液压支架内加载试验力分析及直接测力装置研究.pdf

第5 25 2卷第8 8期 煤炭工程 COAL ENGINEERING Vol. 52, . 52, No. 8. 8 doi 10. 11799/10. 11799/ce202008036202008036 液压支架内加载试验力分析及直接测力装置研究 赵锐1- 2- 3 1.煤炭科学技术研究院有限公司检测分院，北 京 10013;1.煤炭科学技术研究院有限公司检测分院，北 京 10013; 2 . 国家煤矿支护设备质量监督检验中心，北 京 100013;2 . 国家煤矿支护设备质量监督检验中心，北 京 100013; 3 . 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北 京 1000133 . 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北 京 100013 摘 要 液压支架进行内加栽试验时，通过在液压支架立柱下腔施加一定压力的工作介质使立 柱支撑力达到特定系数的工作阻力，并将该力作为液压支架的试验力。但由于液压支架立柱安装存 在一定的角度，且液压支架顶梁与试验台之间存在摩擦力，上述试验力实为液压支架立柱支撑力的 分力，因液压支架立柱角度无法精确测量，计算出的试验力与实际值存在较大误差。为解决这一问 题，文章通过对二柱掩护式液压支架内加栽试验工况进行受力分析，得出试验力与立柱支撑力之间 的差值，再设计一套试验力直接测试装置，经过对不同工作阻力液压支架试验力的测试，得出实际 试验力应高出目前加栽力8 1 8 8 1 8 的结论，并解决了液压支架试验力无法准确测试的技术难题。 关键词试验力；内加栽；直接测力装置；液压支架；受力分析 中图分类号TD355.41 355.41 文献标识码A 文章编号1671-0959202008-0173-051671-0959202008-0173-05 Analysis of internal loading test force of hydraulic support and research on direct test force measuring device Z H A O Rui1 2 3 1. Test Branch of China Coal Research Institute Co. , Ltd. , Beijing 100013, China； 2. National Coal Mine Support Equipment Quality Supervision and Inspection Center, Beijing 100013, China； 3. State Key Laboratory of Coal Mining and Clean Utilization, Beijing 100013, China Abstract When the hydraulic support is subjected to an internal loading test, a certain pressure working medium is applied to the lower cavity of the hydraulic support legs to make the leg support force reach a specific coefficient of working resistance, and this force is used as the test force of the hydraulic support. However, due to the installation angle of the hydraulic support legs，and the friction between hydraulic support canopy and test bed, the test force is actually a component of the support force of the hydraulic support legs, there is a large error between the test force and the actual value. In order to solve this problem, this paper analyzes the internal loading test working condition of 2 leg shield hydraulic support, and the difference between the test force and the legs support force is obtained, then i t designs a direct force measuring device, after testing the test force of hydraulic support with different working resistance, i t is concluded that the actual test force should be 8 18 higher than the current loading force, and the technical problem that the test force of hydraulic support cannot be accurately measured is solved. Keywords test force； internal loading； direct force measuring device； hydraulic support； force analysis 液压支架作为工作面围岩结构稳定性控制的核 心设备，其对围岩的适应性、可靠性直接决定着综 采支护技术的成败〜3]。同时，液压支架作为矿用 产品安全标志管理目录产品，根据国家矿用产品安 全标志管理办法规定，需通过国家授权的第三方专 业机构检测检验合格，并获得安全标志证书方可下 收 稿 日 期 2020-03-172020-03-17 基 金 项 目 中国煤炭科工集团有限公司面上项目“ 可移动式液压支架外加载试验装置研制” （ 2018-国煤炭科工集团有限公司面上项目“ 可移动式液压支架外加载试验装置研制” （ 2018-TD- -MS002002 作 者 简 介赵 锐 （ 1982 ） ，男 ，江苏淮安人，硕士，副研究员，主要从事矿山支护设备检测技术及装备研究，赵 锐 （ 1982 ） ，男 ，江苏淮安人，硕士，副研究员，主要从事矿山支护设备检测技术及装备研究，E- -mail zhaorui_ ccri sohu. com〇 引 用 格 式 赵 锐 .液 压 支 架 内 加 载 试 验 力 分 析 及 直 接 测 力 装 置 研 究 [赵 锐 .液 压 支 架 内 加 载 试 验 力 分 析 及 直 接 测 力 装 置 研 究 [J] . 煤炭工程，2020, 528 173-177.] . 煤炭工程，2020, 528 173-177. 173 装备技术煤炭工程2020年 第 8 期 井使用[4 。 液压支架工作阻力是液压支架最重要参数之一, 是液压支架支护能力的直接体现。因此，对液压支 架工作阻力的准确检测是对液压支架支护性能综合 评价的前提[6]。 目前，液压支架检测方式分为内加 载和外加载两种，外加载由于对试验台要求高，难 度大，检测成本相对较高，当前支架检测主要以内 加载方式为主。内加载测试主要依靠试验台构建的 固定空间作为约束，通过向液压支架立柱下腔施加 一定压力的工作介质，经换算得出液压支架受到试 验台的反作用力，即 本 文 所 述 的 “ 试验力” 。由于 液压支架的立柱安装存在一定角度，试验台对液压 支架的反作用力仅为立柱支撑力的一个分力，且立 柱角度在试验中无法准确测量，导致试验力计算值 与实际值存在较大误差。在液压支架受力分析方面， 王晓东[7]从内加载、外加载不同加载方式上对液压 支架的受力情况进行了分析。侯刚[8]建立了矿用液 压支架综合工况评价模型，对液压支架顶梁的受力 状况进行了分析。张作状等[9]对二柱掩护式放顶煤 液压支架力学性能进行了分析，提出通过改善支架 应力分布状况，增强支架控顶能力的方案。路绪良 等[ 1 ]提 出 液 压 支 架 逆 向 运 动 学 分 析 方 法 ，采用 SolidWorks软件及其Motion模块建立液压支架三维 模型，并进行了逆向运动学分析。 以往的研究成果主要针对液压支架在模拟工况 下自身顶梁、底座、掩护梁等部件的受力特性及应 力分布情况，研究内容没有涉及用于校验液压支架 工作阻力的试验力，也没有试验力测试装置研究相 关内容，未对液压支架实际的支撑能力进行科学评 估。本文通过对二柱掩护式液压支架内加载工况进 行受力分析，给出当前试验力存在的差值范围。并 设计一种高精度液压支架试验力直接测试装置，可 以实时准确检测液压支架的试验力，使其与液压支 架的设计工作阻力相匹配，解决试验力无法准确测 量的技术难题。 1液压支架内加载模型建立与分析 1 . 1 液压支架顶梁受力理论分析液压支架顶梁受力理论分析 本文选用煤矿工作面常用、立柱倾斜角度较大 的二柱掩护式液压支架作为研究对象。首先对液压 支架进行理论受力分析，再建立支架三维模型，模 拟内加载试验工况进行有限元分析，并将两个计算 结果进行比较和分析，为液压支架试验力直接测试 装置的设计提供参数支持。通 过 查 阅 文 献 掩 护式支架平衡千斤顶对支架力学特性的影响较小, 但四连杆的安装位置关系对力学性能影响较大。因 此 ，为简化计算，在顶梁的受力分析计算中，先不 考虑平衡千斤顶，用平面力学模型分析支架受力， 如 图 1所示，则试验台加载梁对支架垂直向下的反 作用力 / 为加载梁 与顶梁间的摩擦系数；a为立柱倾角，向煤壁侧倾 斜 为 “ ” ，向 采空区侧倾斜为“ - ” ，（ 。 ） ；卢为 前 、后连杆老塘侧延长线交点C及 点连线与水平 方向的夹角，（ 。 底座 图1二柱掩护式液压支架顶梁受力分析 1 . 2 液压支架顶梁受力有限元分析液压支架顶梁受力有限元分析 以ZY13000/27/58L 型二柱掩护式液压支架为 研究对象，该支架的初撑力为8730kN，工作阻力 13000kN。按照其立柱缸径、顶梁箱体结构及板材实 际参数建立了液压支架的三维模型，将其放置到试 验台内进行内加载模拟试验，并将试验模型导人到 ANSYS中进行有限元分析计算。其三维模型及内加 载试验模型如图2 所示。 a液压支架模型 （b内加载试验模进 图2液压支架及内加载试验模型 有限元分析计算中，为计算简便，将液压支架 的平衡千斤顶作为刚性连接件进行固定[16]，即掩护 梁与顶梁的夹角在计算过程中为固定值，立柱的倾 斜角度按照理论计算的角度进行设定，然后在立柱 上施加轴向6500kN的加载力，模拟内加载试验。经 174 2020年 第 8 期煤炭工程装备技术 计算，得到液压支架顶梁及试验台加载梁剖切面的 应力分布，如图3 所示。 图3液压支架顶梁及试验台加载梁应力云图 1 . 3 计算结果比较与分析 根据国家标准GB 25974. 12010 煤矿用液压 支 架 第I部分通用技术条件及欧洲标准的试验 高度要求[1 4 ’ 〜，该 支 架 试 验 高 度 //应 为 4767mm， 考虑到试验台为有级调高，应使用最接近的高度档 位作为试验高度，因此，将该支架试验高度//设定 为 4600mm。在 此 高 度 下 ，计 算 出 立 柱 倾 角a 24. 2、前后连杆采空区侧延长线交点C及 点 连线与水平方向的夹角018. 6,并将立柱的工作 阻力P6500kN、支架顶梁与试验台加载梁摩擦系 数/0. 18带人式（ 1，得 到 为 10713.1kN; 再利 用同样条件下进行有限元分析得出的应力数据，并 计算试验台加载梁与支架顶梁的接触面积，得出有 限 元 分 析 法 计 算 的 为 11065. 7kN。 由计算结果可以得出，无论是经典理论计算还 是有限元分析计算，得出的试验力均小于立柱的支 撑力，立柱支撑力超出两者试验力均值的16.3。 其中，有限元计算结果偏大，主要因为有限元计算 中对顶梁进行了固定约束，导致顶梁试验过程中产 生的向前水平力及摩擦力被忽略，变相增加了有限 元分析计算结果数值。 2直接测力装置设计 2.1 主体结构 直接测力装置主要包含导轨式压板、测力传感 器和导向连接销等。6 台测力传感器均布于上下两 块导轨式压板中间，每台测力传感器的有效量程为 404000kNRF-I-4000kN。测量时，下方导轨式 压板将液压支架顶梁的支撑力传递到测力传感器上， 计算机通过测控系统采集每一个测力传感器的数值， 实时显示液压支架的试验力。为防止试验时测力装 置受到水平力而损坏，本文设计了一种五轴超静定 导向结构，保证了导轨式压板沿连接销轴移动，同 时增加了测力装置的总体稳定性。测力装置三维设 计如图4 所示。 2 . 2 测控系统 测控系统包含测力传感器、信号放大器、数据 采集卡、工控机以及数据处理软件等。系统通过测 力传感器直接采集试验力数据，经信号放大器放大 后 ，再由数据采集卡采集并传输至工控机，最后通 过数据处理软件进行数据处理和实时试验力曲线显 示。测控系统组成如图5 所示。 图5测控系统组成框图 3试验力直接测试方法 内加载试验在液压支架试验台内部完成，通过 支架试验台底座与加载梁之间构建的固定空间，将 被试支架放人并用初撑力撑紧，利用作用力与反作 用力原理，进行支架内加载试验。具体试验步骤如 下 首先将被试液压支架放置到液压支架试验台内， 使其处于测力装置的正下方，然后将液压支架升起 使之与测力装置接触并撑紧，接着向液压支架立柱 下腔施加高压工作介质，使测力传感器受到作用力， 通过实时读取6 个测力传感器数值即可得出液压支 架实时试验力。试验力直接测试如图6 所示，具体 测力流程如图7 所示。 4试验力测试分析 对 6 组测力传感器进行标定后，分别对其进行 加载力与输出电压线性关系测试，结果显示该测力 175 装备技术煤炭工程2020年 第 8 期 传感器在有效量程范围内具有很好的线性关系，具 体如图8 所示。 图7试验力直接测试流程图 11.439 12 10 8 田6 抽4 2 0 1.448 4.304 2.876 7.16L 5.732, 11.445 10.017 8.589 载荷/kN a测力传感器1 载荷/kN b测力传感器2 0 2 4 6 8 丨 0 丨 2 14 16 载荷/kN c测力传感器3 11.461 载荷/kN d测力传感器4 载荷/kN e测力传感器5 载荷/kN f测力传感器6 图8测力传感器载荷-电压关系曲线 本文选取5 架不同工作阻力的二柱掩护式液压 支架进行试验力测试分析，分别采用内加载试验方 式将液压支架试验力加载到液压支架的额定工作阻 力 ，测定其立柱下腔工作介质压力，并与立柱额定 工作压力进行比较，具体结果见表1。 表1试验力对应立 柱 下 腔 压 力 测 定 表 支架型号 试验力 /kN 额定压 力/ M P a 测定压 力/ M P a 超出比 例/ ZY4800/14/30D480039. 0242. 158.02 ZY7600/17/28760037. 3342.7514. 52 ZY9000/25/50900039.7046. 1516. 25 ZY11000/25/50D1100040.2047.4017.91 ZY13000/27/58D1300043. 6551.5017.98 从上述测试结果可知，当试验力达到液压支架 额定工作阻力时，其立柱下腔的实际测试压力均大 于额定压力，主要原因为立柱安装角度、摩擦力消 耗等因素，且随着液压支架工作阻力及支撑高度的 176 增加，超出比例随之增加，实际超调范围为8 18。实际测试结果大体与前文理论分析结论相 一致。 5结 论结 论 1 液压支架采用内加载方式进行试验时，由于 立柱倾角及摩擦力等因素的影响，以目前一定系数 的额定工作压力进行加载的试验力达不到标准要求 的数值，不能真正有效检测液压支架在额定工作阻 力下的支护性能。 2 为了达到考核液压支架安全性能、提高支护 可靠性、对液压支架进行优化设计的目的，二柱掩 护式液压支架内加载试验应增加立柱下腔供液压力， 增加范围为8 18。 3 本文设计的液压支架试验力直接测试装置， 可以准确测出支架试验力达到标准要求时立柱下腔 2020年 第 8 期煤炭工程装备技术 对应的工作介质实际压力。操作简便可行，可有效 提高液压支架测试的科学性与准确性。 参考文献 [1 ] 王国法，庞 义 辉 ，李 明 忠 ，等 .超 大 采 高 工 作 面 液 压 支 架 与 围 岩 稱 合 作 用 关 系 [ J ] . 煤炭学报 ， 2017 , 422 518-526. 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