趙 銳

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 檢測分院，北京 10013；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)

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(duì)圍巖的適應(yīng)性、可靠性直接決定著綜采支護(hù)技術(shù)的成敗[1-3]。同時(shí)，液壓支架作為礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志管理目錄產(chǎn)品，根據(jù)國家礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志管理辦法規(guī)定，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]。

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(hù)能力的直接體現(xiàn)。因此，對(duì)液壓支架工作阻力的準(zhǔn)確檢測是對(duì)液壓支架支護(hù)性能綜合評(píng)價(jià)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(duì)試驗(yàn)臺(tái)要求高，難度大，檢測成本相對(duì)較高，當(dāng)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(yàn)臺(tái)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(yàn)臺(tái)的反作用力，即本文所述的“試驗(yàn)力”。由于液壓支架的立柱安裝存在一定角度，試驗(yàn)臺(tái)對(duì)液壓支架的反作用力僅為立柱支撐力的一個(gè)分力，且立柱角度在試驗(yàn)中無法準(zhǔn)確測量，導(dǎo)致試驗(yàn)力計(jì)算值與實(shí)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(duì)液壓支架的受力情況進(jìn)行了分析。侯剛[8]建立了礦用液壓支架綜合工況評(píng)價(jià)模型，對(duì)液壓支架頂梁的受力狀況進(jìn)行了分析。張作狀等[9]對(duì)二柱掩護(hù)式放頂煤液壓支架力學(xué)性能進(jìn)行了分析，提出通過改善支架應(yīng)力分布狀況，增強(qiáng)支架控頂能力的方案。路緒良等[10]提出液壓支架逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)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(jìn)行了逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

以往的研究成果主要針對(duì)液壓支架在模擬工況下自身頂梁、底座、掩護(hù)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(yàn)液壓支架工作阻力的試驗(yàn)力，也沒有試驗(yàn)力測試裝置研究相關(guān)內(nèi)容，未對(duì)液壓支架實(shí)際的支撐能力進(jìn)行科學(xué)評(píng)估。本文通過對(duì)二柱掩護(hù)式液壓支架內(nèi)加載工況進(jìn)行受力分析，給出當(dāng)前試驗(yàn)力存在的差值范圍。并設(shè)計(jì)一種高精度液壓支架試驗(yàn)力直接測試裝置，可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確檢測液壓支架的試驗(yàn)力，使其與液壓支架的設(shè)計(jì)工作阻力相匹配，解決試驗(yàn)力無法準(zhǔn)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(hù)式液壓支架作為研究對(duì)象。首先對(duì)液壓支架進(jìn)行理論受力分析，再建立支架三維模型，模擬內(nèi)加載試驗(yàn)工況進(jìn)行有限元分析，并將兩個(gè)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較和分析，為液壓支架試驗(yàn)力直接測試裝置的設(shè)計(jì)提供參數(shù)支持。通過查閱文獻(xiàn)[11-13]，掩護(hù)式支架平衡千斤頂對(duì)支架力學(xué)特性的影響較小，但四連桿的安裝位置關(guān)系對(duì)力學(xué)性能影響較大。因此，為簡化計(jì)算，在頂梁的受力分析計(jì)算中，先不考慮平衡千斤頂，用平面力學(xué)模型分析支架受力，如圖1所示，則試驗(yàn)臺(tái)加載梁對(duì)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(diǎn)C及E點(diǎn)連線與水平方向的夾角，(°)。

圖1 二柱掩護(hù)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(hù)式液壓支架為研究對(duì)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(shí)際參數(shù)建立了液壓支架的三維模型，將其放置到試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)進(jìn)行內(nèi)加載模擬試驗(yàn)，并將試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行有限元分析計(jì)算。其三維模型及內(nèi)加載試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

圖2 液壓支架及內(nèi)加載試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

有限元分析計(jì)算中，為計(jì)算簡便，將液壓支架的平衡千斤頂作為剛性連接件進(jìn)行固定[16]，即掩護(hù)梁與頂梁的夾角在計(jì)算過程中為固定值，立柱的傾斜角度按照理論計(jì)算的角度進(jìn)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(yàn)。經(jīng)計(jì)算，得到液壓支架頂梁及試驗(yàn)臺(tái)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(yàn)臺(tái)加載梁應(yīng)力云圖

1.3 計(jì)算結(jié)果比較與分析

由計(jì)算結(jié)果可以得出，無論是經(jīng)典理論計(jì)算還是有限元分析計(jì)算，得出的試驗(yàn)力均小于立柱的支撐力，立柱支撐力超出兩者試驗(yàn)力均值的16.3%。其中，有限元計(jì)算結(jié)果偏大，主要因?yàn)橛邢拊?jì)算中對(duì)頂梁進(jìn)行了固定約束，導(dǎo)致頂梁試驗(yàn)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(jì)算結(jié)果數(shù)值。

2 直接測力裝置設(shè)計(jì)

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(tái)測力傳感器均布于上下兩塊導(dǎo)軌式壓板中間，每臺(tái)測力傳感器的有效量程為40～4000kN(RF-I-4000kN)。測量時(shí)，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(jì)算機(jī)通過測控系統(tǒng)采集每一個(gè)測力傳感器的數(shù)值，實(shí)時(shí)顯示液壓支架的試驗(yàn)力。為防止試驗(yàn)時(shí)測力裝置受到水平力而損壞，本文設(shè)計(jì)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(dòng)，同時(shí)增加了測力裝置的總體穩(wěn)定性。測力裝置三維設(shè)計(jì)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(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集卡、工控機(jī)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(yàn)力數(shù)據(jù)，經(jīng)信號(hào)放大器放大后，再由數(shù)據(jù)采集卡采集并傳輸至工控機(jī)，最后通過數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)試驗(yàn)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(yàn)力直接測試方法

內(nèi)加載試驗(yàn)在液壓支架試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)部完成，通過支架試驗(yàn)臺(tái)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(jìn)行支架內(nèi)加載試驗(yàn)。具體試驗(yàn)步驟如下：首先將被試液壓支架放置到液壓支架試驗(yàn)臺(tái)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(shí)時(shí)讀取6個(gè)測力傳感器數(shù)值即可得出液壓支架實(shí)時(shí)試驗(yàn)力。試驗(yàn)力直接測試如圖6所示，具體測力流程如圖7所示。

4 試驗(yàn)力測試分析

對(duì)6組測力傳感器進(jìn)行標(biāo)定后，分別對(duì)其進(jìn)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(yàn)力直接測試三維圖

圖7 試驗(yàn)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(hù)式液壓支架進(jìn)行試驗(yàn)力測試分析，分別采用內(nèi)加載試驗(yàn)方式將液壓支架試驗(yàn)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(jìn)行比較，具體結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)力對(duì)應(yīng)立柱下腔壓力測定表

從上述測試結(jié)果可知，當(dāng)試驗(yàn)力達(dá)到液壓支架額定工作阻力時(shí)，其立柱下腔的實(shí)際測試壓力均大于額定壓力，主要原因?yàn)榱⒅惭b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(shí)際超調(diào)范圍為8%～18%。實(shí)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(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，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(jìn)行加載的試驗(yàn)力達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)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(hù)性能。

2)為了達(dá)到考核液壓支架安全性能、提高支護(hù)可靠性、對(duì)液壓支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，二柱掩護(hù)式液壓支架內(nèi)加載試驗(yàn)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(jì)的液壓支架試驗(yàn)力直接測試裝置，可以準(zhǔn)確測出支架試驗(yàn)力達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)立柱下腔對(duì)應(yīng)的工作介質(zhì)實(shí)際壓力。操作簡便可行，可有效提高液壓支架測試的科學(xué)性與準(zhǔn)確性。