液壓支架試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)進(jìn)出架裝置設(shè)計(jì)

趙銳

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 檢測分院， 北京 100013；2.國家煤礦支護(hù)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心， 北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100013)

0 引言

近年來，隨著我國煤炭行業(yè)整合發(fā)展，一大批產(chǎn)能突破百萬噸級(jí)的現(xiàn)代化綜采工作面相繼出現(xiàn)[1-3]。隨著綜采工作面產(chǎn)能快速提升，其對(duì)液壓支架的需求量也快速攀升。液壓支架作為礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志管理目錄產(chǎn)品，需通過國家授權(quán)的第三方專業(yè)機(jī)構(gòu)檢測檢驗(yàn)合格，并獲得安全標(biāo)志證書方可下井使用[4-5]。因此，每年有大量液壓支架需要檢驗(yàn)。根據(jù)GB 25974.1—2010《煤礦用液壓支架 第1部分：通用技術(shù)條件》要求，A類液壓支架僅主體結(jié)構(gòu)件的耐久性試驗(yàn)次數(shù)已達(dá)到31 000次[6-9]。此外，還有非主體結(jié)構(gòu)件的耐久性試驗(yàn)、各部件的強(qiáng)度試驗(yàn)等，需要耗費(fèi)大量時(shí)間，常常造成檢驗(yàn)任務(wù)積壓。

目前，國內(nèi)液壓支架進(jìn)出試驗(yàn)臺(tái)主要通過液壓支架自帶的推移千斤頂實(shí)現(xiàn)，配合使用試驗(yàn)臺(tái)底座的T型槽板、銷軸及插板。這種進(jìn)出架方式不但效率低，且存在插板飛出傷人的安全隱患。國內(nèi)部分液壓支架生產(chǎn)企業(yè)在試驗(yàn)臺(tái)底座上布置一塊鋼板，在試驗(yàn)臺(tái)底座兩側(cè)設(shè)置超長行程千斤頂與鋼板相連。進(jìn)架時(shí)，通過千斤頂伸出將鋼板推出試驗(yàn)臺(tái)，用行車將被試液壓支架吊裝到鋼板上，再收縮千斤頂將鋼板連同被試液壓支架一起拉進(jìn)試驗(yàn)臺(tái)。這種方式雖提高了液壓支架進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)的效率，但被試液壓支架下面的鋼板必須跟隨液壓支架進(jìn)行各項(xiàng)試驗(yàn)，在強(qiáng)大的試驗(yàn)加載力作用下，鋼板常常變形導(dǎo)致進(jìn)出時(shí)別卡，甚至損壞兩側(cè)的超長行程千斤頂，維修成本非常高。國外對(duì)液壓支架進(jìn)出試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)研究較少，美國和波蘭部分實(shí)驗(yàn)室的液壓支架進(jìn)出架方式與我國傳統(tǒng)進(jìn)出架方式大致相同[10-12]。

為了提高液壓支架進(jìn)出試驗(yàn)臺(tái)的工作效率和安全性，本文設(shè)計(jì)了一種液壓支架試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)進(jìn)出架裝置。通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)出架小車，將被試液壓支架運(yùn)送到試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)部；配合安裝在試驗(yàn)臺(tái)底座內(nèi)部的舉升油缸、楔形移動(dòng)塊及16根頂桿，將被試液壓支架頂起，小車自由退回；將被試液壓支架放下，進(jìn)行各項(xiàng)加載試驗(yàn)。該裝置避免了進(jìn)出架小車不必要的受力加載，實(shí)現(xiàn)液壓支架進(jìn)出試驗(yàn)臺(tái)的自動(dòng)化。

1 裝置總體設(shè)計(jì)

1.1 液壓支架進(jìn)出架小車、軌道及車庫設(shè)計(jì)

液壓支架進(jìn)出架小車、軌道及車庫設(shè)置于液壓支架試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)架入口的正前方。進(jìn)出架小車采用U型箱式結(jié)構(gòu)，以電動(dòng)機(jī)及減速器為驅(qū)動(dòng)，可以在軌道上往返運(yùn)行。車庫采用沉坑式設(shè)計(jì)，在沉坑四角分別設(shè)置1根托起千斤頂，并分別配置比例流量閥，以控制油缸與小車升降平臺(tái)伸出及收回的同步性。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，三維設(shè)計(jì)如圖2所示。

1-試驗(yàn)臺(tái)底座； 2-沉坑； 3-托起千斤頂； 4-托起平臺(tái)；5-軌道； 6-U型進(jìn)出架小車。

圖2 進(jìn)出架小車、軌道及車庫三維設(shè)計(jì)Fig.2 3D design of in and out trolley, track and garage

1.2 液壓支架舉升裝置設(shè)計(jì)

為了使進(jìn)出架小車將液壓支架運(yùn)送到指定位置后能自由退回，避免強(qiáng)力加載試驗(yàn)過程中與被試液壓支架同時(shí)受力而損壞，需將被試液壓支架與進(jìn)出架小車進(jìn)行分離。但試驗(yàn)臺(tái)底座內(nèi)部空間有限，且底座下方設(shè)計(jì)了可以上下運(yùn)行的垂直外加載平臺(tái)，所以無法在試驗(yàn)臺(tái)底座內(nèi)部垂直安裝舉升油缸。

為解決上述難題，本文設(shè)計(jì)了一種水平放置的舉升油缸。舉升油缸安裝在試驗(yàn)臺(tái)底座內(nèi)部，通過其推動(dòng)專門設(shè)計(jì)的楔形水平移動(dòng)塊，帶動(dòng)楔形垂直移動(dòng)塊在底座內(nèi)部沿軌道上下垂直運(yùn)動(dòng)。在楔形垂直移動(dòng)塊上按照進(jìn)出架小車U型內(nèi)部空間尺寸布置16根頂桿，垂直穿過試驗(yàn)臺(tái)底座預(yù)留的小孔，進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)上的被試液壓支架，使其與進(jìn)出架小車脫離，達(dá)到使進(jìn)出架小車自由退出試驗(yàn)臺(tái)的目的。舉升裝置三維設(shè)計(jì)如圖3所示，進(jìn)出架小車在試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)部位置如圖4所示。

1-試驗(yàn)臺(tái)底座； 2-楔形垂直移動(dòng)塊； 3-試驗(yàn)臺(tái)底座上平面；

圖4 進(jìn)出架小車在試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)部位置Fig.4 Internal position of in and out trolley in the test bench

1.3 液壓支架自動(dòng)進(jìn)出試驗(yàn)臺(tái)過程

1.3.1 自動(dòng)進(jìn)架過程

首先，啟動(dòng)進(jìn)出架小車車庫內(nèi)托起千斤頂，平穩(wěn)升起進(jìn)出架小車，使小車滾輪與軌道對(duì)齊，鎖止托起千斤頂，啟動(dòng)小車行走電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)小車至試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)口邊緣處停止；然后，用行車將被試液壓支架吊裝到小車上，再次啟動(dòng)小車行走電動(dòng)機(jī)，繼續(xù)沿軌道將小車連同被試液壓支架運(yùn)送到試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)指定位置；接著，啟動(dòng)舉升油缸，推動(dòng)楔形水平移動(dòng)塊帶動(dòng)楔形垂直移動(dòng)塊上的16根頂桿伸出，平穩(wěn)舉起被試液壓支架后，啟動(dòng)小車電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，使小車退回并復(fù)位；最后，操作舉升油缸收縮，將被試液壓支架放下，進(jìn)入待試狀態(tài)，完成液壓支架自動(dòng)進(jìn)架過程。具體流程如圖5所示。

1.3.2 自動(dòng)出架過程

當(dāng)被試支架完成全部測試后，需要執(zhí)行退出試驗(yàn)臺(tái)操作。出架過程與進(jìn)架過程相反，首先，啟動(dòng)舉升油缸，推動(dòng)楔形垂直移動(dòng)塊連同16根頂桿伸出，舉升被試液壓支架到超過小車上平面的高度后，鎖止舉升油缸；然后，啟動(dòng)小車車庫的托起千斤頂，使小車滾輪與軌道對(duì)齊；再啟動(dòng)行走電動(dòng)機(jī)，將小車運(yùn)行到被試液壓支架正下方，收縮舉升油缸，放下液壓支架，使其落到小車上；啟動(dòng)小車行走電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，將液壓支架運(yùn)出試驗(yàn)臺(tái)，再用行車將被試液壓支架轉(zhuǎn)運(yùn)到樣品區(qū)；最后，小車復(fù)位，完成一次自動(dòng)出架過程。具體流程如圖6所示。

圖5 支架自動(dòng)進(jìn)架流程Fig.5 Automatic entering process of hydraulic support

圖6 支架自動(dòng)出架流程Fig.6 Automatic exiting process of hydraulic support

2 舉升裝置舉升力分析與計(jì)算

目前，市場上工作阻力最大、支撐高度最高及自身質(zhì)量最大的液壓支架是ZY26000/40/88D型掩護(hù)式液壓支架。該支架工作阻力達(dá)到26 000 kN，立柱缸徑為600 mm，最大支撐高度為8.8 m，支架質(zhì)量達(dá)99.5 t，采用電液控制操作方式。采用液壓支架試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)進(jìn)出架裝置對(duì)該支架進(jìn)行進(jìn)出架測試。考慮液壓支架技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展需要，將舉升裝置額定載荷設(shè)計(jì)為120 t。

試驗(yàn)臺(tái)底座內(nèi)置舉升油缸推動(dòng)楔形水平移動(dòng)塊，使試驗(yàn)臺(tái)底座內(nèi)的楔形垂直移動(dòng)塊向上移動(dòng)，并帶動(dòng)16根頂桿伸出，舉起被試液壓支架，其具體受力分析如圖7所示。

圖7 液壓支架舉升力分析Fig.7 Lifting force analysis of hydraulic support

因?yàn)樾ㄐ螇K的接觸面為強(qiáng)制潤滑的光滑接觸面，計(jì)算時(shí)忽略其摩擦力及楔形移動(dòng)塊的質(zhì)量[13-14]，得到向上的舉升力為

(1)

式中：Fj為液壓支架舉升力，kN；F0為舉升油缸加載力，kN；α為楔形塊接觸面與水平方向的夾角，(°)；D為舉升油缸缸徑，mm；P為舉升油缸壓力，MPa。

舉升油缸缸徑D設(shè)計(jì)值為320 mm，計(jì)算可知，系統(tǒng)壓力達(dá)到21.2 MPa時(shí)，即可滿足舉升力1 200 kN(120 t)的設(shè)計(jì)要求。液壓系統(tǒng)額定壓力一般為31.5 MPa，完全滿足使用需求。

3 應(yīng)用分析

液壓支架試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)進(jìn)出架裝置已成功應(yīng)用于國家煤礦支護(hù)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心30 000 kN強(qiáng)力液壓支架試驗(yàn)臺(tái)上，已完成150余次液壓支架進(jìn)出測試。將被試液壓支架吊裝到進(jìn)出架小車上后，通過操作按鈕即可完成液壓支架自動(dòng)進(jìn)出，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，徹底消除了插板飛出傷人的安全隱患。實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)場如圖8所示。

4 結(jié)論

(1) 液壓支架試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)進(jìn)出架裝置通過舉升油缸、楔形移動(dòng)塊及16根頂桿設(shè)計(jì)，成功舉起被試液壓支架，使小車可自由返回，避免了不必要的受力加載，大大提升了進(jìn)出架小車的使用壽命及安全性。

(2) 通過ZY26000/40/88D型液壓支架進(jìn)行進(jìn)出架測試，計(jì)算結(jié)果表明，該自動(dòng)進(jìn)出架裝置額定載荷超過120 t，滿足目前及未來10 a液壓支架自動(dòng)進(jìn)出試驗(yàn)臺(tái)的需求。

(a) 小車帶動(dòng)支架進(jìn)入

(b) 支架被舉起，小車退回

(3) 實(shí)際應(yīng)用表明，該裝置成功實(shí)現(xiàn)了進(jìn)出架自動(dòng)化，大大節(jié)約了液壓支架進(jìn)出試驗(yàn)臺(tái)的時(shí)間，提高了檢測效率，降低了人工勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)消除了插板飛出傷人的安全隱患。