趙銳

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 檢測分院， 北京 100013；2.國家煤礦支護設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心， 北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室， 北京 100013)

0 引言

近年來，隨著我國煤炭行業(yè)整合發(fā)展，一大批產(chǎn)能突破百萬噸級的現(xiàn)代化綜采工作面相繼出現(xiàn)[1-3]。隨著綜采工作面產(chǎn)能快速提升，其對液壓支架的需求量也快速攀升。液壓支架作為礦用產(chǎn)品安全標(biāo)志管理目錄產(chǎn)品，需通過國家授權(quán)的第三方專業(yè)機構(gòu)檢測檢驗合格，并獲得安全標(biāo)志證書方可下井使用[4-5]。因此，每年有大量液壓支架需要檢驗。根據(jù)GB 25974.1—2010《煤礦用液壓支架 第1部分：通用技術(shù)條件》要求，A類液壓支架僅主體結(jié)構(gòu)件的耐久性試驗次數(shù)已達到31 000次[6-9]。此外，還有非主體結(jié)構(gòu)件的耐久性試驗、各部件的強度試驗等，需要耗費大量時間，常常造成檢驗任務(wù)積壓。

目前，國內(nèi)液壓支架進出試驗臺主要通過液壓支架自帶的推移千斤頂實現(xiàn)，配合使用試驗臺底座的T型槽板、銷軸及插板。這種進出架方式不但效率低，且存在插板飛出傷人的安全隱患。國內(nèi)部分液壓支架生產(chǎn)企業(yè)在試驗臺底座上布置一塊鋼板，在試驗臺底座兩側(cè)設(shè)置超長行程千斤頂與鋼板相連。進架時，通過千斤頂伸出將鋼板推出試驗臺，用行車將被試液壓支架吊裝到鋼板上，再收縮千斤頂將鋼板連同被試液壓支架一起拉進試驗臺。這種方式雖提高了液壓支架進入試驗臺的效率，但被試液壓支架下面的鋼板必須跟隨液壓支架進行各項試驗，在強大的試驗加載力作用下，鋼板常常變形導(dǎo)致進出時別卡，甚至損壞兩側(cè)的超長行程千斤頂，維修成本非常高。國外對液壓支架進出試驗臺的設(shè)計研究較少，美國和波蘭部分實驗室的液壓支架進出架方式與我國傳統(tǒng)進出架方式大致相同[10-12]。

為了提高液壓支架進出試驗臺的工作效率和安全性，本文設(shè)計了一種液壓支架試驗臺自動進出架裝置。通過電動機驅(qū)動進出架小車，將被試液壓支架運送到試驗臺內(nèi)部；配合安裝在試驗臺底座內(nèi)部的舉升油缸、楔形移動塊及16根頂桿，將被試液壓支架頂起，小車自由退回；將被試液壓支架放下，進行各項加載試驗。該裝置避免了進出架小車不必要的受力加載，實現(xiàn)液壓支架進出試驗臺的自動化。

1 裝置總體設(shè)計

1.1 液壓支架進出架小車、軌道及車庫設(shè)計

液壓支架進出架小車、軌道及車庫設(shè)置于液壓支架試驗臺進架入口的正前方。進出架小車采用U型箱式結(jié)構(gòu)，以電動機及減速器為驅(qū)動，可以在軌道上往返運行。車庫采用沉坑式設(shè)計，在沉坑四角分別設(shè)置1根托起千斤頂，并分別配置比例流量閥，以控制油缸與小車升降平臺伸出及收回的同步性。具體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，三維設(shè)計如圖2所示。

1-試驗臺底座； 2-沉坑； 3-托起千斤頂； 4-托起平臺；5-軌道； 6-U型進出架小車。

圖2 進出架小車、軌道及車庫三維設(shè)計Fig.2 3D design of in and out trolley, track and garage

1.2 液壓支架舉升裝置設(shè)計

為了使進出架小車將液壓支架運送到指定位置后能自由退回，避免強力加載試驗過程中與被試液壓支架同時受力而損壞，需將被試液壓支架與進出架小車進行分離。但試驗臺底座內(nèi)部空間有限，且底座下方設(shè)計了可以上下運行的垂直外加載平臺，所以無法在試驗臺底座內(nèi)部垂直安裝舉升油缸。

為解決上述難題，本文設(shè)計了一種水平放置的舉升油缸。舉升油缸安裝在試驗臺底座內(nèi)部，通過其推動專門設(shè)計的楔形水平移動塊，帶動楔形垂直移動塊在底座內(nèi)部沿軌道上下垂直運動。在楔形垂直移動塊上按照進出架小車U型內(nèi)部空間尺寸布置16根頂桿，垂直穿過試驗臺底座預(yù)留的小孔，進入試驗臺上的被試液壓支架，使其與進出架小車脫離，達到使進出架小車自由退出試驗臺的目的。舉升裝置三維設(shè)計如圖3所示，進出架小車在試驗臺內(nèi)部位置如圖4所示。

1-試驗臺底座； 2-楔形垂直移動塊； 3-試驗臺底座上平面；

圖4 進出架小車在試驗臺內(nèi)部位置Fig.4 Internal position of in and out trolley in the test bench

1.3 液壓支架自動進出試驗臺過程

1.3.1 自動進架過程

首先，啟動進出架小車車庫內(nèi)托起千斤頂，平穩(wěn)升起進出架小車，使小車滾輪與軌道對齊，鎖止托起千斤頂，啟動小車行走電動機驅(qū)動小車至試驗臺進口邊緣處停止；然后，用行車將被試液壓支架吊裝到小車上，再次啟動小車行走電動機，繼續(xù)沿軌道將小車連同被試液壓支架運送到試驗臺內(nèi)指定位置；接著，啟動舉升油缸，推動楔形水平移動塊帶動楔形垂直移動塊上的16根頂桿伸出，平穩(wěn)舉起被試液壓支架后，啟動小車電動機反轉(zhuǎn)，使小車退回并復(fù)位；最后，操作舉升油缸收縮，將被試液壓支架放下，進入待試狀態(tài)，完成液壓支架自動進架過程。具體流程如圖5所示。

1.3.2 自動出架過程

當(dāng)被試支架完成全部測試后，需要執(zhí)行退出試驗臺操作。出架過程與進架過程相反，首先，啟動舉升油缸，推動楔形垂直移動塊連同16根頂桿伸出，舉升被試液壓支架到超過小車上平面的高度后，鎖止舉升油缸；然后，啟動小車車庫的托起千斤頂，使小車滾輪與軌道對齊；再啟動行走電動機，將小車運行到被試液壓支架正下方，收縮舉升油缸，放下液壓支架，使其落到小車上；啟動小車行走電動機反轉(zhuǎn)，將液壓支架運出試驗臺，再用行車將被試液壓支架轉(zhuǎn)運到樣品區(qū)；最后，小車復(fù)位，完成一次自動出架過程。具體流程如圖6所示。

圖5 支架自動進架流程Fig.5 Automatic entering process of hydraulic support

圖6 支架自動出架流程Fig.6 Automatic exiting process of hydraulic support

2 舉升裝置舉升力分析與計算

目前，市場上工作阻力最大、支撐高度最高及自身質(zhì)量最大的液壓支架是ZY26000/40/88D型掩護式液壓支架。該支架工作阻力達到26 000 kN，立柱缸徑為600 mm，最大支撐高度為8.8 m，支架質(zhì)量達99.5 t，采用電液控制操作方式。采用液壓支架試驗臺自動進出架裝置對該支架進行進出架測試?？紤]液壓支架技術(shù)的進一步發(fā)展需要，將舉升裝置額定載荷設(shè)計為120 t。

試驗臺底座內(nèi)置舉升油缸推動楔形水平移動塊，使試驗臺底座內(nèi)的楔形垂直移動塊向上移動，并帶動16根頂桿伸出，舉起被試液壓支架，其具體受力分析如圖7所示。

圖7 液壓支架舉升力分析Fig.7 Lifting force analysis of hydraulic support

因為楔形塊的接觸面為強制潤滑的光滑接觸面，計算時忽略其摩擦力及楔形移動塊的質(zhì)量[13-14]，得到向上的舉升力為

(1)

式中：Fj為液壓支架舉升力，kN；F0為舉升油缸加載力，kN；α為楔形塊接觸面與水平方向的夾角，(°)；D為舉升油缸缸徑，mm；P為舉升油缸壓力，MPa。

舉升油缸缸徑D設(shè)計值為320 mm，計算可知，系統(tǒng)壓力達到21.2 MPa時，即可滿足舉升力1 200 kN(120 t)的設(shè)計要求。液壓系統(tǒng)額定壓力一般為31.5 MPa，完全滿足使用需求。

3 應(yīng)用分析

液壓支架試驗臺自動進出架裝置已成功應(yīng)用于國家煤礦支護設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心30 000 kN強力液壓支架試驗臺上，已完成150余次液壓支架進出測試。將被試液壓支架吊裝到進出架小車上后，通過操作按鈕即可完成液壓支架自動進出，大大降低了工人的勞動強度，徹底消除了插板飛出傷人的安全隱患。實際應(yīng)用現(xiàn)場如圖8所示。

4 結(jié)論

(1) 液壓支架試驗臺自動進出架裝置通過舉升油缸、楔形移動塊及16根頂桿設(shè)計，成功舉起被試液壓支架，使小車可自由返回，避免了不必要的受力加載，大大提升了進出架小車的使用壽命及安全性。

(2) 通過ZY26000/40/88D型液壓支架進行進出架測試，計算結(jié)果表明，該自動進出架裝置額定載荷超過120 t，滿足目前及未來10 a液壓支架自動進出試驗臺的需求。

(a) 小車帶動支架進入

(b) 支架被舉起，小車退回

(3) 實際應(yīng)用表明，該裝置成功實現(xiàn)了進出架自動化，大大節(jié)約了液壓支架進出試驗臺的時間，提高了檢測效率，降低了人工勞動強度，同時消除了插板飛出傷人的安全隱患。