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，要求對液壓支架立柱進(jìn)行動載過載試驗(yàn)，模擬頂板突然來壓的實(shí)際工況[1]。沖擊地壓對立柱產(chǎn)品的快速、瞬間動載過載的實(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，底腔壓力在短時間內(nèi)快速上升，利用自身啟動功能，高壓液推動沖擊缸活塞，活塞桿瞬間彈出對被試立柱形成沖擊。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)計計算

2.1 沖擊缸參數(shù)計算

設(shè)定沖擊缸壓力達(dá)到25 MPa時，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]。

針對雙伸縮立柱，當(dāng)直徑630 mm雙伸縮立柱的一級缸伸出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，其二級缸直徑445 mm、伸出行程1.5 m，壓力由48 MPa升至120 MPa時，一級缸壓縮行程量ΔL1=28 mm，二級缸壓縮行程量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)計算

2.2.1 蓄能器釋放的液體量

針對不同立柱結(jié)構(gòu)形式，計算蓄能器對沖擊缸的補(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)下雙伸縮立柱一級缸初撐力為P10，二級缸初撐力為P20，一級缸額定工作阻力為P1n，一級缸行程為S1；二級缸額定工作阻力為P2n，二級缸行程為S2。一、二級缸補(bǔ)液量計算如下：

(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180 L蓄能器。

2.2.4 蓄能器流量及內(nèi)徑計算

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，計算得蓄能器過液出口直徑Do=230 mm。

2.3 立柱沖擊力學(xué)動態(tài)性能計算

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)動速度；t為時間；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 沖擊缸啟動密封計算

當(dāng)蓄能器開關(guān)閥打開但沖擊未啟動時，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，沖擊啟動是可控的。

2.5 沖擊結(jié)構(gòu)設(shè)計

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-動載沖擊系統(tǒng)； 7-移動座； 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，會對懸臂狀態(tài)的活塞桿造成巨大的動量沖擊和損壞，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，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)計計算蓄能器、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載過載試驗(yàn)系統(tǒng)。