[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】煤矿锚索液压冲击载荷系统的设计与实验-中文翻译

南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院 毕业设计 (论 文 )外文 资 料翻 译 系： 机械工程系 专 业： 机械工程及自动化 姓 名： 时后涛 学 号： 060104252 外文出处： THE 6th International Conference on Mining Science & Technology 附 件： 1.外文资料翻译译文； 2.外文原文。 (用外文写)指导教师评语： 签名： 年 月 日 注： 请将该封面与附件装订成册。 附件 1：外文资料翻译译文 煤矿锚索液压冲击载荷系统的设计与实验 摘要 : 矿用预应力锚索在大负荷作用下的会被破坏或拉掉，而且在装载的过程中钢绞索与固定物间剧烈的摩擦会产生高温和摩擦火星。没有现成的试验台可以进行冲击载荷试验。为验证这个过程，我们首次设计出煤矿锚索液压冲击载荷系统。这个系统不仅可以模拟锚索在充满浓醪气环境中承受不同载荷而脱落或断裂的工作状况，还可以被用来研究锚索的支持与保护装置的失败机制，而且可以检测由于火花和高温情况下引燃或引爆气体的可能性。通过 AMEsim 软件，我们建立冲击载荷系统的模型并进行实验。模拟结果表明设计的实验系统可以获得高速度并可以承受大的载荷。因此，这种动态性能可以满足锚索冲击试验的需要。实验同时表明实验情况与锚索在现实中被拉掉的情况是相似的。 1. 引文 小直径的预应力锚索通常被用来加强锚索本身支护系统，锚索支护泛用于隧道支撑。在锚索系统中，随着拉力的不断增加，如果拉力超过其承受能力，锚索会被拉断或拉掉，这是煤矿隧道中常见的状况。如果锚索的载荷更大，后果将会变得更加严重。运转过程中，钢绞索与固定物之间产生会产生剧烈的摩擦。这会产生高温和摩擦火星，导致煤矿中沼气的燃烧或爆炸。 锚索与锚固在大岩爆时的实效形式与静止状态下的失效形式通常是不一样的， （实际情况下，分离层的高度通常只有 0.5 米，封闭的固定物迅速掉落的速度可达到 3 米每秒） 。现存的冲击载荷系统用于静止模式，但不可以模仿实际情况下锚索巨大的冲击载荷。 根据实际情况，煤矿锚索冲击载荷系统首次以文字形式出现。这个冲击载荷系统可以模仿煤矿锚索的实际工作情况。在这个系统基础上，已经做了锚索失效机理的实验并研究了由于锚索被拉掉而产生的高温和摩擦引起的沼气爆炸。模仿软件 AMEsim 被应用在该模仿该系统中。 2. 液压冲击载荷系统的设计 煤矿锚索冲击载荷系统通过两个液压缸及锁定单元来固定并事先夹紧锚索的两端，然后两个液压缸立即同时延伸作用在承受载荷的锚索上。这个系统可以模仿重物迅速掉落时锚索的工作情况。图 1 是所设计的液压冲击载荷系统。 试验系统有两个液压缸 2 和 8，两个传送加紧装置 3 和 7，中间固定板 5，传送设备 4 和两个防爆缓冲盒子 1 和 9，如图一所示的两端。两个双活塞液压缸被固定在传送加紧装置和防爆缓冲盒之间，这些液压缸通过中间的固定装置来来固定。传送装置被焊接在左右传送加紧单元中并且通过中间固定装置固定，以便提高传送速度。整个系统通过水泥固定。两个液压缸的活塞杆是空的。 1,9 缓冲爆炸箱； 2,8 液压缸； 3,7 左右夹紧； 4 电缆套管； 5 中间固定板； 6 混凝土底座 图 1. 冲击载荷电缆测试系统 锚索穿透其中一个活塞杆然后从另一个活塞杆出来。在防爆缓冲盒中，锚索被锁定单元固定在两个液压缸之间。左右两套防爆盒用来甩减弱液压缸的冲击作用。防爆盒充满沼气以便模仿锚索被拉掉时的工作情况。 装载系统的作用速度可以达到 3 米每秒、作用力可以达到 230KN。如此大的作用速度和作用力通过一个液压泵很难达到。除此之外，高作用力会很容易损坏液压泵。液压缸静止时一个小液压泵用来预先夹紧锚索。此外，动态冲击模式通过一套大容量蓄电池组被用到液压缸中。 根据实验要求，图 2 所示的液压系统由插装阀、液压动力单元、蓄电池组和两个液压缸等组成。蓄电池组由四个蓄电池组成，所需个数由作用速度决定。大部分情况下，三个同时工作，另一个备用。这个系统可以实现如下四部：液压缸复位、固定和事先加紧锚索、蓄电池充电和加载。 1 油箱； 2 液压泵； 3 减压阀； 4 换向阀； 5, 8, 9, 22, 23, 26活塞； 6, 10 液压机 ; 7 单向阀；11, 12, 13, 14 蓄电池； 15, 16, 17 插装阀； 18, 19, 20 电池换向阀； 21 安全阀； 24, 25 液压缸； 27, 28 液压锁； 29, 30三位四通电池换向阀 图 2. 液压系统图 3系统模拟 3.1 建立仿真模型 根据上述液压系统原则和试验要求 ,图 3中建立了一个基于 AMEsim仿真软件的模拟模型 , 在这个模拟模型中， 插装阀 12由主插装阀和极好的先导阀组成，插装阀 12发送的信号 13控制插装阀的打开和关闭。锚索冲击过程的负载特性比较复杂，有可能被拉断或拉出。因此仿真系统把锚索当作具有阻尼的弹性元件。如图 3所示，测试中使用了三个蓄电池。蓄电池的容量是 40升，补偿压力是 12MPa，蓄能器的最大工作压力是 19MPa。液压缸、插装阀、液压泵和其他组件的设置都是根据各自的特点来设计模拟参数的。 总的模拟时间为 210s，在 200s的时候控制信号发出碰撞指令，然后插装阀迅速打开，蓄能器加压将液压油通过插装阀压入液压缸的右腔来实现冲击。值得一提的是，蓄电池充电和锚索的预紧都是在冲击过程之前完成的。 1 液压马达； 2 液压泵； 3 压力调节阀； 4 调节压力信号； 5,9 换向阀； 6,8调节换向阀的信号方向； 7 单向阀； 10 液压控制单向阀； 11 蓄电池组； 12 插装阀； 13 插装阀控制信号； 14 设置加载模块； 15 冲击液压缸； 16 流量传感器； 17 液压油的特征成分 图 3.系统模型仿真 3.2 系统仿真结果 在此液压冲击装载系统中，关键是速度的变化和液压缸的压力应该符合测试要求。 图 4 显示了活塞杆速度和冲击模拟的仿真曲线。曲线 1 是活塞杆速度仿真曲线，从图上可以看到需要的信息。在冲压的开始阶段，活塞杆的加速时间为0.03s。在加速结束时，主插装阀的阀芯完全打开和液压缸一起达到最大速度后一起随着活塞杆流动，蓄能器的压力逐步减小。液压缸的流量和流速都逐渐减小。冲击信号发送出 0.28s 后，液压缸的速度降到 0 并且随着一点小小的震动而停止。曲线 2 是活塞杆冲程仿真曲线，这表明活塞杆在冲击信号发送后 0.1s 开始运动。而在冲击信号发出后 0.25s 的时候活塞杆的冲击行程为 0.41m。这些特征完全符合液压缸速度和行程的设计要求。 1 活塞杆速度曲线； 2 活塞杆冲程曲线； 图 4. 液压缸速度和行程模拟曲线 1 液压缸右腔入口压力变化曲线； 2 活塞杆冲击力变化曲线 图 5. 液压缸右腔入口压力变化曲线和活塞杆冲击力变化曲线 图 5 画出了液压缸右腔入口压力变化曲线和活塞杆冲击力变化曲线。曲线 1表明由于插装阀的惯性作用，冲击信号发出 0.1 后液压缸入口压力才开始上升。冲击信号发出 0.13s 后，压力达到峰值，从这个时候开始压力逐渐减小以达到17.5Mpa 的稳定水平。曲线 2 是活塞杆冲击力变化曲线，它类似于弧线，但是冲击力上升的幅度是缓慢的，原因在于刚开始的时候活塞杆速度太快和没有及时排出液压缸左腔的液压油。在冲击开始前，大约有 110KN 的预紧力作用在液压缸上。随着活塞杆的运动，压力最后上升到 240KN。所以液压缸的冲击力大到能够满足锚索对冲击载荷的要求。 仿真结果表明，由蓄电池组、插装阀、液压缸组成的锚索的液压冲击载荷系统能实现高速度和大的冲击，并且系统的动态性能能够满足设计的要求。 4. 实验与分析 根据锚索液压冲击载荷系统，事务局依法建立了一个实验系统，并且在它的基础上已经完成了一些实验。 由于液压缸的冲击速度非常高而且冲击时间是太短，所以不能用正常的传感器来衡量这个速度。这项实验是由日本的网络接入公司完成的，实验中使用了 MEMRECAM Ci3 高速运动分析系统。 MEMRECAM Ci3 包括高速数字存储晶体摄影和新 MOVIAS 二维空间的分析软件。 它可以连续拍摄高速运动的对象，并分析研究图像的运动规律、 运动轨迹与瞬时速度等。图 6 是锚索被拉出的速度曲线。从曲线中我们可以看出冲击的整个过程可以分为以下四个步骤： t1 时刻液压缸启动，蓄能器累积液压油等到冲击开始的时候释放来加速液压缸。 t2 时刻开始锚索连续运动。由于锚索的预紧力和夹紧摩擦，当液压油缸的速度达到 3m/s，这个状态保持 10s。在这个过程中没有出现火花，不能引爆充满防爆盒的瓦斯。 t3 时刻锚索达到极限载荷而被拉出。在这个时候锚索与锚固之间发生强烈的摩擦并发生火花迸射。当废料溅射时，他们迅速在高温空气中被氧化，并且温度持续增加。在 t4 时刻，活塞杆自由向前推动并逐渐减慢， 50mm 后停止。实验结果表明，所设计的系统能够满足锚索对冲击力和速度的要求。 图 6.电缆螺栓拉出曲线 5. 结论 本文介绍的原理、新型结构和液压冲击载荷系统首次用于锚索中。借