20000kN大傾角液壓支架檢測技術及裝備研究

馬 強，劉欣科

(1國家煤礦支護設備質量監督檢驗中心，北京 100013；2.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與環境保護國家重點實驗室，北京 100013)

大傾角液壓支架檢測技術及裝備用于模擬井下傾斜、急傾斜工作面特征，分析大傾角液壓支架在傾斜工況下的可靠性、穩定性和安全性，是大傾角液壓支架型式檢驗和力學特性分析的重要手段[1，2]。隨著煤礦綜采技術的發展，大傾角液壓支架在適應煤層傾角和工作阻力方面有了較大的發展，目前大傾角液壓支架最大適應煤層傾角已超過60°，工作阻力超過7000kN。現行行業標準《大傾角液壓支架技術條件》(MT555)中規定：“把性能試驗臺轉至支架設計的最大使用角度”、“按要求進行防倒、防滑、移架、調架等性能試驗”[3]，現有檢測設備在旋轉角度、承載載荷方面已滯后于大傾角液壓支架技術發展，無法滿足大傾角液壓支架的試驗需求。現有大傾角液壓支架臺不具備外加載測試功能，無法模擬大傾角液壓支架在傾斜狀態下承受外載載荷時支架的安全性及可靠性進行考核，與實際使用工況存在一些差異。

為彌補現有檢測技術及裝備在能力方面的落后以及在功能性方面的欠缺，研究大傾角液壓支架檢測技術和開發新型的大傾角液壓支架檢測裝備以滿足大傾角液壓支架技術的發展，改變現有大傾角液壓支架檢測技術及裝備落后于大傾角液壓支架技術的現狀，提升我國大傾角液壓支架產品分析驗證的能力及水平，有利于推動傾斜、急傾斜工作面支護設備的技術發展。

1 大傾角液壓支架檢測裝備結構設計

為滿足大傾角液壓支架檢驗標準及科學試驗的要求，設計大傾角液壓支架檢測裝備可同時放置三臺工作阻力7500kN以下的液壓支架按照MT555的要求進行傾角旋轉試驗，對一臺工作阻力10000kN以下的液壓支架按照GB25974.1的要求進行常規型式試驗。同時考慮到大傾角煤層開采技術的發展趨勢，確定試驗裝備的旋轉角度為-90°～+90°、承受載荷20000kN(均布)、試驗高度750～5500mm、試驗臺臺面尺寸長×寬7200mm×6000mm。

大傾角液壓支架檢測裝備機械本體由旋轉部分、承載框架兩部分組成。旋轉部分為兩組，對稱布置于承載框架前后側，由底座、伺服電機、減速器、傳動軸、輥圈、齒輪、齒圈、托輥及制動裝置組成。滾圈由上下兩半圈組成，通過鍵和拉桿固定；輥圈外側焊接有滾動導軌，輥圈通過導軌在托輥上轉動；齒圈安裝于輥圈外圓，與滾圈通過鍵和螺栓連接固定。旋轉時，由電機帶動減速器、傳動軸從而驅動齒輪、齒圈，每套傳動裝置分別驅動一側輥圈。由于試驗裝備重心不在輥圈形心，在轉動時自身會產生偏心力，旋轉至試驗角度后通過傳動軸抱閘及插銷裝置鎖齒實現兩級機械自鎖，此時可進行防倒、防滑、移架、調架等性能試驗。

承載框架位于兩滾圈之間，與前后滾圈通過銷軸連接，采用“三梁四柱”組合框架結構，由立架、活動平臺、水平加載平臺、底座、垂直加載平臺、頂梁和頂架組成。其中斜拉梁借鑒橋梁拉桿式結構，增加了整體的橫向穩定性；配備護幫板和尾梁等輔助試驗工裝，構成了一套功能完備的液壓支架試驗系統[4]。

根據上述參數內容，采用三維軟件建立大傾角液壓支架檢測裝備模型，完成檢測裝備各部件的模型設計、之間配合關系、干涉分析、定義材料屬性[5]，模型如圖1所示。模型建立完成后，對模型進行有限元力學分析，分別對最大偏心工況下旋轉至45°、90°時、水平狀態下的偏心、水平加載工況等進行力學分析。將仿真分析結果與經典力學分析相結合，優化設計參數，對應力比較大的區域進行優化設計，減少應力集中的情況，從而確定大傾角液壓支架檢測裝備的總體參數：試驗裝備的旋轉角度-90°～+90°、旋轉速度1.7°/min；承受均布載荷20000kN、集中載荷13000kN；垂直外載11000kN、加載速度1.67mm/s；水平外載6000kN、加載速度3.5mm/s；側向載荷2000kN、加載速度6.0mm/s；試驗高度750～5500mm、試驗臺臺面尺寸長×寬7200mm×6000mm。

圖1 大傾角液壓支架檢測裝備模型

2 旋轉控制系統設計

20000kN大傾角液壓支架檢測裝備旋轉控制系統通過PLC系統進行控制，控制原理如圖2所示，PLC控制器與伺服電機、傳感器之間通過CAN總線進行通訊，通過人機交互界面可設置檢測裝備的旋轉角度、旋轉速度等基本參數，實時顯示扭矩、角度等參數，對速度及轉矩進行閉環控制。

圖2 旋轉控制系統原理圖

旋轉前，在PLC控制器設置目標旋轉角度及速度。開始旋轉時，通過PLC啟動伺服電機，伺服電機將輸入的旋轉速度作為獲得的速度目標值，電機上的旋轉編碼器將檢測的實時速度作為實際值，驅動器按照速度目標值與實際值進行速度閉環控制；主動軸的伺服電機旋轉時實時檢測其實際輸出轉矩，從動軸的伺服電機通過通信協議采集主動軸的轉矩并將其作為目標值，然后根據自己輸出的實際轉矩進行轉矩閉環控制，實現兩側轉矩同步的閉環控制。旋轉結束后，利用機械限位將試驗臺鎖住，在左右輥圈下方設置有4組鎖齒裝置，左右各2套。其液壓控制系統如圖3所示。

圖3 輥圈鎖齒系統

3 大傾角液壓支架檢測裝備液壓系統設計

20000kN大傾角液壓支架檢測裝備液壓系統由比例泵站動力系統、平臺調高控制系統、垂直外加載同步控制系統、水平加載系統、側向加載系統、對中系統及護幫板試驗系統等組成。用于實現試驗臺調高、外加載及各輔助功能。

1)壓力、流程遠程調節比例泵站動力系統設計。檢測裝備的液壓系統由多回路組成，其所需的流量、壓力及控制精度各不相同，采用A4VSO71DFE1比例變量柱塞泵配合比例溢流閥YAB0，可適應調高系統、垂直外加載、水平加載等各個子系統的速度精確控制和壓力精確控制，通過遠程控制電磁溢流閥YA11實現遠程壓力卸荷，系統中設置有壓力傳感器、溫度傳感器和液位傳感器，可實時監測、采集相關數據并顯示。比例泵系統可提供流量0～105L/min，系統可調節壓力0～28MPa。系統原理如圖4所示。

圖4 泵站系統

2)平臺四角同步控制調高系統設計。平臺通過四根雙伸縮立柱的升降來實現高度調整，從而滿足不同支架檢驗的要求。由于平臺臺面尺寸較大，在升降過程中需要實時調整四根立柱的速度，保證平臺四角始終處于同步狀態，且同步誤差不大于5mm，因此，通過高頻響比例換向閥(YM1～YM4)與高精度位移傳感器(LY1～LY4)結合，將調高系統設計為閉環控制的方式。進行高度調整時，首先調節比例泵開口，為系統提供所需的流量；之后通過調節四個比例閥的開口度來調整每根立柱所需的流量，由于平臺前后負載存在差異，在平臺升降過程中，位移傳感器實時采集各立柱的高度，并反饋至中央處理器，當同步誤差偏離限定值時，處理器將調節比例閥的開口度進行局部流量控制，確保平臺四角高度差在限定值以內，從而實現調高系統自動調整、控制。在系統的主進液口設計有先導式減壓閥，將泵站系統所提供的壓力降至本系統工作所需的壓力，避免局部壓力過高，損壞平臺。調高平臺提升速度：2.5mm/s，四角同步誤差≤5mm。系統原理如圖5所示。

圖5 調高系統

3)水平外加載系統設計。水平加載裝置布置于檢測裝備左右兩側，利用活塞桿伸出作用于立架推動整個平臺前后運動。加載時，電液換向閥YA33或YA34動作，壓力油經過閥組進入一側兩個加載缸，另一側加載缸的液壓油經過閥組回油箱，通過位移位移傳感器LZ實時采集平臺位移，到達設定位移后，YA33或YA34復位停止動作，進入保壓狀態；保壓完畢后，YAB7或YAB8帶電，利用該閥斜坡式緩慢卸載的特性實現油缸逐漸泄壓，避免突然失壓造成液壓支架的猛烈回彈，產生震動，因此采用柔性卸載；卸壓后油缸回縮，電液換向閥YA31或YA32帶電，活塞桿回收，一個水平加載循環結束。水平加載速度：3.5mm/s，加載行程400mm。系統原理如圖6所示。

圖6 水平加載系統

4)垂直外加載系統設計。垂直外加載系統具有兩方面功能，一是對被試件進行垂直加載試驗；二是在調高平臺調整到位后，再由垂直外加載系統進行進一步微調，實現試驗高度的無級調節。垂直外加載系統通過比例換向閥、比例溢流閥、壓力傳感器、位移傳感器等組成高精度控制系統。加載過程中，壓力來油經過六個高頻響比例換向閥(YM5—YM10)進入六個外加載缸，平臺四角都配有位移傳感器(LY5～LY8)，實時跟蹤運動位置，位移信號反饋給計算機，計算機通過計算，輸出信號給比例換向閥，從而調節各個缸的速度，使六個外加載缸動態同步，實現閉環調平加載過程。由于外加載平臺位于試驗臺的上方，與活動平臺通過六根外加載缸連接，外加載缸活塞桿腔設置有平衡閥(dg1～dg6)，使活塞桿腔始終保持一定壓力，以抵消外加載平臺自身重量。垂直外加載速度1.67mm/s，四角同步誤差≤5mm。系統原理如圖7所示。

圖7 垂直外加載系統

4 關鍵技術及工業性試驗

4.1 關鍵技術

1)液壓支架檢測裝備無級調高。液壓支架檢測裝備無級調高始終是支架檢測行業中的一個難點，本項目利用活動平臺與垂直外加載平臺相結合的方式解決了這一技術難題。試驗高度調節時，先通過調高油缸將活動平臺升至某一高度，插銷固定，然后通過調節垂直外加載缸來調整垂直外加載平臺的位置，垂直外加載平臺在其行程范圍內任意調節，達到試驗臺高度無級調節的目的。結構如圖8所示。

圖8 垂直外加載平臺與活動平臺

2)大噸位、大直徑試驗裝置雙向多角度同步旋轉。大傾角液壓支架檢測裝備旋轉機構采用了雙伺服電機、雙減速器驅動，雙齒輪齒圈傳動的技術方案，解決了旋轉過程中的同步問題、抵消檢測裝備的偏心力問題、雙向多角度旋轉的問題。

3)模擬傾斜、急傾斜工況對大傾角液壓支架進行三維復合加載。大傾角液壓支架檢測裝備首次將旋轉功能、垂直外加載功能、水平加載功能和側向加載功能集為一體，可模擬傾斜、急傾斜工況同時或分別對大傾角液壓支架進行垂直外加載、水平加載及側向加載測試，以考核大傾角液壓支架在一定傾斜角度下的受力狀況。

4.2 大傾角液壓支架檢測裝備工業性試驗

大傾角液壓支架檢測裝備已在煤炭科學技術研究院有限公司檢測中心安裝調試完成，如圖9所示，試驗裝置可完成-90 °～+90 °旋轉，運行平穩，能夠全面滿足大傾角液壓支架防倒、防滑試驗的要求。

圖9 樣機調試圖

5 結 語

1)大傾角液壓支架檢測裝備可依據《煤礦用液壓支架第1部分：通用技術條件》(GB 25974.1—2010)對常規液壓支架進行型式檢驗，可依據《大傾角液壓支架技術條件》(MT 555—1996)對大傾角液壓支架在傾斜工況下進行防倒、防滑項目檢驗；

2)檢測裝備具有旋轉功能、垂直外加載功能、水平加載功能、側向加載功能，能夠模擬井下實際工況對液壓支架進行傾角試驗、外加載試驗、內加載試驗；

3)檢測裝備的旋轉控制系統、泵站系統、調高系統、外加載系統均采用了閉環控制的方式，在使用過程中能夠對角度、壓力、位移進行精確控制。