第25卷第2期 2010年 6月 矿业工程研究 Mineral Engineering Research Vo1.25 No.2 Jun. 2010 1 2 MN外加载液压支架整架试验技术 宋志安,李新平 (山东科技大学机电学院,山东青岛266510) 摘要:介绍了一种外加载液压支架整架试验台,它主要由12MN外加载液压试验系统、电控系统和计算机辅助测试(CAT)系 统3部分组成,具有独立的动力机构及电气系统,采用按钮集中控制,试验压力调定采用远程比例控制且可根据液压支架整架试验的 要求进行调整,操作简单、使用方便,且模拟井下液压支架使用工况进行密封、支护和强度性能的各种检验,在wiI1dowsxp环境下.采 用VisualBasic编制数据采集程序,按试验步骤自动采集立柱腔内压力数据和自动输出试验报表数据文件,并对试验报表数据文件进行 预览打印。满足了液压支架生产厂对各种架型液压支架出厂检验的需求. 关键词:外加载;液压支架;比例控制;计算机辅助测试 中图分类号:TD355 ̄.41 文献标识码:A 文章编号:1674—5876(2010)02—0056—04 近年来随着综采三机配套的高压、高速、大功率 护式和支撑掩护式液压支架的整架外加载性能试验, 具有独立的动力机构及电气系统,采用按钮集中控制, 和高性能的要求,使液压支架对初撑力和工作阻力的要 求越来越高,这就对液压支架试验设备的要求相应的也 越来越高.国内出现了千吨级的液压支架试验台[1-2]但 还没有出现超千吨的. 压力调定采用远程比例控制,工作压力可根据支架整 架试验的要求进行调整,操作简单、使用方便,设备运 行良好,2009年12月通过山东省科技厅组织的鉴定, 达到了国际先进水平. 在对各类液压支架架型分析的基础上,依照中华 人民共和国煤炭行业标准MT312—2000《液压支架通 用技术条件》要求,以外加载的方式使支架在受不同载 荷作用,2008年我们在塔高机械制造有限公司成功地 完成了用于液压支架的操作性能、密封性能、支护性 能和强度进行综合测试的12 MN级试验台如图1所 示.它的出现,对超千吨级工作阻力情况下的液压支架 试验来说,无疑是一个成功的探索. 1 试验台结构 12 MN液压试验机由主机及控制机构两大部分组 成,通过管路及电气装置联系起来构成一个整体,主机 包括上梁、主缸、4根立柱、侧推拉缸、滑块、工作台、推 拉缸 限程控制装置等组成.控制机构包括液压泵站 1.上梁;2.主缸;3.立柱;4,9.推拉缸;5.滑块; 6.被试液压支架 .液压站;8.底座 图1 12 MN外加载液压支架整架试验台 Fig.1 1 2 MN hydraulic support external load test stand (7)、电控柜等组成.该液压支架整架试验台适用于对掩 收稿日期:2010-04—12 由图l可以看出:试验台机身依靠4根立柱(3)为 通信作者:宋志安(1959一),男 fU东青州人,博士,副教授,研究方向:液压传动和控制.E—mail:songzhian2005@126.(30111 主架,上梁及工作台由锁紧螺母紧固于两端,滑块(5) 安装在上梁与工作台之间,机器精度靠调节螺母及固 给液压支架供液,液压支架在升柱时,高压液进人立柱 下腔,液压立柱升起使顶梁接触不动的滑块(5),立柱 下腔压力加大,当增加到泵站工作压力PB时,泵站自动 卸载,支架的液控单向阀关闭,立柱下腔压力达到初撑 定于上梁上锁紧螺母来调整,滑块(5)与主缸活塞杆及 侧缸活塞杆间由法兰螺母连接,依靠4柱作导向上下 运动,来模拟液压支架在井下时受到顶板来压的工况. 在试验时借助与推拉油缸(9)和支架推拉千斤顶, 力,此阶段为初撑阶段0,此时支架对顶板的支撑力为 初撑力。采集各个立柱缸腔的压力,被试液压支架的 初撑力不得小于额定初撑力的95%,则被试液压支架 为合格. 被试液压支架的初撑力: 将被试液压支架装在液压机平台(8)上,尽量使液压支 架的顶梁处在中间位置,这里液压机平台相当于煤矿 工作面底板:连接好乳化液泵站来的进回液管路;装好 立柱和前梁千斤顶相对应的压力传感器(传感器线上 分别标有前排左柱、前排右柱、后排左柱、后排右柱、 千斤顶的标记) _习. 2支架试验 由于液压支架在井下的工况十分复杂,为保证使 用中的安全和可靠,中华人民共和国煤炭行业标准 MT312—2ooo(液压支架通用技术条件》规定一种新的 支架在投入使用之前必须由国家指定的专门机构对 支架样机进行型式试验,其主要任务是模拟支架在井 下作业时各种受载条件对支架进行加载试验. 2.1操作性能 在额定供液压力和流量下,操作被试液压支架操纵 阀,按设计规定的动作对被试液压支架各进行3次,其中 一次使运动部件顶梁处于极限位置,持续供液1 min. 操作性能:合格的被试液压支架各主要运动部件 操作方便,各项动作准确、灵活、无滞涩卡蹩、液压系统 无泄漏现象;各运动部件处于极限位置时,支架最小高 度、最大高度和宽度公差均为±25 nHn. 2.2低压密封性能 被试液压支架在2 MPa和额定供液压力下,将被 试液压支架升到最大高度的2/3,这时被试液压支架顶 梁不接触滑块(5),外载主要是顶梁和立柱活动件的自 重.自然放置4 h,不得有渗漏.测出并记录各个立柱缸 腔的压力值,作为低压密封好坏的检验标准pJ. 2.3支护性能 液压支架的支护性能也即承载过程是指液压支 架与滑块(5)之间相互力学作用的过程.它包括初撑、 承载和恒阻3个试验. 2.3.1初撑力试验 将液压机滑块(5)下降至支架顶梁上,乳化液泵站 孚 (MN), (1) 斗 式中,D为支架立柱的缸径,m;Pa为泵站的工作压力, MPa;n为支架立柱的数量,对掩护式液压支架,n=2,l;对 支撑掩护式液压支架,n=4. 由(1)式可知,支架初撑力的大小取决于泵站的工 作压力,立柱缸径和立柱的数量.合理的初撑力是防止 直接顶过早的因下沉而离层、减缓顶板下沉速度、增加 其稳定性和保证安全生产的关键.一般采用提高泵站工 作压力的办法来提高初撑力,以免立柱的缸径过大. 2.3.2承栽增阻试验 被试液压支架达到初撑力后,调节比例阀,主缸 (2)和推拉缸(4)向下对被试液压支架施压,被试液压 支架立柱下腔压力增加,调节比例阀,加压到立柱安全 阀额定压力的90%,液压支架立柱下腔压力达到工作 阻力,此阶段为增阻阶段 .测出5 min后各个液压支 架立柱缸腔内的压力值. 2.3.3恒阻试验 调节比例阀,随着液压机主缸和侧推拉缸内压力 继续增加,使被试液压支架立柱下腔压力超过被试液 压支架的安全阀压力调定值 时,安全阀打开而溢流, 被试液压支架立柱下缩,使液压机主缸压力减小,立柱 下腔压力降低,当低于安全阀压力调整之后,安全阀停 止溢流,安全阀停止溢流2 min后,再测定几次液压支 架立柱压力.这样在安全阀调整压力的限制下,压力曲 线随时间呈波浪形变化,此阶段为恒阻试验阶段t2.此 时液压支架对滑块(5)(或顶板)的支撑力称为工作阻 力,它是由支架安全阀的调定压力决定的.被试液压支 架的工作阻力 为 D2Pl/7,(MN). (2) 斗 式中,P.为架安全阀的调定压力,MPa. 液压支架的工作阻力标志着支架的最大承载能 力.支架的工作阻力是支架的一个重要参数,它表示支 架支撑力的大小.液压支架工作阻力不得大于额定工 57 作阻力的l 10%,不得低于额定工作阻力的90%.测出 液压支架立柱缸腔内的工作压力值. 由上可知:被试液压支架试验时,其液压支架下腔 试验时,压力信号由液压支架各立柱相应的传感 器检测,先送至仪表显示柜上的二次仪表,二次仪表对 传感器信号进行放大,滤波转换后,进行数字显示,并通 过相应端子板、A/D板和工控机主板,编制专门测试软 件进行数据处理,如采集、显示、数据存盘、报表生成和 打印等.二次仪表的输出信号是作为模拟量的压力信 号,这种信号通过模拟量采集A/D板的接口电路送至 内压力与时间的关系,可以表示为液压支架的工作特 性曲线如图2所示.横坐标tat。,t2分别表示被试液压支 架试验时的初撑、增阻和恒阻试验阶段的时间,只要测 量出对应时间的压力值就可以绘制出液压支架的工 作特性曲线 P- Pl PB 0 图2液压支架的工作特性曲线 ・ Fig.2 Operating characteristics curve ofthe hydraulic support 2.3.4垂直加栽强度试验 试验时高度要求:支撑式液压支架伸出长度为 可伸缩的2/3时的高度;掩护式或支撑掩护式液压 支架根据理论计算,取液压支架受力最不利状态时 的高度 】. 加载方法:在图l中滑块(5)和液压支架顶梁支架 加垫块,对被试液压支架进行垂直加载,使被试液压支 架立柱压力逐渐达到额定工作阻力与1.1倍额定工作 阻力的载荷,加载次数不少于3次.在载荷作用下,布置 在顶梁或底座最大挠度处的位移传感器或黏贴的电 阻应变片所测得的残余变形量,不得大于相应受力支 点距离的0.4%,测得的最大或最小主应力,按第四强度 理论的强度条件,一般安全系数应大于或等于1,各部 件不得出现裂纹,不得有影响部件的损害. 2.3.5数据存盘 把上述试验过程采集的所有数据、外观质量检 查、操作性能存盘,完成一次液压支架试验过程,根据 相关标准给出是否试验合格. 3 CAT系统 液压支架整架试验台的最大特点是全部试验数 据都由计算机自动采集和处理,避免了各种人为因素 的影响.该计算机数据采集与处理系统的硬件主要包 括压力传感器及二次仪表、仪表柜、工控计算机、模拟 量采集板、打印机等,它的软件是用VB编制的计算机 辅助测试软件 . 。 58 工控计算机'由工控计算机进行处理. 为了适应计算机技术的最新发展,提高试验台的 测试水平和工作可靠性,所有传感器的二次仪表均安 装在一台仪表柜上,以便于观察和维护,并采用一台交 流稳压电源为各种仪表供电,保证其工作可靠性.计算 机辅助测试软件是在中文Windows XP操作系统下,以 Visual Basic作为编程环境进行开发的。界面友好,提示 信息及帮助全部为中文,易于掌握,操作使用非常方便, 系统稳定性与容错性很好.为了便于维护,软件在设计 开发时采用了模块化结构以及分层菜单和容错技术. 在主控模块中,根据试验项目及其扩展功能来设计菜 单,主菜单内容包括:支撑掩护式液压支架试验、掩护 式液压支架试验等. 对应于每一个测试模块,首先要根据系统提示 选择液压支架名称,输人支架编号,然后实现的功能 有:数据采集、数据存盘、报表打印等.各项功能均采 用菜单驱动,单击鼠标右键即可出现关于以上功能 的浮动菜单,移动光标选择相应选项并单击鼠标左 键即可实现各项功能.数据管理主菜单可实现对存 盘测试文件的查询打印.本液压支架整架试验台 CAT系统如图3所示. 图3液压支架整架试验台CAT系统 Fig.3 CAT systems ofthe whole test-bed aircra ̄hydraulic supports 本计算机辅助测试系统是依据煤炭行业标准 MT3 12—2000((液压支架通用技术条件》(出厂试验),为 液压支架整架试验配套的. 4结论 上述介绍的外加载液压支架整架试验台,主要由 12 MN外加载液压试验系统、电控系统和CAT系统3 部分组成,具有独立的动力机构及电气系统,采用按钮 集中控制,试验压力调定采用远程比例控制且可根据 液压支架整架试验的要求进行调整,操作简单、使用方 便,它模拟井下液压支架使用工况进行密封、支护和强 度性能的各种检验,在windowsxP环境下,采用VB编 制数据采集程序,按试验步骤自动采集立柱腔内压力 数据和自动输出试验报表数据文件,并对试验报表数 tsteing aircraft hydraldic system design叨.Hydraulic and Pneumatic, 2007(7):42-43. 刑福康.煤矿支护手册【hI】.北京:煤炭工业出版社,1993. 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Key words:external load;hydraulic support;proportional control;CAT 59