і достатньою для усіх випадків, на які поширюється обсяг правового захисту. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю суттєвих ознак кріплення, у тому числі відмітних при їхній взаємодії з загальними ознаками, у рішенні поставленої технічної задачі і досягненні технічного результату, полягає в наступному. У зв'язку з тим, що верхняк і стійки кожної рами виконані з криволінійних ланок, що мають однакову довжину дуги і постійний радіус кривизни по всій довжині кожної ланки, забезпечується зниження номенклатури ланок і можливість виконання їх з одномірної заготівки шахтного спецпрофілю. У результаті суттєво знижується номенклатура, собівартість і трудомісткість виготовлення ланок і спрощується трудомісткість монтажу рами кріплення в шахтних умовах. При цьому значно поліпшується транспортабельність за рахунок того, що спрощується транспортування однакових по довжині малогабаритних ланок верхняка і стійок рами кріплення, як під час перевезення їх транспортними засобами, так і при доставці їх у гірничу виробку. Унаслідок того, що радіус Ri кривизни бічних криволінійних ланок верхняка відповідає радіусу R2 кривизни криволінійних ланок стійок, забезпечується раціональна геометрична форма рами, щільне прилягання контактуючих поверхонь по всій довжині напустки кінцевих частин згаданих ланок і їхнє плавне ковзання в процесі просідання рам кріплення під навантаженням. А виконання радіуса Ri кривизни бічних криволінійних ланок верхняка і радіуса R2 кривизни криволінійних ланок стійок рівними: Ri=R 2 =KR 3 , де Ri - радіус кривизни бічних криволінійних ланок верхняка рами, MM, R2 - радіус кривизни криволінійних ланок стійок рами, MM, R3 - радіус кривизни середньої криволінійної ланки верхняка рами, мм, К - коефіцієнт пропорційності, К=1,5-3,7, забезпечує формування з криволінійних ланок оптимальної кривизни верхняка і стійок рами п'ятиланкового кріплення еліпсоїдної форми, що володіє, як більш високою несучою здатністю при тій же масі комплекту рами, так і достатньою площею її поперечного переріза, необхідною для зручного розміщення технологічного устаткування і безпечною для роботи персоналу. Згаданий діапазон значень коефіцієнта пропорційності (К=1,5-3,7) обрано дослідним шляхом, є оптимальним для формування еліпсоїдної форми рами п'ятиланкового кріплення з ланок однакової довжини і забезпечує найкраще сполучення величини несучої здатності рами кріплення і величини площі її поперечного переріза, необхідної для зручного розміщення технологічного устаткування і безпечної для роботи персоналу. Дослідним шляхом установлено, що вибір коефіцієнта пропорційності менше нижньої межі (К=1,5) недоцільний, тому що рама п'ятиланкового кріплення приймає обрису, близьку до форми рами кріплення циркульного типу, що володіє зниженою несучою здатністю. Дослідним шляхом установлено, що вибір коефіцієнта пропорційності більше верхньої межі (К=3,7) також недоцільний, тому що рама п'ятиланкового кріплення приймає обрису рами кріплення еліпсоїдної форми, що надмірно сплюснена з боків. Рама такого кріплення хоча і володіє високою несучою здатністю, але має малу площу поперечного переріза, що стає недостатньою для зручного розміщення технологічного устаткування і небезпечною для роботи персоналу. Крім того, при такій геометричній формі рами кріплення похилі площини, що проходять через середини замків нижніх вузлів податливості, розташовуються до осі симетрії рами під оптимальним кутом 7-32°. При таких значеннях згаданого кута забезпечується плавне ковзання кінцевих частин бічних криволінійних ланок, що сполучаються, верхняка і криволінійних ланок стійок, що суттєво підвищує стабільність робочого опору кріплення в процесі його просідання під навантаженням на всьому діапазоні його конструктивної податливості. У зв'язку з тим, що замки вузлів податливості закріплені на кінцевих частинах ланок, що сполучаються, таким чином, що відстань між ними в процесі просідання рами кріплення під навантаженням залишається постійною, забезпечується щільне прилягання контактуючих поверхонь у межах усієї довжини напустки кінцевих частин згаданих ланок. При цьому досягається їх плавне відносне ковзання у вузлах податливості на всьому діапазоні конструктивної податливості кріплення. А сили тертя ковзання між ланками, що сполучаються, у вузлах податливості рами стабілізуються, у результаті чого стабілізується і величина робочого опору кріплення, а, отже, і робоча характеристика кріплення. Пояснюється це тим, що в процесі просідання 11 кріплення від нуля плавно збільшується пропорційно навантаженню до проектного - постійного робочого значення, при якому, після деякого просідання, настає кінцева геомеханічна рівновага системи «кріплення - масив». Робочий опір кріплення забезпечується силами тертя між взаємодіючими у верхніх і нижніх вузлах податливості 7 прямолінійними кінцевими частинами ланок 4, 5, 6 верхняков 2 і стійок З, з'єднаними за допомогою замків 8 з необхідним зусиллям затягування. При перевищенні тиску порід над силами тертя у вузлах податливості 7 рам 1 кріплення, тобто над величиною конструктивного опору кріплення, відбувається плавне відносне прослизання кінцевих частин ланок 4, 5, 6 верхняка 2 стійок 3 і часткове просідання ланок 4, 5 верхняків 2 з одночасною зміною перерізу рам 1. Просідання ланок 4, 5 верхняків 3 і зміна перерізу рам 1 відбувається доти, поки не установиться геомеханічна рівновага системи «кріплення - масив» у новому урівноваженому стані. Як у початковий момент після зведення кріплення, так і при його роботі під навантаженням у податливому режимі, у процесі просідання ланок 4, 5 верхняків 2 відстані t між замками 8, а, отже, і довжини взаємодіючих кінцевих ділянок ланок 4, 5, 6 верхняків 2 і стійок 3 залишаються незмінними. При цьому залишаються незмінними і площі поверхонь їхнього тертя у вузлах податливості 7. У процесі роботи кріплення цей процес багаторазово повторюється. За рахунок цього забезпечується оптимальна робоча характеристика кріплення, тобто стабільний (постійний) чи похилозростаючий його робочий опір під навантаженням при мінімальних значеннях розкиду величини згаданого робочого опору у всьому інтервалі значень конструктивної податливості для верхніх (120-200мм) нижніх (5001000мм і більш) вузлів податливості 7 аж до його вичерпання. При вичерпанні всього інтервалу конструктивної податливості п'ятиланкового металевого арочного податливого кріплення його внутрішні кінцеві частини криволінійних ланок 6 стійок 3 і бічних криволінійних ланок 5 верхняків 2 упираються від 8414 12 повідно в бічні криволінійні ланки 5 і середні криволінійні ланки 4 верхняків 2. При цьому рами 1 і кріплення у цілому переходять у жорсткий режим роботи. Таким чином, в удосконаленому п'ятиланковому металевому арочному податливому кріпленні за рахунок удосконалення геометричних параметрів ланок 4, 5, 6 трьохланкового вєрхняка 2 й одноланкових стійок 3 рами 1, а також оптимального компонування замків 8 вузлів податливості 7, забезпечується зниження номенклатури ланок 4, 5, 6, виконання їх з одномірної заготовки шахтного спецпрофілю і стабілізація величини робочого опору кріплення. Це забезпечує підвищення технологічності і транспортабельності ланок 4, 5, 6 трьохланкового вєрхняка 2 і одноланкових стійок 3 рами 1, підвищення несучої здатності, а також стабілізацію робочої характеристики кріплення в процесі його просідання під навантаженням у податливому режимі роботи, що і є технічним результатом, який досягається від використання пропонованої корисної моделі. Пропоноване п'ятиланкове металеве арочне податливе кріплення є промислове придатним і може бути виготовлене в умовах промислового виробництва з використанням стандартного устаткування, сучасних спецпрофілів і технології на будь-якім підприємстві гірського машинобудування. Пропоноване п'ятиланкове металеве арочне податливе кріплення може знайти широке промислове застосування на вугільних шахтах, наприклад, Донбасу для підвищення надійності кріплень і підтримки гірничих виробок, а також безпеки персоналу при веденні гірських робіт. Перелік позначень 1. Рама 2. Верхняк 3. Стійка 4. Середня криволінійна ланка вєрхняка 2 5. Бічна криволінійна ланка вєрхняка 2 6. Криволінійна ланка стійки З 7. Вузол податливості 8. Замок 9. Серга 13 Комп'ютерна верстка А Крулевський 8414 Підписне 14 Тираж 26 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул Урицького, 45, м Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут промислової власності", вул Глазунова, 1, м Київ - 4 2 , 01601