液壓支架三伸縮立柱動載過載試驗方法研究

楊建新，唐小龍

(1.煤炭科學技術研究院有限公司，北京 100013；2.國家煤礦支護設備質量檢驗檢測中心，北京 100013)

0 前言

立柱作為液壓支架的關鍵承載部件，其性能直接決定采煤工作面的開采效率。液壓支架三伸縮立柱是一種不同于普通單伸縮、雙伸縮結構的新型產品，適用于煤層賦存厚度頻繁變化較大的采煤工作面。

依據GB 25974.2—2010中5.6.4條款規定需進行動載過載試驗。動載過載性能主要反映液壓支架立柱在井下沖擊工況下的抗沖擊性能與安全性能。在液壓支架頻繁承受沖擊載荷時極易造成立柱漲缸、爆缸、導向套飛出等惡劣事件，對設備及人員安全造成重大威脅。

標準中要求采用質量塊為不小于10 t的落錘方式產生適宜的能量撞擊立柱，在30 ms內使得立柱活塞腔壓力由規定的初撐力達到1.5倍額定工作阻力。目前國內沒有落錘沖擊裝置，國外僅捷克國家實驗室具備小缸徑落錘沖擊試驗裝置，且相關檢測技術研究已停滯。國內外關于立柱動載過載測試技術的研究仍局限在傳統力學計算、仿真分析的層面上，缺少符合實際工況的大缸徑三伸縮立柱動載過載性能測試裝置及測試方法，進而驗證立柱的動載過載性能。

本文作者利用煤科院自主研發的20 000 kN蓄能沖擊式快速釋放裝置(圖1所示)等效代替落錘沖擊裝置，進行三伸縮立柱動載過載性能測試。基于理論計算、仿真分析與試驗測試對沖擊載荷條件下的三伸縮立柱活塞腔壓力變化規律進行分析，驗證裝置能否滿足標準要求，即30 ms內由規定的初撐壓力達到1.5倍額定工作壓力。重點闡述該裝置的試驗原理、蓄能器參數理論計算、仿真分析與試驗比對。

圖1 20 000 kN蓄能沖擊式快速釋放裝置

1 快速釋放裝置工作原理

圖2為20 000 kN蓄能沖擊式快速釋放裝置液壓系統原理。具體工作原理：開啟乳化液系統10，調節系統壓力(大于60%額定工作壓力)，給被試立柱8供液，被試立柱伸出全行程的75%，在立柱承載框架7內撐緊，初撐至60%額定工作壓力；開啟油系統1，電液控換向閥2的YA2帶電，給蓄能器組5和沖擊缸6充液至一定壓力，此時蓄能器完成積蓄能量，電磁閥3的YA1帶電，給沖擊缸的下腔供液，使沖擊缸中的沖擊桿與缸底脫離，蓄能器積蓄的能量瞬間釋放，釋放出的高壓油液作用在沖擊桿上，沖擊桿向外伸出，作用在被試立柱上，完成動載過載試驗；試驗完成后，沖擊桿靠被試立柱的供液來復位，YA3帶電，復位的油液流回油箱。

圖2 20 000 kN蓄能沖擊式快速釋放裝置液壓系統原理

2 蓄能器參數理論計算

根據標準要求的立柱內腔壓力需要達到的值，需要對釋放裝置所需的蓄能器壓力參數進行初步計算。

2.1 三伸縮立柱基本參數

液壓支架三伸縮立柱外觀結構如圖3所示，其基本參數如表1所示。

圖3 液壓支架三伸縮立柱結構

文中提到的三伸縮立柱配套液壓支架型號為ZYA12000/18/50D，其基本參數如表1所示。

表1 基本參數

2.2 三伸縮立柱沖擊位移計算

立柱在沖擊瞬間，立柱活柱柱頭撞擊點會發生瞬間位移，該位移主要是各級缸筒內腔液體壓縮產生的。

根據液體壓縮公式：Δ=××Δ

式中：Δ為液柱壓縮量(mm)；為液柱長度(mm)；Δ為5%乳化液容積壓縮系數，一般取5.5×10m/N；Δ為壓差(MPa)。

一級缸液體壓縮量：

Δ=××Δ=980×0.75×5.5×10×(56.55-22.62)=13.71 mm

二級缸液體壓縮量：

Δ=××Δ=990×0.75×5.5×10×(88.5-

22.62)=26.90 mm

三級缸液體壓縮量：

Δ=××Δ=890×0.75×5.5×10×(138.9-22.62)=42.69 mm

液壓支架三伸縮立柱總液體壓縮量：

Δ=Δ+Δ+Δ=83.30 mm

2.3 確定蓄能器充氣壓力與充液壓力

沖擊缸缸徑為975 mm，通過確定的立柱總壓縮量可以計算出蓄能器排出高壓液體的總體積：

20 000 kN蓄能沖擊式快速釋放裝置采用6個蓄能器，每個蓄能器排出的液體體積：

增壓比：

根據蓄能器體積與蓄能器壓力關系公式：

式中：為每個蓄能器排出的體積(L)；為蓄能器容積，=200 L；為蓄能器工作壓力，MPa；為蓄能器最高工作壓力(MPa)，即充液壓力；為蓄能器充氣壓力工作壓力(MPa)。

依據蓄能器壓力使用條件公式，、、三者之間還應滿足：

0.25≤≤09

根據上述公式，確定充氣壓力和充液壓力如表2所示。

表2 蓄能器參數

3 AMESim仿真分析

3.1 模型搭建

根據20 000 kN蓄能沖擊式快速釋放裝置搭建的加載系統模型如圖4所示，由于試驗臺液壓系統相對復雜，難以利用仿真環境完全按照實際液壓系統進行模擬計算，因此對試驗系統進行相應簡化后選取重要的組成元件進行搭建，并進行模型參數設定。

圖4 AMESim加載系統模型圖

蓄能器采用6個相同的無入口孔的液壓蓄能器，沖擊缸采用BAP12模型進行模擬，沖擊缸活塞與缸筒密封組件采用具有黏性摩擦及泄漏的元件BAF03進行模擬，三伸縮立柱各級缸體都采用BAP12進行代替，振動質量采用具有摩擦的MAS006進行代替，彈簧阻尼器及其他子模型采用默認子模型。根據試驗系統各元件結構參數及工況條件對相應子模型進行參數設定，將重要的元件參數進行匯總得到如表3所示的模型參數。

表3 模型參數

3.2 仿真分析

根據表2中確定的參數，進行仿真分析，得到三伸縮立柱一級缸活塞腔內壓力-時間曲線，如圖5所示。可以看出:在30 ms內實現了由規定的初撐壓力(22.62 MPa)到達1.5倍額定工作壓力(56.55 MPa)，即壓力上升梯度1 130 MPa/s；30 ms對應的壓力為57.5 MPa，曲線最大峰值壓力達到59.4 MPa。一級缸活塞腔內液體在沖擊發生400 ms后趨于穩定狀態，穩定壓力為44.2 MPa。

圖5 一級缸活塞腔壓力仿真曲線

4 試驗分析與驗證

利用20 000 kN蓄能沖擊式快速釋放裝置對液壓支架三伸縮立柱進行多組動載過載性能測試，得到的壓力-時間曲線如圖6所示。

圖6 壓力-時間測試曲線

從測試曲線可以看出：30 ms對應的壓力為58.6 MPa，曲線最大峰值壓力達到62.5 MPa。

分析表4可知：實際測試結果略高于AMESim仿真得到的數據，最大壓力對比誤差為4.9%，30 ms內峰值壓力對比誤差為1.9%。產生差異原因是仿真環境下針對立柱自身摩擦阻尼和高壓管道液體阻力損失僅僅使用多個摩擦及阻尼仿真元件進行模擬，與真實情況有一定的差異，但總體上試驗測試與仿真分析得到的立柱內腔壓力數據基本一致，驗證了20 000 kN蓄能沖擊式快速釋放裝置的可靠性。

表4 試驗測試與理論計算數據對比

5 結語

(1)通過仿真與試驗分析看出，基于20 000 kN蓄能沖擊式快速釋放裝置，可驗證液壓支架三伸縮立柱動載過載試驗測試，30 ms內實現了由規定的初撐壓力到達1.5倍額定工作壓力，符合GB 25974.2—2010的要求。

(2)提出的蓄能沖擊式測試方法可代替落錘沖擊式，創新了液壓支架立柱動載過載檢測試驗方法。

(3)解決了大缸徑立柱動載過載性能分析驗證的試驗難題，提高了大缸徑立柱產品抗沖擊性能的分析驗證能力，豐富了質檢中心的檢測手段，為下一步探尋液壓支架沖擊性能奠定了基礎。