20000kN大傾角液壓支架檢測技術(shù)及裝備研究

馬 強(qiáng)，劉欣科

(1國家煤礦支護(hù)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京 100013；2.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，北京 100013)

大傾角液壓支架檢測技術(shù)及裝備用于模擬井下傾斜、急傾斜工作面特征，分析大傾角液壓支架在傾斜工況下的可靠性、穩(wěn)定性和安全性，是大傾角液壓支架型式檢驗和力學(xué)特性分析的重要手段[1，2]。隨著煤礦綜采技術(shù)的發(fā)展，大傾角液壓支架在適應(yīng)煤層傾角和工作阻力方面有了較大的發(fā)展，目前大傾角液壓支架最大適應(yīng)煤層傾角已超過60°，工作阻力超過7000kN?，F(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《大傾角液壓支架技術(shù)條件》(MT555)中規(guī)定：“把性能試驗臺轉(zhuǎn)至支架設(shè)計的最大使用角度”、“按要求進(jìn)行防倒、防滑、移架、調(diào)架等性能試驗”[3]，現(xiàn)有檢測設(shè)備在旋轉(zhuǎn)角度、承載載荷方面已滯后于大傾角液壓支架技術(shù)發(fā)展，無法滿足大傾角液壓支架的試驗需求?，F(xiàn)有大傾角液壓支架臺不具備外加載測試功能，無法模擬大傾角液壓支架在傾斜狀態(tài)下承受外載載荷時支架的安全性及可靠性進(jìn)行考核，與實際使用工況存在一些差異。

為彌補現(xiàn)有檢測技術(shù)及裝備在能力方面的落后以及在功能性方面的欠缺，研究大傾角液壓支架檢測技術(shù)和開發(fā)新型的大傾角液壓支架檢測裝備以滿足大傾角液壓支架技術(shù)的發(fā)展，改變現(xiàn)有大傾角液壓支架檢測技術(shù)及裝備落后于大傾角液壓支架技術(shù)的現(xiàn)狀，提升我國大傾角液壓支架產(chǎn)品分析驗證的能力及水平，有利于推動傾斜、急傾斜工作面支護(hù)設(shè)備的技術(shù)發(fā)展。

1 大傾角液壓支架檢測裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計

為滿足大傾角液壓支架檢驗標(biāo)準(zhǔn)及科學(xué)試驗的要求，設(shè)計大傾角液壓支架檢測裝備可同時放置三臺工作阻力7500kN以下的液壓支架按照MT555的要求進(jìn)行傾角旋轉(zhuǎn)試驗，對一臺工作阻力10000kN以下的液壓支架按照GB25974.1的要求進(jìn)行常規(guī)型式試驗。同時考慮到大傾角煤層開采技術(shù)的發(fā)展趨勢，確定試驗裝備的旋轉(zhuǎn)角度為-90°～+90°、承受載荷20000kN(均布)、試驗高度750～5500mm、試驗臺臺面尺寸長×寬7200mm×6000mm。

大傾角液壓支架檢測裝備機(jī)械本體由旋轉(zhuǎn)部分、承載框架兩部分組成。旋轉(zhuǎn)部分為兩組，對稱布置于承載框架前后側(cè)，由底座、伺服電機(jī)、減速器、傳動軸、輥圈、齒輪、齒圈、托輥及制動裝置組成。滾圈由上下兩半圈組成，通過鍵和拉桿固定；輥圈外側(cè)焊接有滾動導(dǎo)軌，輥圈通過導(dǎo)軌在托輥上轉(zhuǎn)動；齒圈安裝于輥圈外圓，與滾圈通過鍵和螺栓連接固定。旋轉(zhuǎn)時，由電機(jī)帶動減速器、傳動軸從而驅(qū)動齒輪、齒圈，每套傳動裝置分別驅(qū)動一側(cè)輥圈。由于試驗裝備重心不在輥圈形心，在轉(zhuǎn)動時自身會產(chǎn)生偏心力，旋轉(zhuǎn)至試驗角度后通過傳動軸抱閘及插銷裝置鎖齒實現(xiàn)兩級機(jī)械自鎖，此時可進(jìn)行防倒、防滑、移架、調(diào)架等性能試驗。

承載框架位于兩滾圈之間，與前后滾圈通過銷軸連接，采用“三梁四柱”組合框架結(jié)構(gòu)，由立架、活動平臺、水平加載平臺、底座、垂直加載平臺、頂梁和頂架組成。其中斜拉梁借鑒橋梁拉桿式結(jié)構(gòu)，增加了整體的橫向穩(wěn)定性；配備護(hù)幫板和尾梁等輔助試驗工裝，構(gòu)成了一套功能完備的液壓支架試驗系統(tǒng)[4]。

根據(jù)上述參數(shù)內(nèi)容，采用三維軟件建立大傾角液壓支架檢測裝備模型，完成檢測裝備各部件的模型設(shè)計、之間配合關(guān)系、干涉分析、定義材料屬性[5]，模型如圖1所示。模型建立完成后，對模型進(jìn)行有限元力學(xué)分析，分別對最大偏心工況下旋轉(zhuǎn)至45°、90°時、水平狀態(tài)下的偏心、水平加載工況等進(jìn)行力學(xué)分析。將仿真分析結(jié)果與經(jīng)典力學(xué)分析相結(jié)合，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，對應(yīng)力比較大的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減少應(yīng)力集中的情況，從而確定大傾角液壓支架檢測裝備的總體參數(shù)：試驗裝備的旋轉(zhuǎn)角度-90°～+90°、旋轉(zhuǎn)速度1.7°/min；承受均布載荷20000kN、集中載荷13000kN；垂直外載11000kN、加載速度1.67mm/s；水平外載6000kN、加載速度3.5mm/s；側(cè)向載荷2000kN、加載速度6.0mm/s；試驗高度750～5500mm、試驗臺臺面尺寸長×寬7200mm×6000mm。

圖1 大傾角液壓支架檢測裝備模型

2 旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)設(shè)計

20000kN大傾角液壓支架檢測裝備旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)通過PLC系統(tǒng)進(jìn)行控制，控制原理如圖2所示，PLC控制器與伺服電機(jī)、傳感器之間通過CAN總線進(jìn)行通訊，通過人機(jī)交互界面可設(shè)置檢測裝備的旋轉(zhuǎn)角度、旋轉(zhuǎn)速度等基本參數(shù)，實時顯示扭矩、角度等參數(shù)，對速度及轉(zhuǎn)矩進(jìn)行閉環(huán)控制。

圖2 旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)原理圖

旋轉(zhuǎn)前，在PLC控制器設(shè)置目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度及速度。開始旋轉(zhuǎn)時，通過PLC啟動伺服電機(jī)，伺服電機(jī)將輸入的旋轉(zhuǎn)速度作為獲得的速度目標(biāo)值，電機(jī)上的旋轉(zhuǎn)編碼器將檢測的實時速度作為實際值，驅(qū)動器按照速度目標(biāo)值與實際值進(jìn)行速度閉環(huán)控制；主動軸的伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)時實時檢測其實際輸出轉(zhuǎn)矩，從動軸的伺服電機(jī)通過通信協(xié)議采集主動軸的轉(zhuǎn)矩并將其作為目標(biāo)值，然后根據(jù)自己輸出的實際轉(zhuǎn)矩進(jìn)行轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制，實現(xiàn)兩側(cè)轉(zhuǎn)矩同步的閉環(huán)控制。旋轉(zhuǎn)結(jié)束后，利用機(jī)械限位將試驗臺鎖住，在左右輥圈下方設(shè)置有4組鎖齒裝置，左右各2套。其液壓控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 輥圈鎖齒系統(tǒng)

3 大傾角液壓支架檢測裝備液壓系統(tǒng)設(shè)計

20000kN大傾角液壓支架檢測裝備液壓系統(tǒng)由比例泵站動力系統(tǒng)、平臺調(diào)高控制系統(tǒng)、垂直外加載同步控制系統(tǒng)、水平加載系統(tǒng)、側(cè)向加載系統(tǒng)、對中系統(tǒng)及護(hù)幫板試驗系統(tǒng)等組成。用于實現(xiàn)試驗臺調(diào)高、外加載及各輔助功能。

1)壓力、流程遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)比例泵站動力系統(tǒng)設(shè)計。檢測裝備的液壓系統(tǒng)由多回路組成，其所需的流量、壓力及控制精度各不相同，采用A4VSO71DFE1比例變量柱塞泵配合比例溢流閥YAB0，可適應(yīng)調(diào)高系統(tǒng)、垂直外加載、水平加載等各個子系統(tǒng)的速度精確控制和壓力精確控制，通過遠(yuǎn)程控制電磁溢流閥YA11實現(xiàn)遠(yuǎn)程壓力卸荷，系統(tǒng)中設(shè)置有壓力傳感器、溫度傳感器和液位傳感器，可實時監(jiān)測、采集相關(guān)數(shù)據(jù)并顯示。比例泵系統(tǒng)可提供流量0～105L/min，系統(tǒng)可調(diào)節(jié)壓力0～28MPa。系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4 泵站系統(tǒng)

2)平臺四角同步控制調(diào)高系統(tǒng)設(shè)計。平臺通過四根雙伸縮立柱的升降來實現(xiàn)高度調(diào)整，從而滿足不同支架檢驗的要求。由于平臺臺面尺寸較大，在升降過程中需要實時調(diào)整四根立柱的速度，保證平臺四角始終處于同步狀態(tài)，且同步誤差不大于5mm，因此，通過高頻響比例換向閥(YM1～YM4)與高精度位移傳感器(LY1～LY4)結(jié)合，將調(diào)高系統(tǒng)設(shè)計為閉環(huán)控制的方式。進(jìn)行高度調(diào)整時，首先調(diào)節(jié)比例泵開口，為系統(tǒng)提供所需的流量；之后通過調(diào)節(jié)四個比例閥的開口度來調(diào)整每根立柱所需的流量，由于平臺前后負(fù)載存在差異，在平臺升降過程中，位移傳感器實時采集各立柱的高度，并反饋至中央處理器，當(dāng)同步誤差偏離限定值時，處理器將調(diào)節(jié)比例閥的開口度進(jìn)行局部流量控制，確保平臺四角高度差在限定值以內(nèi)，從而實現(xiàn)調(diào)高系統(tǒng)自動調(diào)整、控制。在系統(tǒng)的主進(jìn)液口設(shè)計有先導(dǎo)式減壓閥，將泵站系統(tǒng)所提供的壓力降至本系統(tǒng)工作所需的壓力，避免局部壓力過高，損壞平臺。調(diào)高平臺提升速度：2.5mm/s，四角同步誤差≤5mm。系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 調(diào)高系統(tǒng)

3)水平外加載系統(tǒng)設(shè)計。水平加載裝置布置于檢測裝備左右兩側(cè)，利用活塞桿伸出作用于立架推動整個平臺前后運動。加載時，電液換向閥YA33或YA34動作，壓力油經(jīng)過閥組進(jìn)入一側(cè)兩個加載缸，另一側(cè)加載缸的液壓油經(jīng)過閥組回油箱，通過位移位移傳感器LZ實時采集平臺位移，到達(dá)設(shè)定位移后，YA33或YA34復(fù)位停止動作，進(jìn)入保壓狀態(tài)；保壓完畢后，YAB7或YAB8帶電，利用該閥斜坡式緩慢卸載的特性實現(xiàn)油缸逐漸泄壓，避免突然失壓造成液壓支架的猛烈回彈，產(chǎn)生震動，因此采用柔性卸載；卸壓后油缸回縮，電液換向閥YA31或YA32帶電，活塞桿回收，一個水平加載循環(huán)結(jié)束。水平加載速度：3.5mm/s，加載行程400mm。系統(tǒng)原理如圖6所示。

圖6 水平加載系統(tǒng)

4)垂直外加載系統(tǒng)設(shè)計。垂直外加載系統(tǒng)具有兩方面功能，一是對被試件進(jìn)行垂直加載試驗；二是在調(diào)高平臺調(diào)整到位后，再由垂直外加載系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步微調(diào)，實現(xiàn)試驗高度的無級調(diào)節(jié)。垂直外加載系統(tǒng)通過比例換向閥、比例溢流閥、壓力傳感器、位移傳感器等組成高精度控制系統(tǒng)。加載過程中，壓力來油經(jīng)過六個高頻響比例換向閥(YM5—YM10)進(jìn)入六個外加載缸，平臺四角都配有位移傳感器(LY5～LY8)，實時跟蹤運動位置，位移信號反饋給計算機(jī)，計算機(jī)通過計算，輸出信號給比例換向閥，從而調(diào)節(jié)各個缸的速度，使六個外加載缸動態(tài)同步，實現(xiàn)閉環(huán)調(diào)平加載過程。由于外加載平臺位于試驗臺的上方，與活動平臺通過六根外加載缸連接，外加載缸活塞桿腔設(shè)置有平衡閥(dg1～dg6)，使活塞桿腔始終保持一定壓力，以抵消外加載平臺自身重量。垂直外加載速度1.67mm/s，四角同步誤差≤5mm。系統(tǒng)原理如圖7所示。

圖7 垂直外加載系統(tǒng)

4 關(guān)鍵技術(shù)及工業(yè)性試驗

4.1 關(guān)鍵技術(shù)

1)液壓支架檢測裝備無級調(diào)高。液壓支架檢測裝備無級調(diào)高始終是支架檢測行業(yè)中的一個難點，本項目利用活動平臺與垂直外加載平臺相結(jié)合的方式解決了這一技術(shù)難題。試驗高度調(diào)節(jié)時，先通過調(diào)高油缸將活動平臺升至某一高度，插銷固定，然后通過調(diào)節(jié)垂直外加載缸來調(diào)整垂直外加載平臺的位置，垂直外加載平臺在其行程范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，達(dá)到試驗臺高度無級調(diào)節(jié)的目的。結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 垂直外加載平臺與活動平臺

2)大噸位、大直徑試驗裝置雙向多角度同步旋轉(zhuǎn)。大傾角液壓支架檢測裝備旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用了雙伺服電機(jī)、雙減速器驅(qū)動，雙齒輪齒圈傳動的技術(shù)方案，解決了旋轉(zhuǎn)過程中的同步問題、抵消檢測裝備的偏心力問題、雙向多角度旋轉(zhuǎn)的問題。

3)模擬傾斜、急傾斜工況對大傾角液壓支架進(jìn)行三維復(fù)合加載。大傾角液壓支架檢測裝備首次將旋轉(zhuǎn)功能、垂直外加載功能、水平加載功能和側(cè)向加載功能集為一體，可模擬傾斜、急傾斜工況同時或分別對大傾角液壓支架進(jìn)行垂直外加載、水平加載及側(cè)向加載測試，以考核大傾角液壓支架在一定傾斜角度下的受力狀況。

4.2 大傾角液壓支架檢測裝備工業(yè)性試驗

大傾角液壓支架檢測裝備已在煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司檢測中心安裝調(diào)試完成，如圖9所示，試驗裝置可完成-90 °～+90 °旋轉(zhuǎn)，運行平穩(wěn)，能夠全面滿足大傾角液壓支架防倒、防滑試驗的要求。

圖9 樣機(jī)調(diào)試圖

5 結(jié) 語

1)大傾角液壓支架檢測裝備可依據(jù)《煤礦用液壓支架第1部分：通用技術(shù)條件》(GB 25974.1—2010)對常規(guī)液壓支架進(jìn)行型式檢驗，可依據(jù)《大傾角液壓支架技術(shù)條件》(MT 555—1996)對大傾角液壓支架在傾斜工況下進(jìn)行防倒、防滑項目檢驗；

2)檢測裝備具有旋轉(zhuǎn)功能、垂直外加載功能、水平加載功能、側(cè)向加載功能，能夠模擬井下實際工況對液壓支架進(jìn)行傾角試驗、外加載試驗、內(nèi)加載試驗；

3)檢測裝備的旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)、泵站系統(tǒng)、調(diào)高系統(tǒng)、外加載系統(tǒng)均采用了閉環(huán)控制的方式，在使用過程中能夠?qū)嵌?、壓力、位移進(jìn)行精確控制。