液压支架试验台外加载试验技术研究

液压支架试验台外加载试验技术研究

支撑块试验台是一种设备，用于对支撑块的外观、外观和力学特性进行分析。根据负荷加载方式，分为室内加载和室外加载。在相似性方面,外加载试验方法更符合液压支架在井下的使用工况;在标准符合性方面,外加载试验方法满足GB25974.1—2010关于液压支架让缩性能和复合加载试验的要求随着液压支架支撑高度和工作阻力的不断提高,出现了最大支撑高度达8.8m、工作阻力达26000kN的超大采高液压支架。GB25974.1—2010也对液压支架安全性能和可靠性提出了更高要求,现有的液压支架内加载试验技术已不能满足液压支架技术发展的需求;因此,研究液压支架试验台外加载试验技术,对于提升我国煤炭行业液压支架科学试验水平和促进液压支架技术进步具有重要意义。1外部加载试验系统的设计外加载试验系统包括垂直外加载、水平外加载、侧向外加载及泵站系统。1.1比例方向阀控制垂直载荷是被试支架承受的主要载荷,分为加载、保压与卸载3个阶段。垂直外加载工作原理如图1所示。执行元件采用大缸径、重载柱塞液压缸(缸径大于700mm、单缸输出载荷超过10000kN),系统设置4个比例方向阀,通过高精度位移传感器实时监测、采集各个加载液压缸的高度值并分析对比高度偏差,将该偏差反馈给工控机,对比例方向阀的开度进行控制,实现4个液压缸局部流量独立控制,动态调节高度偏差,保证运动平稳性;采用液控单向阀进行系统保压,通过比例溢流阀进行系统卸载。加载过程采用液压同步闭环控制方式垂直加载完毕后,进入保压过程,通过液压缸进液管路中设置的液控单项阀4,实现无泄漏保压。保压结束后,进入卸载过程,通过斜坡泄压,即反向逐渐开启比例方向阀2,同时加以调平控制,实现垂直外加载液压缸7缓慢泄压回落,避免了液压支架在重力和回弹压力作用下快速下落造成的压力冲击。1.2回液加载系统由于液压支架自身的结构特点和摩擦的存在,顶板对支架产生一个指向煤壁或采空区的水平载荷,与垂直载荷及摩擦因数有关,一般为垂直载荷的0.3倍水平外加载过程也分为加载、保压和卸载3个阶段,加载原理如图2所示。执行元件采用4个柱塞液压缸,布置于水平加载平台左右两侧,2个为1组;通过由插装阀、梭阀及电磁换向阀组成的换向阀组控制左右2组柱塞液压缸的动作;阀组中通过比例溢流阀进行系统调压,当系统压力高于比例溢流阀设定压力时,溢流阀开启进行溢流,使系统稳定在预设压力范围内,结合压力传感器,实现不同加载载荷的控制;同时设置安全阀,对系统压力进行终极保护;卸载通过回液插装阀,实现泄压。工作时,电液换向阀4右端电磁铁带电,压力油经过插装阀2.1从左侧进入左面2个加载缸,右面加载缸腔的油经过插装阀5.2从右侧回油箱;加载行程通过位移传感器11控制,发讯停止后,右端电磁铁断电复位,插装阀将左右2组加载缸油腔封闭,进入保压状态;保压完毕后,插装阀5.1或5.2开启,系统泄压;泄压完成后,电磁换向阀左端电磁铁带电,油液通过插装阀2.2从右侧进入右工作缸,左工作缸在液压支架试验台立柱13的限位作用下实现回程,1个水平加载工作循环结束。1.3侧向加载试验侧向载荷是工作面液压支架之间相互作用产生的横向载荷,作用力一般较小,但对支架产生倾倒力矩,影响支架的横向稳定性。侧向加载工作原理如图3所示。泵站采用叶片泵供液,执行元件采用小缸径活塞缸,布置方式与水平外加载类似,位于试验台左右两侧,2个为1组;采用开环控制方式,通过2组电液换向阀1控制2组4个侧向加载液压缸3的加载动作,节流单向阀2控制加载速度,并辅以位置传感器(行程开关)5和压力继电器4对液压缸的极限位置和工作压力进行保护。1.4水泵及泵站液压控制原理泵站是整个液压系统的动力核心,主要由比例变量泵站和双联叶片泵站及辅助液压阀构成。垂直和水平外加载试验系统的执行元件数量多、功率大且速度要求控制精确、动作要求同步,因此选用A4VSO125EO2比例变量柱塞泵供液,以实现额定工作压力下流量的精确控制;侧向外加载系统压力低、功率小,对精度和同步要求不高,故选用叶片泵供液。泵站液压控制原理如图4所示,通过电液换向阀调节变量柱塞泵斜盘倾角进行排量的无级调节,实现系统流量在额定工作压力下的无级调速,系统压力通过先导式电磁溢流阀5.1进行调节,系统最高工作压力为25MPa;叶片泵选用双联结构形式,由2个不同流量的泵组成,大流量泵为侧向外加载系统供液,小流量泵与比例变量柱塞泵的电液换向机构连接,进行斜盘倾角的调节。2外加载试验系统垂直外加载、水平外加载和侧向外加载试验系统的布置方式对液压支架试验台的结构型式和外形尺寸有着重要影响。3个外加载系统分别布置在试验台x、y、z轴上,施加的载荷在空间上为正交力系,且各自独立控制,实现被试支架三维复合加载。垂直外加载系统载荷方向沿试验台的z轴,布置方式可以采用上置式或下置式,上置式即将外加载试验系统布置在支架试验平台的上方,外载力作用于支架的顶梁;下置式即将外加载试验系统布置在支架试验平台的下方,外载力作用于支架的底座。2种方式有各自的优缺点。下置式可将垂直加载液压缸内置于试验台底座中,外载力向上作用于垂直加载平台,实现对被试液压支架垂直外加载,该方式将增加底座的结构高度,由于底座置于地平面以下,虽然增加了基础的深度,但也减小了试验台地面之上的高度;同时垂直外加载液压缸可采用结构形式更为简单的单作用柱塞缸,通过垂直加载平台的自重实现回程。上置式也可将垂直加载液压缸内置于试验台上加载活动平台中,外载力向下作用于活动平台,实现对被试液压支架垂直外加载。该方式将增加上平台的结构高度,使得试验台地面之上的高度增加,而且垂直外加载液压缸不能选用单作用柱塞缸,只能采用双作用活塞缸,对于大缸径、重载液压缸,增加了结构复杂性和经济成本。水平外加载系统载荷方向沿试验台的y轴,布置于试验台水平加载平台左右两侧,4个柱塞式水平外加载缸2个1组分别作用于试验台立柱左右两侧,通过反作用力使水平加载平台向左右运动,实现对被试液压支架水平外加载。侧向外加载系统载荷方向沿试验台的x轴,布置于活动平台左右两侧,由4个活塞式侧向外加载缸(左右各2个)实现对被试液压支架侧向外加载。3外加载液压缸主动加载试验该外加载试验技术已成功应用于煤科院支护中心液压支架试验台,样机如图5所示。垂直外加载系统基本保持恒速外载输出,通过液压缸同步技术,实现了垂直加载液压缸同步偏差小于3mm。按照标准要求,对某强力液压支架进行了外加载寿命试验和让缩性能试验:试验高度分别为支架调高范围的高、中、低3处,在额定工作压力42.8MPa下进行下沉试验,下沉量大于100mm,下沉速度小于100mm/min高位让压性能试验曲线如图6所示。由图6可以看出,通过垂直外加载液压缸的主动加载,在41.0MPa时,安全阀逐渐开启,在42.8MPa时,安全阀完全开启稳定溢流,支架开始让缩下沉,下沉量100mm历时约192s,满足了GB25974.1关于被试支架让缩性能试验的要求。垂直外加载液压缸主动加载时,引起立柱下腔压力发生变化,立柱下腔压力变化如图7所示。由图7可以看出,被试液压支架从额定初撑力31.5MPa达到额定工作阻力42.8MPa,历时约45s,此时安全阀稳定溢流,支架开始让缩保护。通过试验可知,垂直外加载试验技术实现了液压支架的外加载寿命试验和让缩性能试验,满足标准要求,模拟了顶板下沉来压的使用工况。4局部外加载技术(1)在液压执行元件上,采用大缸径、重载荷柱塞液压缸技术,实现了单缸千吨以上载荷输出;(2)