Podczas eksploatacji pokładów węgla kamiennego obserwuje się występowanie zjawisk dynamicznych spowodowanych wyładowaniem energii sprężystej nagromadzonej w górotworze. Zjawiska te, zwane tąpnięciami, należą do najbardziej niebezpiecznych zagrożeń naturalnych występujących w górnictwie. Powodują one niszczenie wyrobisk, ich obudowy i wyposażenia, stwarzając bezpośrednie zagrożenie dla życia załogi. Schemat sekcji obudowy zmechanizowanej oraz przykładowe jej uszkodzenia spowodowane tąpnięciem przedstawiono na rys. 1.
Rys.1. Sekcja obudowy zmechanizowanej – widok ogólny oraz szkic uszkodzeń spowodowanych tąpnięciem.
Podstawowym podzespołem sekcji ścianowej obudowy zmechanizowanej są stojaki hydrauliczne, decydujące o bezpieczeństwie pracy załóg górniczych i efektywności całego systemu eksploatacyjnego. Niestety nie są one w pełni zabezpieczone przed skutkami obciążenia dynamicznego, gdyż stosowane dotąd metody zapobiegania, lub minimalizowania, uszkodzeń spowodowanych obciążeniem dynamicznym, w niewystarczającym stopniu chronią stojak przed przeciążeniem. Z potrzeby znalezienia nowego, skutecznego sposobu przeciwdziałania skutkom tąpnięć powstał pomysł wprowadzenia dodatkowego elementu, w postaci akumulatora gazowego, upodatniającego stojak hydrauliczny.
Celem naukowym projektu jest ustalenie związku pomiędzy parametrami akumulatora gazowego, takimi jak: objętość komory, początkowe ciśnienie gazu oraz cechami konstrukcyjnymi współpracujących elementów stojaka i akumulatora a parametrami charakteryzującymi odpowiedź układu stojak hydrauliczny - akumulator gazowy na zadane wymuszenie.
Przedmiotem badań będzie akumulator gazowy zamontowany w rdzenniku stojaka hydraulicznego sekcji obudowy zmechanizowanej, przedstawiony schematycznie na rys.2
Rys. 2. Schemat stojaka hydraulicznego wyposażonego w akumulator gazowy
Akumulator gazowy składa się z kołnierza, tłoka oraz cylindra (rys.3), w którego dnie zamontowano czujnik ciśnienia gazu. Kołnierz akumulatora wkręcony jest w rdzennik. Jego zadaniem jest zabezpieczenie tłoka oraz cylindra przed wysunięciem do przestrzeni podtłokowej stojaka. Tłok akumulatora gazowego zaopatrzony jest w dwa pierścienie prowadzące oraz pierścień uszczelniający.
Rys. 3. Model akumulatora gazowego
Właściwy dobór cech akumulatora gazowego umożliwia uzyskanie - w trakcie działania na stojak obciążenia dynamicznego - zmiany właściwości sprężystych stojaka hydraulicznego, korzystnie wpływającej na odpowiedź układu mechanicznego, rozumianą jako przebieg czasowy ciśnienia medium roboczego w przestrzeni podtłokowej stojaka. Aktualnie trwają w ITG KOMAG prace nad prototypem stojaka hydraulicznego z wbudowanym akumulatorem gazowym. Jednym z istotnych problemów dotyczących tego zagadnienia, jest ustalenie wpływu następujących parametrów na odpowiedź układu stojak hydrauliczny – akumulator gazowy :
- parametry akumulatora gazowego - objętość komory, początkowe ciśnienie gazu,
- cechy konstrukcyjne akumulatora i stojaka - średnica wewnętrzna i grubość ścianek cylindra stojaka, powierzchnia tłoka akumulatora, postać konstrukcyjna zastosowanych węzłów uszczelniających
- parametry użytkowania stojaka - początkowe ciśnienie w przestrzeni podtłokowej, wysokość słupa medium roboczego pod tłokiem.
Najbardziej efektywnym sposobem analizy problemu jest połączenie symulacji komputerowej układu stojak hydrauliczny – akumulator gazowy i badań stanowiskowych.
