楊建新

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 北京 100013；2.國(guó)家煤礦支護(hù)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心， 北京 100013)

0 引言

液壓支架千斤頂是液壓支架及其各部位動(dòng)作承載的關(guān)鍵零部件，在液壓支架使用過(guò)程中，起到調(diào)節(jié)頂梁和掩護(hù)梁角度和頂梁合力支撐點(diǎn)的位置，調(diào)整頂梁與頂板的接觸狀態(tài)，使支架處于合理的工作狀態(tài)等作用,其性能好壞直接影響液壓支架的質(zhì)量及性能。隨著綜采技術(shù)和液壓支架技術(shù)的快速發(fā)展，千斤頂技術(shù)的不斷提升，目前最大的千斤頂缸徑300 mm，行程1 000 mm。隨著GB 25974.2—2010、EN 1804.2的實(shí)施，新增了全行程壓縮讓壓、拉伸讓壓、外伸限位等檢驗(yàn)項(xiàng)目，且耐久試驗(yàn)次數(shù)增加了5倍，加載方式更加多元化，對(duì)檢測(cè)方法、檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求。

國(guó)家煤礦支護(hù)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心原有液壓支架千斤頂檢測(cè)裝備的試驗(yàn)?zāi)芰H為2 000 kN，一次連續(xù)加載行程400 mm，加載速度不可控，不具備拉伸功能，其原檢測(cè)裝備在試驗(yàn)?zāi)芰?、功能完備性、加載速度、檢測(cè)技術(shù)等方面不能滿足GB 25974.2—2010、EN 1804.2的要求，制約了液壓支架及千斤頂技術(shù)的進(jìn)步[1-2]。

研發(fā)過(guò)程中采用Solidworks軟件進(jìn)行虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)，應(yīng)用有限元軟件分析計(jì)算試驗(yàn)裝備框架的應(yīng)力應(yīng)變，確定關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。同時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)要求，研究測(cè)試技術(shù)與方法，開發(fā)了液壓系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)，不僅滿足了各制造商對(duì)產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)、試驗(yàn)研究的需求，而且為國(guó)、內(nèi)外液壓支架千斤頂產(chǎn)品的質(zhì)量把關(guān)提供了重要的技術(shù)保障，促進(jìn)了液壓支架千斤頂技術(shù)的進(jìn)步。

1 檢測(cè)裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓支架千斤頂檢驗(yàn)裝備的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)及技術(shù)水平應(yīng)與國(guó)、內(nèi)外千斤頂?shù)募夹g(shù)發(fā)展水平相適應(yīng)，并考慮在未來(lái)一定時(shí)間內(nèi)滿足技術(shù)發(fā)展的要求，經(jīng)濟(jì)適用并適度超前。依據(jù)GB 25974.2—2010、EN 1804.2要求及上述原則進(jìn)行研究，應(yīng)滿足缸徑300 mm、壓力42 MPa、行程1 500 mm的試驗(yàn)要求。加載油缸采用單伸縮、雙作用、活塞式的設(shè)計(jì),滿足對(duì)壓縮、拉伸功能的需求。主體構(gòu)件采用箱體結(jié)構(gòu)方式，前后主梁與底座、支撐座通過(guò)銷軸連接，支撐小車用于支撐被試件，在導(dǎo)軌上前后滑動(dòng)，活動(dòng)梁通過(guò)馬達(dá)在主梁上前后移動(dòng)，調(diào)整試驗(yàn)空間，加載油缸與強(qiáng)度導(dǎo)向架相連，將兩個(gè)千斤頂首尾通過(guò)壽命導(dǎo)向架進(jìn)行耐久性能試驗(yàn)，若千斤頂是耳軸式結(jié)構(gòu)，則通過(guò)承力座與其進(jìn)行連接?？蚣芙Y(jié)構(gòu)可以承載6 000 kN。試驗(yàn)時(shí)，被試千斤頂兩端分別固定活動(dòng)梁和強(qiáng)度導(dǎo)向架兩端，通過(guò)加載油缸的伸縮完成壓縮和拉伸試驗(yàn)[3-4]。

綜合上述參數(shù)內(nèi)容，對(duì)液壓支架千斤頂檢測(cè)裝備采用三維軟件建模[5]，完成其各部件的模型設(shè)計(jì)。檢測(cè)裝備三維模型如圖1所示。

1-活動(dòng)梁； 2-被試件； 3-靜導(dǎo)向架； 4-承力座； 5-后主梁； 6-強(qiáng)度導(dǎo)向架； 7-底座； 8-加載油缸； 9-前主梁； 10-導(dǎo)軌； 11-支撐小車； 12-連接座； 13-支撐座。

根據(jù)試驗(yàn)要求，在額定載荷、1.1倍額定載荷、1.5倍額定載荷、2倍額定載荷4種工況下，對(duì)整體模型進(jìn)行有限元力學(xué)分析，對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善各部件的整體尺寸，對(duì)應(yīng)力比較大的區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使應(yīng)力分布均勻，減少應(yīng)力集中的情況，得出檢測(cè)裝備的最優(yōu)參數(shù)，該裝備主要參數(shù)如表1所示。

表1 6 000 kN液壓支架千斤頂檢測(cè)裝備主要參數(shù)

2 檢測(cè)裝備液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)的好壞取決于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性、系統(tǒng)元件性能的優(yōu)劣及系統(tǒng)的污染防護(hù)和處理。基于上述原則，對(duì)本裝備液壓系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，主要包括乳化液控制系統(tǒng)、液壓油控制系統(tǒng)。乳化液控制系統(tǒng)為千斤頂提供乳化液介質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)初撐、卸荷動(dòng)作。油液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)加載油缸、插拔銷油缸、小車支撐油缸、活動(dòng)梁等各部件的動(dòng)作，包括泵站控制系統(tǒng)、慢加載控制系統(tǒng)、活動(dòng)梁行走機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)、支撐小車及插拔銷控制系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)。

2.1 泵站控制系統(tǒng)

泵站控制系統(tǒng)主要為加載油缸、插拔銷油缸、小車支撐油缸、活動(dòng)梁等各執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供壓力和流量。泵站控制系統(tǒng)原理如圖2所示。泵源采用高精度比例變量泵，通過(guò)不同的電信號(hào)控制不同流量的輸出，實(shí)現(xiàn)流量在0～105 L/min范圍為無(wú)極可調(diào)。在變量泵出口裝有比例溢流閥，可實(shí)現(xiàn)壓力遠(yuǎn)程調(diào)整控制，最大工作壓力為31.5 MPa。

圖2 泵站控制系統(tǒng)原理

2.2 慢加載控制系統(tǒng)

慢加載控制系統(tǒng)是整個(gè)液壓系統(tǒng)的核心部分，通過(guò)比例伺服閥作用在流量放大裝置大腔上，小腔與加載油缸相連，為加載油缸提供小流量，以滿足(2±1) mm/min 、(10±2) mm/min的壓縮和拉伸載荷要求速度。以設(shè)定加載速度為目標(biāo)，以加載缸位移為反饋值，通過(guò)PXI機(jī)箱內(nèi)的模擬量輸出板卡調(diào)節(jié)比例伺服閥的控制電壓，從而形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加載速度的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。系統(tǒng)主要包括1個(gè)加載油缸、1個(gè)流量放大裝置、1個(gè)伺服閥比例閥、4個(gè)插裝閥、5個(gè)電磁換向閥、1個(gè)位移傳感器等。慢加載控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 慢加載控制系統(tǒng)原理

2.3 活動(dòng)梁行走機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)活動(dòng)梁的抬起、落下及行走定位。電磁換向閥動(dòng)作，高壓油液進(jìn)入支撐缸后，伸出頂起移動(dòng)梁，馬達(dá)開始工作，使移動(dòng)梁沿主梁軌道前后運(yùn)動(dòng)，到達(dá)設(shè)定試驗(yàn)位置后，頂起油缸收回，移動(dòng)座落下。系統(tǒng)原理如圖4所示。

該系統(tǒng)主要由4個(gè)頂起油缸、2個(gè)擺線馬達(dá)、2個(gè)電磁換向閥、2個(gè)液控單向閥、1個(gè)減壓閥等部件組成。

2.4 支撐小車及插拔銷控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要用于安裝時(shí)支撐被試件千斤頂，通過(guò)支撐小車油缸的升降,調(diào)整被試千斤頂中心位置與試驗(yàn)裝備中心在同一水平線上。插拔銷油缸用于當(dāng)試驗(yàn)空間調(diào)整到位后，固定活動(dòng)梁。系統(tǒng)包括2個(gè)支撐小車油缸、2個(gè)插拔銷油缸、4個(gè)電磁換向閥、4個(gè)液控單向閥、8個(gè)單向調(diào)速閥等部件。支撐小車及插拔銷控制系統(tǒng)原理如圖5所示。

(a)

(b)

2.5 乳化液控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

乳化液控制系統(tǒng)原理如圖6所示。啟動(dòng)高壓泵后，通過(guò)調(diào)壓閥調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，控制電磁換向閥可實(shí)現(xiàn)千斤頂?shù)睦熳寜汉蛪嚎s讓壓，將溢流閥1和2壓力調(diào)至31.5 MPa，完成千斤頂推拉耐久壽命試驗(yàn)。該系統(tǒng)高壓泵的額定壓力為50 MPa，流量為110 L/min，補(bǔ)液泵的壓力為10 MPa，流量為15 L/min。

3 檢測(cè)裝備測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6 000 kN液壓支架千斤頂試驗(yàn)裝備測(cè)控系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù)、比例伺服技術(shù)、光纖以太網(wǎng)通信技術(shù)，構(gòu)建了一套遠(yuǎn)程響應(yīng)迅速、數(shù)據(jù)傳輸快、控制精度高的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)裝備的執(zhí)行元件進(jìn)行遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，并實(shí)現(xiàn)與上層信息網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)管理平臺(tái)無(wú)縫連接，使試驗(yàn)室遠(yuǎn)程、跨區(qū)域管理、無(wú)紙化辦公成為現(xiàn)實(shí)。

圖6 乳化液控制系統(tǒng)原理

3.1 硬件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)主要元件包括NI(美國(guó)國(guó)家儀器)生產(chǎn)的PXI機(jī)箱、實(shí)時(shí)嵌入式控制器、PXI總線模擬量采集卡、PXI總線模擬量輸出卡、PXI總線數(shù)字量I/O卡，位移傳感器、高頻響耐沖擊壓力傳感器、溫度傳感器、智能顯示儀表、交換機(jī)、光纖及收發(fā)器、電氣控制柜、啟動(dòng)柜等。測(cè)控系統(tǒng)不僅可實(shí)現(xiàn)高頻響、高精度數(shù)據(jù)采集，誤碼率低，還可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)指令傳輸及控制，運(yùn)行穩(wěn)定性高，使用壽命長(zhǎng)。測(cè)控系統(tǒng)硬件組成如圖7所示。

圖7 測(cè)控系統(tǒng)硬件組成

3.2 軟件設(shè)計(jì)

6 000 kN液壓支架千斤頂試驗(yàn)裝備專用測(cè)控軟件設(shè)計(jì)基于NI開發(fā)的Labview軟件開發(fā)平臺(tái)，采用圖形化編程語(yǔ)言，用戶界面友好，開發(fā)周期短，易編程，方便維護(hù)。

軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)Windows PC作為上位機(jī)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用微軟Access 2013，操作系統(tǒng)采用Windows 7，軟件采用Labview 2015。軟件平臺(tái)構(gòu)架見圖8。

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的理念，強(qiáng)大的軟件模塊化功能可跨平臺(tái)移植，無(wú)需改動(dòng)程序。軟件模塊設(shè)計(jì)見圖9。

操作系統(tǒng)Windows7Labview2015軟件數(shù)據(jù)采集、顯示、查詢、打印模塊超低速慢加載(壓縮和拉伸)系統(tǒng)模塊試驗(yàn)空間自動(dòng)調(diào)整模塊網(wǎng)絡(luò)通信模塊數(shù)據(jù)庫(kù)Access2013標(biāo)準(zhǔn)Windows PC機(jī)

圖8 軟件平臺(tái)構(gòu)架

4 檢測(cè)裝備的關(guān)鍵技術(shù)

千斤頂試驗(yàn)裝備采用超低速慢加載技術(shù)、試驗(yàn)空間自動(dòng)調(diào)整技術(shù)、推拉測(cè)試技術(shù)、試驗(yàn)工裝技術(shù)，解決了液壓支架(支撐)千斤頂拉伸載荷、中心壓縮載荷、壓縮讓壓、拉伸讓壓等性能測(cè)試加載的問(wèn)題[6]。

圖9 軟件模塊設(shè)計(jì)

1) 超低速慢加載壓縮及拉伸技術(shù)。該技術(shù)是整個(gè)試驗(yàn)裝備的核心關(guān)鍵技術(shù)，主要用于解決加載速度不可控、精準(zhǔn)度低的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)(支撐)千斤頂在額定壓力下以(2±1)mm/min、(10±2)mm/min的速度，可分別進(jìn)行20 mm、100 mm的壓縮和拉伸讓壓試驗(yàn)。由圖3可以看出，加載油缸的上、下腔均與流量放大裝置小腔連接，比例伺服裝置作用在流量放大裝置的大腔上，通過(guò)流量放大裝置克服了比例伺服裝置直接流量控制死區(qū)的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了較小流量多比例放大，克服單一油缸不能滿足全流量需求不足，進(jìn)而達(dá)到調(diào)整流量，控制速度的目的，實(shí)現(xiàn)了超低速壓縮和拉伸載荷性能測(cè)試。比例伺服裝置和加載油缸的組合可以滿足快速加載的要求，最大試驗(yàn)速度可達(dá)200 mm/min。

2) 試驗(yàn)空間自動(dòng)調(diào)整技術(shù)。應(yīng)用有級(jí)插銷調(diào)檔和無(wú)級(jí)外加載缸行程調(diào)節(jié)的組合技術(shù)及位移傳感器技術(shù)，將活動(dòng)梁與外加載缸結(jié)合，活動(dòng)梁調(diào)節(jié)完成后(檔距350 mm，共16檔)，再通過(guò)外加載油缸(行程1 500 mm)進(jìn)行試驗(yàn)高度的二次調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)空間的無(wú)級(jí)調(diào)整。

3) 推拉測(cè)試技術(shù)。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，千斤頂耐久壽命的試驗(yàn)方法是在供液壓力和泵站額定額定下，施加額定壓力，全行程往復(fù)運(yùn)動(dòng)10 000次，試驗(yàn)后密封合格。目前千斤頂行程超過(guò)1 200 mm，之前的試驗(yàn)方法用加載油缸直接對(duì)千斤頂外加載，加載油缸密封容易損壞。對(duì)此，通過(guò)延長(zhǎng)試驗(yàn)裝置主體臺(tái)架，使其可以裝入兩個(gè)千斤頂，一個(gè)被試件和一個(gè)陪試件，使兩個(gè)千斤頂直接相互作用完成推拉耐久壽命10 000次，徹底解決主加載缸的壽命短、已損壞問(wèn)題，其原理詳見圖6。

4) 試驗(yàn)工裝技術(shù)。針對(duì)耳軸式、底座式、缸筒式等不同結(jié)構(gòu)形式的千斤頂，遵循實(shí)用性原則，設(shè)計(jì)研發(fā)了連接試驗(yàn)工裝，比如千斤頂為耳軸式，則可用承力座進(jìn)行連接,利用銷軸固定承力座在主梁上。耳軸式的千斤頂通過(guò)設(shè)計(jì)的8孔連接工裝相連，即更換較少的工裝，可實(shí)現(xiàn)不同的連接方式、不同的缸徑和不同長(zhǎng)度的千斤頂安裝連接。

5 檢測(cè)裝備測(cè)試結(jié)果分析驗(yàn)證

為驗(yàn)證系統(tǒng)的超低速慢加載試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)，在千斤頂檢測(cè)裝備上進(jìn)行了型式檢驗(yàn)，選取的被試支撐千斤頂規(guī)格為φ280/φ185 mm，額定工作壓力為38 MPa。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加載油缸在運(yùn)動(dòng)的初始階段出現(xiàn)了爬行、抖動(dòng)現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)速度波動(dòng)比較明顯，造成這種現(xiàn)象主要有兩個(gè)原因：一是加載油缸的密封克服摩擦阻力造成的；另一原因是比例閥在高速頻繁的通、斷過(guò)程中響應(yīng)較慢。在120 s以后，外加載油缸速度趨于穩(wěn)定，整個(gè)加載過(guò)程速度控制在(2±1) mm/min以內(nèi)，滿足EN 1804.2、GB 25974.2—2010中壓縮、拉伸讓壓和下沉性能試驗(yàn)加載速度要求。圖10為慢加載速度曲線。

圖10 加載速度曲線

6 結(jié)論

1) 6 000 kN液壓支架千斤頂檢測(cè)裝備可對(duì)缸徑300 mm，壓力42 MPa，行程1 500 mm及以下(支撐)千斤頂按照GB 25974.2—2010、EN 1804.2進(jìn)行全項(xiàng)目型式檢驗(yàn)。

2) 采用比例伺服電液控制技術(shù)和流量放大技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)2～10 mm/min的慢速加載功能。

3) 該裝備既可進(jìn)行單根千斤頂測(cè)試，又可實(shí)現(xiàn)兩根千斤頂同時(shí)推拉試驗(yàn)。

4) 開發(fā)了既可以實(shí)現(xiàn)多種千斤頂連接,又可以承受相應(yīng)拉壓力的連接工裝。

5) 該檢測(cè)裝置可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)空間無(wú)極調(diào)整，滿足各種千斤頂試驗(yàn)要求。