液壓支架內(nèi)加載試驗力分析及直接測力裝置研究

趙 銳

(1.煤炭科學技術(shù)研究院有限公司 檢測分院，北京 10013；2.國家煤礦支護設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

液壓支架作為工作面圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制的核心設(shè)備，其對圍巖的適應(yīng)性、可靠性直接決定著綜采支護技術(shù)的成敗[1-3]。同時，液壓支架作為礦用產(chǎn)品安全標志管理目錄產(chǎn)品，根據(jù)國家礦用產(chǎn)品安全標志管理辦法規(guī)定，需通過國家授權(quán)的第三方專業(yè)機構(gòu)檢測檢驗合格，并獲得安全標志證書方可下井使用[4，5]。

液壓支架工作阻力是液壓支架最重要參數(shù)之一，是液壓支架支護能力的直接體現(xiàn)。因此，對液壓支架工作阻力的準確檢測是對液壓支架支護性能綜合評價的前提[6]。目前，液壓支架檢測方式分為內(nèi)加載和外加載兩種，外加載由于對試驗臺要求高，難度大，檢測成本相對較高，當前支架檢測主要以內(nèi)加載方式為主。內(nèi)加載測試主要依靠試驗臺構(gòu)建的固定空間作為約束，通過向液壓支架立柱下腔施加一定壓力的工作介質(zhì)，經(jīng)換算得出液壓支架受到試驗臺的反作用力，即本文所述的“試驗力”。由于液壓支架的立柱安裝存在一定角度，試驗臺對液壓支架的反作用力僅為立柱支撐力的一個分力，且立柱角度在試驗中無法準確測量，導(dǎo)致試驗力計算值與實際值存在較大誤差。在液壓支架受力分析方面，王曉東[7]從內(nèi)加載、外加載不同加載方式上對液壓支架的受力情況進行了分析。侯剛[8]建立了礦用液壓支架綜合工況評價模型，對液壓支架頂梁的受力狀況進行了分析。張作狀等[9]對二柱掩護式放頂煤液壓支架力學性能進行了分析，提出通過改善支架應(yīng)力分布狀況，增強支架控頂能力的方案。路緒良等[10]提出液壓支架逆向運動學分析方法，采用SolidWorks軟件及其Motion模塊建立液壓支架三維模型，并進行了逆向運動學分析。

以往的研究成果主要針對液壓支架在模擬工況下自身頂梁、底座、掩護梁等部件的受力特性及應(yīng)力分布情況，研究內(nèi)容沒有涉及用于校驗液壓支架工作阻力的試驗力，也沒有試驗力測試裝置研究相關(guān)內(nèi)容，未對液壓支架實際的支撐能力進行科學評估。本文通過對二柱掩護式液壓支架內(nèi)加載工況進行受力分析，給出當前試驗力存在的差值范圍。并設(shè)計一種高精度液壓支架試驗力直接測試裝置，可以實時準確檢測液壓支架的試驗力，使其與液壓支架的設(shè)計工作阻力相匹配，解決試驗力無法準確測量的技術(shù)難題。

1 液壓支架內(nèi)加載模型建立與分析

1.1 液壓支架頂梁受力理論分析

本文選用煤礦工作面常用、立柱傾斜角度較大的二柱掩護式液壓支架作為研究對象。首先對液壓支架進行理論受力分析，再建立支架三維模型，模擬內(nèi)加載試驗工況進行有限元分析，并將兩個計算結(jié)果進行比較和分析，為液壓支架試驗力直接測試裝置的設(shè)計提供參數(shù)支持。通過查閱文獻[11-13]，掩護式支架平衡千斤頂對支架力學特性的影響較小，但四連桿的安裝位置關(guān)系對力學性能影響較大。因此，為簡化計算，在頂梁的受力分析計算中，先不考慮平衡千斤頂，用平面力學模型分析支架受力，如圖1所示，則試驗臺加載梁對支架垂直向下的反作用力Fs為：

式中，P為單根立柱工作阻力，kN；f為加載梁與頂梁間的摩擦系數(shù)；α為立柱傾角，向煤壁側(cè)傾斜為“ + ”，向采空區(qū)側(cè)傾斜為“-”，(°)；β為前、后連桿老塘側(cè)延長線交點C及E點連線與水平方向的夾角，(°)。

圖1 二柱掩護式液壓支架頂梁受力分析

1.2 液壓支架頂梁受力有限元分析

以ZY13000/27/58D型二柱掩護式液壓支架為研究對象，該支架的初撐力為8730kN，工作阻力13000kN。按照其立柱缸徑、頂梁箱體結(jié)構(gòu)及板材實際參數(shù)建立了液壓支架的三維模型，將其放置到試驗臺內(nèi)進行內(nèi)加載模擬試驗，并將試驗?zāi)Ｐ蛯?dǎo)入到ANSYS中進行有限元分析計算。其三維模型及內(nèi)加載試驗?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

圖2 液壓支架及內(nèi)加載試驗?zāi)Ｐ?/p>

有限元分析計算中，為計算簡便，將液壓支架的平衡千斤頂作為剛性連接件進行固定[16]，即掩護梁與頂梁的夾角在計算過程中為固定值，立柱的傾斜角度按照理論計算的角度進行設(shè)定，然后在立柱上施加軸向6500kN的加載力，模擬內(nèi)加載試驗。經(jīng)計算，得到液壓支架頂梁及試驗臺加載梁剖切面的應(yīng)力分布，如圖3所示。

圖3 液壓支架頂梁及試驗臺加載梁應(yīng)力云圖

1.3 計算結(jié)果比較與分析

由計算結(jié)果可以得出，無論是經(jīng)典理論計算還是有限元分析計算，得出的試驗力均小于立柱的支撐力，立柱支撐力超出兩者試驗力均值的16.3%。其中，有限元計算結(jié)果偏大，主要因為有限元計算中對頂梁進行了固定約束，導(dǎo)致頂梁試驗過程中產(chǎn)生的向前水平力及摩擦力被忽略，變相增加了有限元分析計算結(jié)果數(shù)值。

2 直接測力裝置設(shè)計

2.1 主體結(jié)構(gòu)

直接測力裝置主要包含導(dǎo)軌式壓板、測力傳感器和導(dǎo)向連接銷等。6臺測力傳感器均布于上下兩塊導(dǎo)軌式壓板中間，每臺測力傳感器的有效量程為40～4000kN(RF-I-4000kN)。測量時，下方導(dǎo)軌式壓板將液壓支架頂梁的支撐力傳遞到測力傳感器上，計算機通過測控系統(tǒng)采集每一個測力傳感器的數(shù)值，實時顯示液壓支架的試驗力。為防止試驗時測力裝置受到水平力而損壞，本文設(shè)計了一種五軸超靜定導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，保證了導(dǎo)軌式壓板沿連接銷軸移動，同時增加了測力裝置的總體穩(wěn)定性。測力裝置三維設(shè)計如圖4所示。

圖4 直接測力裝置結(jié)構(gòu)圖

2.2 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)包含測力傳感器、信號放大器、數(shù)據(jù)采集卡、工控機以及數(shù)據(jù)處理軟件等。系統(tǒng)通過測力傳感器直接采集試驗力數(shù)據(jù)，經(jīng)信號放大器放大后，再由數(shù)據(jù)采集卡采集并傳輸至工控機，最后通過數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)處理和實時試驗力曲線顯示。測控系統(tǒng)組成如圖5所示。

圖5 測控系統(tǒng)組成框圖

3 試驗力直接測試方法

內(nèi)加載試驗在液壓支架試驗臺內(nèi)部完成，通過支架試驗臺底座與加載梁之間構(gòu)建的固定空間，將被試支架放入并用初撐力撐緊，利用作用力與反作用力原理，進行支架內(nèi)加載試驗。具體試驗步驟如下：首先將被試液壓支架放置到液壓支架試驗臺內(nèi)，使其處于測力裝置的正下方，然后將液壓支架升起使之與測力裝置接觸并撐緊，接著向液壓支架立柱下腔施加高壓工作介質(zhì)，使測力傳感器受到作用力，通過實時讀取6個測力傳感器數(shù)值即可得出液壓支架實時試驗力。試驗力直接測試如圖6所示，具體測力流程如圖7所示。

4 試驗力測試分析

對6組測力傳感器進行標定后，分別對其進行加載力與輸出電壓線性關(guān)系測試，結(jié)果顯示該測力傳感器在有效量程范圍內(nèi)具有很好的線性關(guān)系，具體如圖8所示。

圖6 試驗力直接測試三維圖

圖7 試驗力直接測試流程圖

圖8 測力傳感器載荷-電壓關(guān)系曲線

本文選取5架不同工作阻力的二柱掩護式液壓支架進行試驗力測試分析，分別采用內(nèi)加載試驗方式將液壓支架試驗力加載到液壓支架的額定工作阻力，測定其立柱下腔工作介質(zhì)壓力，并與立柱額定工作壓力進行比較，具體結(jié)果見表1。

表1 試驗力對應(yīng)立柱下腔壓力測定表

從上述測試結(jié)果可知，當試驗力達到液壓支架額定工作阻力時，其立柱下腔的實際測試壓力均大于額定壓力，主要原因為立柱安裝角度、摩擦力消耗等因素，且隨著液壓支架工作阻力及支撐高度的增加，超出比例隨之增加，實際超調(diào)范圍為8%～18%。實際測試結(jié)果大體與前文理論分析結(jié)論相一致。

5 結(jié) 論

1)液壓支架采用內(nèi)加載方式進行試驗時，由于立柱傾角及摩擦力等因素的影響，以目前一定系數(shù)的額定工作壓力進行加載的試驗力達不到標準要求的數(shù)值，不能真正有效檢測液壓支架在額定工作阻力下的支護性能。

2)為了達到考核液壓支架安全性能、提高支護可靠性、對液壓支架進行優(yōu)化設(shè)計的目的，二柱掩護式液壓支架內(nèi)加載試驗應(yīng)增加立柱下腔供液壓力，增加范圍為8%～18%。

3)本文設(shè)計的液壓支架試驗力直接測試裝置，可以準確測出支架試驗力達到標準要求時立柱下腔對應(yīng)的工作介質(zhì)實際壓力。操作簡便可行，可有效提高液壓支架測試的科學性與準確性。