楊建新

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 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.煤炭資源開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100013)

0 引言

液壓支架是綜采工作面控制頂板的關(guān)鍵支護(hù)設(shè)備，液控單向閥作為液壓支架的核心部件，用于控制立柱工作腔的進(jìn)液和有條件的回液，并在關(guān)閉后封閉工作腔的高壓液體。由于復(fù)雜、特殊的地質(zhì)條件，給采煤工作面帶來許多危險(xiǎn)因素，像頂板下沉、斷裂等情況，會導(dǎo)致支架產(chǎn)生較大形變，降架時(shí)，單向閥反向打開，大量的高壓液體瞬時(shí)通過單向閥排出，引起液壓系統(tǒng)振蕩，易造成設(shè)備損壞，所以單向閥的動態(tài)特性直接影響整個液壓支架系統(tǒng)使用壽命。而標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)是剛性的，缺少液壓支架形變儲能釋放的實(shí)際工況，測試結(jié)果無法真正反映出單向閥的動態(tài)特性[1-2]。

基于此，本文通過在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)液壓支架偏載工況、標(biāo)準(zhǔn)測試工況、碟簧蓄能工況下進(jìn)行大量試驗(yàn)，分析不同工況下卸荷沖擊壓力變化規(guī)律，結(jié)合實(shí)際工況，提出一種基于碟簧蓄能裝置模擬支架形變釋放的單向閥卸荷沖擊測試方法，為標(biāo)準(zhǔn)制修訂提供數(shù)據(jù)支撐及理論依據(jù)。

1 標(biāo)準(zhǔn)及試驗(yàn)情況分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 25974—2010要求[3-4]，單向閥卸荷沖擊壓力試驗(yàn)流程如圖1所示，先是通過泵源給立柱進(jìn)行初撐使其與頂板接觸，接頂后立柱下腔及單向閥高壓側(cè)(工作腔)壓力為供液壓力，隨著頂板下沉，立柱下腔的壓力逐漸升高至閥的工作壓力，降架時(shí)使單向閥反向打開，立柱下腔壓力降至卸荷壓力。單向閥卸荷沖擊試驗(yàn)條件為供液壓力為31.5 MPa，陪試立柱缸徑280 mm，有效行程600 mm，卸荷時(shí)間t4為由公稱壓力Pe降至Pr這個時(shí)間段，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求t4≤2 s。

T-循環(huán)周期；Pe-公稱壓力；Pc-供液壓力(31.5 MPa)；Pr-卸載壓力(≤0.25Pe)；t1-初撐加壓期；t2-增壓期；t3-穩(wěn)壓期；t4-卸載期。

1.1 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)液壓支架偏載工況測試分析

由于液壓支架在偏載工況下，支架產(chǎn)生的形變最大，卸荷時(shí)對液控單向閥產(chǎn)生的沖擊最大，測試現(xiàn)場如圖2所示[5]。

圖2 液壓支架偏載測試工況

四柱式液壓支架與兩柱式相比，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，產(chǎn)生的形變較小，所以選擇兩柱式液壓支架進(jìn)行單向閥卸荷沖擊測試，工況最苛刻，最能反映出產(chǎn)品的動態(tài)特性。選取了不同工作阻力、立柱缸徑均為280 mm的4臺液壓支架進(jìn)行試驗(yàn)，測得的卸荷時(shí)間在1.0 s左右，如表1所示。

表1 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)液壓支架偏載工況下卸荷時(shí)間

液壓支架偏載工況下，001#、002#、003#、004#液控單向閥在泵站供液壓力下卸荷沖擊壓力變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 在液壓支架偏載工況下單向閥卸荷沖擊壓力變化規(guī)律

1.2 標(biāo)準(zhǔn)測試工況分析

實(shí)驗(yàn)室工況采用缸徑280 mm的立柱放置在固定框架模型內(nèi)，測試現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)室測試工況

通過表2可以看出在標(biāo)準(zhǔn)測試工況下卸荷時(shí)間一般較短，在0.33 s左右，卸荷時(shí)只需排出產(chǎn)生壓縮的液體，很快進(jìn)行低壓工作狀態(tài)[6,8]。

表2 在標(biāo)準(zhǔn)測試工況下卸荷時(shí)間

4個液控單向閥卸荷沖擊壓力變化規(guī)律如圖5所示。從圖中可看出,標(biāo)準(zhǔn)測試工況下卸荷時(shí)間均較短。

圖5 在實(shí)驗(yàn)室工況下單向閥卸荷沖擊壓力變化規(guī)律

1.3 蓄能工況測試分析

為改善實(shí)驗(yàn)室單向閥卸荷沖試驗(yàn)環(huán)境，解決卸荷形變能量不足技術(shù)難題，設(shè)計(jì)研發(fā)了碟簧蓄能裝置，如圖6所示，另外通過減少立柱活塞桿長度，保證了立柱下腔容積一致；基本實(shí)現(xiàn)了液壓支架單向閥卸荷沖擊能量釋放的精確模擬。

圖6 碟簧蓄能測試工況

從表3可看出,在碟簧蓄能工況下的卸荷時(shí)間。液控單向閥在碟簧蓄能工況下與支架偏載工況下進(jìn)行擬合比對，變化規(guī)律如圖7所示。

表3 在碟簧蓄能工況下卸荷時(shí)間

經(jīng)上述試驗(yàn)分析，通過在標(biāo)準(zhǔn)測試工況中施加碟簧蓄能裝置有效增加了單向閥卸荷時(shí)間，改變壓力卸荷梯度，與液壓支架偏載工況下的變化規(guī)律基本一致，實(shí)現(xiàn)了本文的目的。

2 碟簧蓄能裝置設(shè)計(jì)

依據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(第五版)第3卷[7]中碟形彈簧的相關(guān)理論計(jì)算公式、固定框架承載、立柱高壓釋放體積、實(shí)際安裝尺寸等相關(guān)基礎(chǔ)參數(shù)，設(shè)計(jì)、研發(fā)專用高載荷碟簧，外觀圖及尺寸如圖8所示。

圖8 專用高載荷碟簧外形及尺寸

(a) 001#FDY320/40沖擊壓力變化規(guī)律

(b) 002#FDY400/50沖擊壓力變化規(guī)律

(c) 003#FDY400/50沖擊壓力變化規(guī)律

(d) 004#FDY400/50沖擊壓力變化規(guī)律

根據(jù)單片蝶形彈簧的載荷計(jì)算公式：

(1)

式中：F為單片碟簧載荷，N；E為彈性模量，MPa；μ為泊松比;t為彈簧厚度，mm；D為碟簧外徑，mm；h0為彈簧變形量，mm；K1、K4為計(jì)算系數(shù)，詳見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊。

通過式(1)計(jì)算出單片碟簧載荷為1 451 kN。

根據(jù)單片蝶形彈簧的變形能計(jì)算公式：

(2)

式中：f為彈簧的變形量，mm；U為變形能，kJ。

通過式(2)計(jì)算出單片碟簧的變形能為2 148 kJ，相當(dāng)于0.5 kg炸藥產(chǎn)生的能量。

通過理論計(jì)算，最終單片碟簧的技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 單片碟簧技術(shù)參數(shù)表

由于單片碟簧的變形量和載荷值不能滿足使用要求，須采用對合(相向、同規(guī)格的一組碟簧組合)、疊合(同方向、同規(guī)格的一組碟簧組合)的組合方式，使得碟簧特性具有較大的使用范圍。經(jīng)過理論計(jì)算、反復(fù)組合及大量試驗(yàn)分析，最終采用的疊合和對合的組合各兩組，共4組，每組2片，共計(jì)8片。碟簧蓄能單元的最大下壓位移為27 mm，最大載荷為5 828 kN，最大儲存能量為8 594 kJ，滿足試驗(yàn)要求。

3 結(jié)論

1) 在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)液壓支架偏載工況的卸荷時(shí)間在1 s左右，而標(biāo)準(zhǔn)測試工況下的卸荷時(shí)間一般在0.33 s左右，兩種工況下相差0.6 s，產(chǎn)生的原因是支架形變，儲存了較大能量，在卸載時(shí)不僅要釋放出產(chǎn)生壓縮量的液體，還要釋放支架形變產(chǎn)生的能量。

2) 碟簧蓄能裝置較大程度上模擬了支架形變儲能，改善了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)單向閥卸荷沖擊壓力的試驗(yàn)環(huán)境，更加接近實(shí)際工況，提高了單向閥產(chǎn)品的檢測水平。