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      大缸徑液壓支架立柱動(dòng)載過載試驗(yàn)系統(tǒng)研究

      2020-08-28 08:21:52楊陽趙銳
      煤礦機(jī)電 2020年4期
      關(guān)鍵詞:蓄能器立柱液體

      楊陽,趙銳

      (1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司, 北京 100013;2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100013;3.國家煤礦支護(hù)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 北京 100013;4.煤礦采掘機(jī)械裝備國家工程實(shí)驗(yàn)室, 北京 100013;5.煤炭資源開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100013)

      0 引言

      隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展,綜采技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。立柱作為液壓支架的主要部件,決定著支架的承載強(qiáng)度和高度。隨著新國標(biāo)GB 25974.2—2010《煤礦用液壓支架第2部分:千斤頂和立柱技術(shù)條件》的實(shí)施,要求對(duì)液壓支架立柱進(jìn)行動(dòng)載過載試驗(yàn),模擬頂板突然來壓的實(shí)際工況[1]。沖擊地壓對(duì)立柱產(chǎn)品的快速、瞬間動(dòng)載過載的實(shí)際工況,主要是考核立柱產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性、功能的穩(wěn)定性。GB 25974.2—2010立柱動(dòng)載過載性能要求:將立柱或千斤頂外伸至全行程的(75±5)%,用0.6倍額定工作壓力撐緊,并閉鎖壓力腔,軸向沖擊2次,使得壓力腔內(nèi)壓力在30 ms內(nèi)達(dá)到(1.5倍±5%)工作阻力。

      1 系統(tǒng)工作原理

      本試驗(yàn)系統(tǒng)采用蓄能器組件及組合沖擊缸,將蓄能器作為沖擊加載的能量源[2-3],通過固定架和沖擊缸固定在一起。蓄能器組通過管路和大流量開關(guān)閥連接在被試立柱下部。開啟開關(guān)閥后,蓄能器內(nèi)的高壓液通過大流量開關(guān)閥開啟快速加載到?jīng)_擊缸底腔,底腔壓力在短時(shí)間內(nèi)快速上升,利用自身啟動(dòng)功能,高壓液推動(dòng)沖擊缸活塞,活塞桿瞬間彈出對(duì)被試立柱形成沖擊。采用蓄能器供液避免了大流量泵在非快進(jìn)工況下的能量損失,提高了能量利用效率[4]。圖1為試驗(yàn)系統(tǒng)液壓原理圖。

      1-卸荷安全閥;2-兩位四通換向閥;3-蓄能器組件;4-沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)固定架;5-壓力傳感器;6-單向閥;7-壓力表;8-兩位兩通換向閥;9-兩位四通Y型電液換向閥組;10-單向閥;11-被試立柱;12-沖擊缸。圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)液壓原理圖

      建立立柱動(dòng)載過載試驗(yàn)沖擊系統(tǒng),使得立柱腔內(nèi)的液壓沖擊力在30 ms內(nèi)達(dá)到立柱工作阻力1.5倍左右。試驗(yàn)方法滿足GB 25974.2—2010立柱動(dòng)載過載性能要求,可以滿足被試立柱最大高度6 m,最大壓力60 MPa。

      2 系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

      2.1 沖擊缸參數(shù)計(jì)算

      設(shè)定沖擊缸壓力達(dá)到25 MPa時(shí),直徑630 mm的立柱壓力達(dá)到額定壓力40 MPa的1.5倍,即60 MPa。因此,考慮摩擦等影響,取沖擊缸有效直徑D=970 mm,計(jì)算如下:

      (1)

      立柱工作介質(zhì)乳化液的壓縮系數(shù)β=(4.7~5.0)×10-10m2/N,取5.0×10-10m2/N。

      容積壓縮ΔV=ΔP×V×β=ΔP×A×L×β,L為液柱長度。

      立柱的壓縮行程量ΔL=ΔV/A=ΔP×L×β。

      根據(jù)以上公式可以看出,立柱的壓縮行程僅與立柱前后壓差、液柱長度有關(guān),與立柱缸徑無關(guān),即沖擊缸的行程伸出量與被試缸徑無關(guān)。若液柱長度相同,則對(duì)于不同缸徑立柱,沖擊缸的行程伸出量相同,即需要蓄能器的數(shù)量、流量相同[5-7]。

      針對(duì)雙伸縮立柱,當(dāng)直徑630 mm雙伸縮立柱的一級(jí)缸伸出75%行程后有效行程為1.5 m、被試壓力由額定工作壓力的60%(即24 MPa)在30 ms內(nèi)升至60 MPa,其二級(jí)缸直徑445 mm、伸出行程1.5 m,壓力由48 MPa升至120 MPa時(shí),一級(jí)缸壓縮行程量ΔL1=28 mm,二級(jí)缸壓縮行程量ΔL2=56 mm,總壓縮量ΔL=84 mm。

      因此,綜合考慮慣性、諧振、缸體突然爆裂等特殊情況,應(yīng)預(yù)留緩沖距離,沖擊缸行程取300 mm。

      2.2 蓄能器參數(shù)計(jì)算

      2.2.1 蓄能器釋放的液體量

      針對(duì)不同立柱結(jié)構(gòu)形式,計(jì)算蓄能器對(duì)沖擊缸的補(bǔ)液量,即蓄能器釋放的液體量[8-10]。

      根據(jù)GB 25974.2—2010的要求,被試件的外伸出至全長的(75±5)%,初撐力為0.6倍的工作阻力。假設(shè):立柱沖擊缸缸徑Dc及其補(bǔ)液Va,液體壓縮系數(shù)β=5×10-10m2/N。

      初撐狀態(tài)下單伸縮立柱行程為S,額定工作阻力為Pn,初撐力為P0,沖擊缸缸徑Dc及其補(bǔ)液Va,缸內(nèi)液體總?cè)莘e為V0,受到?jīng)_擊被壓縮的體積為Vr,被壓縮行程ΔS,沖擊過程中最大壓力差ΔP,立柱缸徑Dp,最大伸出量0.75S。

      在沖擊過程中忽略液體振蕩,立柱缸內(nèi)液體僅受到一次沖擊。則由液體壓縮公式得:

      Vr=ΔPV0β=(1.5Pn-P0)V0β

      (2)

      液體壓縮行程:

      0.75Sβ(1.5Pn-P0)

      (3)

      (4)

      初撐狀態(tài)下雙伸縮立柱一級(jí)缸初撐力為P10,二級(jí)缸初撐力為P20,一級(jí)缸額定工作阻力為P1n,一級(jí)缸行程為S1;二級(jí)缸額定工作阻力為P2n,二級(jí)缸行程為S2。一、二級(jí)缸補(bǔ)液量計(jì)算如下:

      (5)

      (6)

      雙伸縮立柱沖擊試驗(yàn)蓄能器的總補(bǔ)液量:

      (7)

      2.2.2 蓄能器30 ms內(nèi)的釋放量計(jì)算

      采用活塞式可提高使用壽命和使用壓力。沖擊試驗(yàn)立柱最大參數(shù):行程L=6 000 mm、工作阻力Pn=50 MPa、初撐力P0=0.6Pn,沖擊最大壓力差ΔP=1.5Pn-P0=0.9Pn=45 MPa,沖擊缸缸徑975 mm。根據(jù)雙伸縮立柱沖擊試驗(yàn)蓄能器的總補(bǔ)液量計(jì)算公式,可得所需蓄能器最大釋放容量:

      (8)

      2.2.3 蓄能器容積及數(shù)量

      蓄能器總?cè)莘eVh:

      Vh=Va/[(Ph0/Pmin)0.714-(Ph0/Pmax)0.714]

      (9)

      Ph0=22 MPa為充氣壓力,Pmax=28 MPa為蓄能器最大壓力,Pmin=25 MPa為蓄能器最小壓力,Vh=1 056 L。因此,需選擇6個(gè)180 L蓄能器。

      2.2.4 蓄能器流量及內(nèi)徑計(jì)算

      在0.03 s內(nèi)達(dá)到75 L流量,則蓄能器排放流量Q=75/0.03=2 500 L/s,單個(gè)蓄能器排放流量Qh=417 L。若液體流速v=10 m/s,因Qh=So·v,則蓄能器出口面積So=Qh/v=0.041 7 m2,計(jì)算得蓄能器過液出口直徑Do=230 mm。

      2.3 立柱沖擊力學(xué)動(dòng)態(tài)性能計(jì)算

      假定高壓液是不可壓縮的,蓄能器中氣體的狀態(tài)變化按等溫過程進(jìn)行,遵守理想氣體等溫過程的狀態(tài)方程。即P·v=G=常數(shù),其中P為氣體的絕對(duì)壓力,v為氣體的容積。作用于活塞上各力平衡,得:

      (10)

      式中:m為活塞和滑塊的質(zhì)量;v為活塞運(yùn)動(dòng)速度;t為時(shí)間;f為黏性阻尼系數(shù);k為彈簧剛度;x為活塞位移;F為外負(fù)載;P為蓄能器中的油壓,并假定等于蓄能器中氣體的壓力;ΔPL為液流通過管道和閥的阻力損失;A為活塞作用面積。

      2.4 沖擊缸啟動(dòng)密封計(jì)算

      當(dāng)蓄能器開關(guān)閥打開但沖擊未啟動(dòng)時(shí),高壓液體將作用于密封圈外的環(huán)形面積上。若蓄能器充液壓力Pmax=28 MPa,立柱初撐力為20 MPa,柱徑為180 mm,則:

      因此,沖擊啟動(dòng)是可控的。

      2.5 沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      因?yàn)樵摏_擊試驗(yàn)是在立柱常規(guī)試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行,其加載系統(tǒng)、受力框架均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,且常規(guī)試驗(yàn)的壓力已經(jīng)達(dá)到其額定工作壓力的2.0倍,即主受力框架的強(qiáng)度可以足夠承受沖擊試驗(yàn)的1.5倍壓力。沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)主框架如圖2所示。

      1-主加載缸; 2-主承載座; 3-主梁; 4-導(dǎo)向座; 5-保護(hù)裝置; 6-動(dòng)載沖擊系統(tǒng); 7-移動(dòng)座; 8-尾座; 9-支撐小車。

      因?yàn)榘凑? 500 L/min的速度將乳化液高速噴出,會(huì)對(duì)懸臂狀態(tài)的活塞桿造成巨大的動(dòng)量沖擊和損壞,所以需將沖擊缸分為兩部分,前端部分為沖擊部分,后端起保護(hù)及啟動(dòng)沖擊缸功能,如圖3所示。

      圖3 沖擊缸結(jié)構(gòu)示意圖

      3 結(jié)論

      本試驗(yàn)系統(tǒng)采用蓄能器及沖擊缸,將高壓液儲(chǔ)存在蓄能器中,通過蓄能器快速釋放高壓液到?jīng)_擊缸內(nèi)腔,沖擊缸再作用到被測立柱上,使立柱內(nèi)腔壓力快速升高,模擬頂板突然來壓時(shí),立柱內(nèi)腔壓力快速升高、安全閥快速開啟并溢流的情況下的壓力及流量特性。通過設(shè)計(jì)計(jì)算蓄能器、沖擊缸等核心部件參數(shù),可以滿足新國標(biāo)要求的試驗(yàn)系統(tǒng)在30 ms內(nèi)達(dá)到動(dòng)載過載試驗(yàn)的流量及壓力要求,最終研制出滿足新國標(biāo)要求的液壓支架立柱動(dòng)載過載試驗(yàn)系統(tǒng)。

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