CN109459223A - 一种液压支架模型试验的加载装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液压支架模型试验的加载装置及试验方法，所述的加载装置用于液压支架模型的加载试验，包括底座、框架、安装于框架上的垂直加载机构、水平加载机构以及倾翻机构；所述的底座两端安装有支撑架，框架通过旋转轴安装在支撑架上，垂直加载机构包括安装在框架顶端的多个液压缸及其底部连接的垂直加载板，水平加载机构包括安装在框架下部的一个水平加载液压缸，倾翻机构包括安装在底座及框架之间的多个倾翻液压缸。根据相似理论，通过对液压支架模型的试验，可将试验所测得的位移、应力和应变等信息推广到液压支架原型上，这对液压支架原型顺利通过强度试验以及更快更好地设计出合格的液压支架意义重大。

Description

一种液压支架模型试验的加载装置及试验方法

技术领域

本发明涉及液压支架模型技术领域，特别涉及一种液压支架模型试验的加载装置及试验方法。

背景技术

液压支架是现代化煤矿进行机械化采煤的重要设备，其强度试验是液压支架设计中的关键一环。根据相似理论，通过对液压支架模型的试验，可将试验所测得的位移、应力和应变等信息推广到液压支架原型上，这对液压支架原型顺利通过强度试验以及更快更好地设计出合格的液压支架意义重大。

通过液压支架模型试验的加载装置和相应的液压控制系统，使用者可以实现对液压支架模型立柱进行增压、对液压支架模型进行垂直加载、对液压支架模型进行水平加载、对液压支架模型进行倾翻加载等功能及其相应的控制以及模拟液压支架实体在井下的实际受载工况。同时，也可以按照国家标准MT312-2000《液压支架通用技术条件》对液压支架模型进行强度试验。

发明内容

为了解决背景技术中所述问题，本发明提供一种液压支架模型试验的加载装置及试验方法，根据相似理论，通过对液压支架模型的试验，可将试验所测得的位移、应力和应变等信息推广到液压支架原型上，这对液压支架原型顺利通过强度试验以及更快更好地设计出合格的液压支架意义重大。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种液压支架模型试验的加载装置，所述的加载装置用于液压支架模型的加载试验，包括底座、框架、安装于框架上的垂直加载机构、水平加载机构以及倾翻机构；所述的底座两端安装有支撑架，框架通过旋转轴安装在支撑架上，垂直加载机构包括安装在框架顶端的多个液压缸及其底部连接的垂直加载板，水平加载机构包括安装在框架下部的一个水平加载液压缸，倾翻机构包括安装在底座及框架之间的多个倾翻液压缸。

在所述的加载装置的框架下部放置液压支架模型，所述的液压支架模型为按液压支架原型的一定比例缩小并进行机构简化制成的，所述的比例值是由液压支架的最小钢板厚度与液压支架模型的最小钢板厚度的比值确定的几何相似倍数。

一种液压支架模型试验的加载装置的试验方法，包括如下步骤：

步骤一、在液压支架模型上选取测点，通过在各测点上贴直角应变花来进行布片，分别测取0°、45°以及90°这三个方向上的应变即ε_0°、ε_45°以及ε_90°；

步骤二、操作液压支架模型加载试验装置的液压控制系统，根据液压支架模型的承载力F对液压支架模型分别从垂直、水平以及倾翻三个方面分别进行加载试验；加载力为液压支架模型的承载力F的n倍，n值取1.1-1.3；

步骤三、采用LabVIEW编程语言进行数据采集；并将采集的数据以图形的形式进行实时地显示；将数据写入文件并保存；

步骤四、为了把所采集到的应变值换算成相应的应力值，采用VC++语言编制液压支架模型试验实测数据的应力计算软件，实现对LabVIEW数据库的访问及应力计算。

所述的步骤一至步骤四中，在进行实际测量前，首先由CS-1A型动态电阻应变仪上的标定装置给出标定信号，然后，再启动液压支架模型试验数据采集与处理系统软件对该标定信号进行数据采集；经过对标定信号的多次数据采集后，将各次得到的数据平均值再次求平均值之后，得到相应标定信号所对应的信号幅值。

所述的步骤三中，和LabVIEW数据采集与处理程序相对应的框图程序即顺序结构程序包含三个子框图，每一个子框图被称为一个Frame，三个子框图为：Frame0、Frame1、Frame2；

在Frame0即创建设备子框图中，CreateDevice函数负责创建PCI设备对象，DeviceID则是设备ID的标识号；

在Frame1即程序主体子框图中，ReadDevBulkAD函数负责批量读取AD设备上的AD数据，然后将数据转换为相应的电压值，并通过显示设备显示在前面板上，同时保存该数据。当按下LabVIEW工具栏中的运行按钮时，则程序开始运行，同时，在前面板上将显示出采集数据的波形图。当按下LabVIEW工具栏中的save按钮时，程序将通过Write ToSpreadsheet File.VI函数将所采集数据的数组转换成二进制文本字符串，并将它写入一个新建文件；

在Frame2即释放设备子框图中，按下LabVIEW工具栏中的停止按钮时，则所有的数据显示和数据保存将被停止，程序运行结束。同时，由ReleaseDevice函数负责释放设备对象所占用的系统资源以及设备对象自身。当双击LabVIEW快捷图标后，则LabVIEW被启动。此时，即可打开液压支架模型试验的数据采集与处理系统软件的应变采集程序和文件读取程序，以实现相应的功能。

所述的步骤四具体为：

分别读取LabVIEW数据库中0°、45°以及90°这三个方向上的应变即ε_0°、ε_45°以及ε_90°。通过公式(1)至公式(6)分别计算出相应的主应变ε₁、主应变ε₂、主应变方向角θ、主应力σ₁、主应力σ₂以及等效应力σ的大小。其中，E为弹性模量，μ为泊松比。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过对液压支架模型的试验，可将试验所测得的位移、应力和应变等信息推广到液压支架原型上，这对液压支架原型顺利通过强度试验以及更快更好地设计出合格的液压支架意义重大；

2、液压支架模型试验方法为液压支架模型试验提供了实用方便的研究手段，对于深入研究液压支架的性能、探索液压支架的损坏机理、液压支架的优化设计、液压支架新方案的论证和新产品的开发、进一步提高液压支架的设计和试验研究水平以及指导液压支架的改进和使用都具有重要的意义。

3、本发明设计了液压支架模型试验的数据采集与处理系统、液压支架模型试验数据采集与处理系统软件以及液压支架模型试验实测数据的应力计算软件。通过液压支架模型试验的数据采集与处理系统及其相关软件，使用者可以实现对液压支架模型进行强度试验所测应变信号的数据采集、实时显示、保存和分析处理等功能。

附图说明

图1为液压支架模型试验的加载装置的结构主视图1；

图2为液压支架模型试验的加载装置的结构主视图2；

图3为液压支架模型试验的加载装置的结构侧视图(含倾翻角度)；

图4为液压支架模型图；

图5为液压支架模型试验的液压控制系统实物简图；

图6为液压支架模型试验实测数据的应力计算软件的程序框图；

图7为液压支架模型在受顶梁中部集中载荷工况下其顶梁上的测点位置图；

图8为创建设备子框图；

图9为程序主体子框图；

图10为释放设备子框图；

图11为应力计算结果界面图。

图中：1-底座 2-支撑架 3-框架 4-垂直加载液压缸 5-垂直加载板 6-水平加载液压缸 7-倾翻液压缸 8-液压支架模型 9-液压支架模型顶梁 10-液压支架模型斜梁 11-液压支架模型后连杆 12-液压支架模型前连杆 13-液压支架模型底座 14-液压支架模型立柱。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

如图1-3所示，一种液压支架模型试验的加载装置，所述的加载装置用于液压支架模型的加载试验，包括底座1、框架3、安装于框架3上的垂直加载机构、水平加载机构以及倾翻机构；所述的底座1两端安装有支撑架2，框架3通过旋转轴安装在支撑架2上，垂直加载机构包括安装在框架3顶端的四个液压缸4及其底部连接的垂直加载板5，水平加载机构包括安装在框架3下部的一个水平加载液压缸6，倾翻机构包括安装在底座1及框架3之间的两个倾翻液压缸7。

所述的加载装置设计参数如下：

(1)加载参数

垂直加载力：784kN

加载装置的垂直行程：400mm

加载装置的工作尺寸(长×宽)：1500×1000mm

纵向或横向水平加载能力：160kN

加载装置倾翻角度范围：0～45度

(2)水平加载液压缸

额定工作压力：16MPa

推力：2×80kN

拉力：2×54.5kN

工作行程：100mm

(3)倾翻液压缸

额定工作压力：16MPa

推力：2×196kN

拉力：2×134.5kN

工作行程：480mm

(4)垂直加载液压缸

额定工作压力：16MPa

推力：4×196kN

拉力：4×134.5kN

工作行程：400mm

如图2所示，在所述的加载装置的框架3下部放置液压支架模型8，如图4所示，所述的液压支架模型8为按液压支架原型的一定比例缩小并进行机构简化制成的，所述的比例值是由液压支架的最小钢板厚度与液压支架模型8的最小钢板厚度的比值确定的几何相似倍数。

正确选择液压支架模型8几何相似倍数的方法通常是以液压支架的最小钢板厚度和液压支架模型的最小钢板厚度来确定。例如，液压支架的最小钢板厚度为20mm，而液压支架模型8的最小钢板厚度为4mm，则此时液压支架模型的几何相似倍数为5，即液压支架的最小钢板厚度除以液压支架模型的最小钢板厚度，即液压支架模型8按液压支架原型1：5的比例缩小。

液压支架模型试验的液压控制系统实物简图如图5所示。在图5中，左侧第一个手柄可用来实现液压支架模型立柱的增压；左侧第二个手柄可用来实现液压支架模型立柱的升降；左侧第三个手柄可用来实现液压支架模型垂直加载上平台的升降；左侧第四个手柄用来实现液压支架模型水平加载；左侧第五个手柄用来实现液压支架模型加载装置的倾翻。左侧第一块压力表可用来显示液压支架模型立柱的压力值；左侧第二块压力表可用来显示液压控制系统的系统压力值；左侧第三块压力表可用来显示液压支架模型垂直加载液压缸的压力值；左侧第四块压力表可用来显示液压支架模型水平加载液压缸的压力值。右侧上部分别为手动电源控制开关和磁力电源控制开关，右侧中部为磁力启动器。

一种液压支架模型试验的加载装置的试验方法，包括如下步骤：

步骤一、在液压支架模型上选取测点，通过在各测点上贴直角应变花来进行布片，分别测取0°、45°以及90°这三个方向上的应变即ε_0°、ε_45°以及ε_90°；

步骤二、操作液压支架模型加载试验装置的液压控制系统，根据液压支架模型的承载力F对液压支架模型分别从垂直、水平以及倾翻三个方面分别进行加载试验；加载力为液压支架模型的承载力F的n倍，n值取1.1-1.3；

步骤三、采用LabVIEW编程语言进行数据采集；并将采集的数据以图形的形式进行实时地显示；将数据写入文件并保存；

步骤四、为了把所采集到的应变值换算成相应的应力值，采用VC++语言编制液压支架模型试验实测数据的应力计算软件，实现对LabVIEW数据库的访问及应力计算。

所述的步骤一至步骤四中，在进行实际测量前，首先由CS-1A型动态电阻应变仪上的标定装置给出标定信号，然后，再启动液压支架模型试验数据采集与处理系统软件对该标定信号进行数据采集；经过对标定信号的多次数据采集后，将各次得到的数据平均值再次求平均值之后，得到相应标定信号所对应的信号幅值。

所述的步骤二的垂直、水平以及倾翻加载过程具体包括如下：

1、在进行液压支架模型强度试验时，首先启动电机。由于液压支架模型是按照1：5制造的，且液压支架与其模型之间的压力相似比C_p为5，同时，支架模型承受的载荷也较大，而支架模型立柱的液压缸尺寸又不能过大，因此，本发明采用增压支路来实现液压支架模型立柱的增压功能。在液压支架模型立柱增压支路中，增压比为4。

2、如图5所示。在对液压支架模型进行垂直加载时，首先，把左侧第三个手柄由中位搬到前位，即液压油经过操纵阀对垂直加载液压缸的进油口进行供液，从而使垂直加载装置的上平台下降至试验所需的高度。然后，把该手柄由前位搬到中位，这时，就可通过垂直加载支路上的液压锁将垂直加载液压缸的进油和回油的油路锁住，这样，即可实现把垂直加载装置的上平台锁住在试验所需高度的目的。当完成对液压支架模型进行垂直加载试验后，把左侧第三个手柄由中位搬到后位，即液压油经过操纵阀对垂直加载液压缸的回油口进行供液，从而使垂直加载装置的上平台上升至某一高度。然后，把该手柄由后位搬到中位即可。

3、在对液压支架模型进行水平加载时，首先，把左侧第四个手柄由中位搬到前位，即液压油经过操纵阀对水平加载液压缸的进油口进行供液，从而使水平加载液压缸的活塞杆向外伸出。当水平加载支路的压力表达到所需的压力值后，把该手柄由前位搬到中位，这时，就可通过水平加载支路上的液压锁将水平加载液压缸的进油和回油的油路锁住，这样，即可实现长时间保持对液压支架模型进行水平加载的目的。当完成对液压支架模型进行水平加载试验后，把左侧第四个手柄由中位搬到后位，即液压油经过操纵阀对水平加载液压缸的回油口进行供液，从而使水平加载液压缸的活塞杆向内缩回。然后，把该手柄由后位搬到中位即可。

4、在对液压支架模型进行倾翻加载时，首先，把左侧第五个手柄由中位搬到前位，即液压油经过操纵阀对倾翻加载液压缸的进油口进行供液，从而使倾翻加载液压缸的活塞杆向外伸出。这时，加载装置和液压支架模型将绕着水平方向的旋转轴旋转，并与水平面倾斜成一定的角度，由此来模拟煤层的倾角。当加载装置和液压支架模型倾翻到所需的倾翻角度后，把该手柄由前位搬到中位，这时，就可通过倾翻加载支路上的液压锁将倾翻加载液压缸的进油和回油的油路锁住，这样，即可实现长时间保持对液压支架模型进行倾翻加载的目的。当完成对液压支架模型进行倾翻加载试验后，把左侧第五个手柄由中位搬到后位，即液压油经过操纵阀对倾翻加载液压缸的回油口进行供液，从而使倾翻加载液压缸的活塞杆向内缩回。然后，把该手柄由后位搬到中位即可。

所述的步骤三中，和LabVIEW数据采集与处理程序相对应的框图程序即顺序结构程序包含三个子框图，每一个子框图被称为一个Frame，三个子框图为：Frame0、Frame1、Frame2；

如图8所示，在Frame0即创建设备子框图中，CreateDevice函数负责创建PCI设备对象，DeviceID则是设备ID的标识号；

如图9所示，在Frame1即程序主体子框图中，ReadDevBulkAD函数负责批量读取AD设备上的AD数据，然后将数据转换为相应的电压值，并通过显示设备显示在前面板上，同时保存该数据。当按下LabVIEW工具栏中的运行按钮时，则程序开始运行，同时，在前面板上将显示出采集数据的波形图。当按下LabVIEW工具栏中的save按钮时，程序将通过Write ToSpreadsheet File.VI函数将所采集数据的数组转换成二进制文本字符串，并将它写入一个新建文件；

如图10所示，在Frame2即释放设备子框图中，按下LabVIEW工具栏中的停止按钮时，则所有的数据显示和数据保存将被停止，程序运行结束。同时，由ReleaseDevice函数负责释放设备对象所占用的系统资源以及设备对象自身。当双击LabVIEW快捷图标后，则LabVIEW被启动。此时，即可打开液压支架模型试验的数据采集与处理系统软件的应变采集程序和文件读取程序，以实现相应的功能。

所述的步骤四具体为：

分别读取LabVIEW数据库中0°、45°以及90°这三个方向上的应变即ε_0°、ε_45°以及ε_90°。通过公式(1)至公式(6)分别计算出相应的主应变ε₁、主应变ε₂、主应变方向角θ、主应力σ₁、主应力σ₂以及等效应力σ的大小。其中，E为弹性模量，μ为泊松比。

本发明按照国家标准MT312-2000《液压支架通用技术条件》对1：5的液压支架模型在试验高度为570mm时受顶梁中部集中载荷工况下进行了强度试验。液压支架模型在受顶梁中部集中载荷工况下其顶梁上的测点位置如图7所示，其中，垫块宽度b的垂直中心线与4个顶梁支柱的垂直对称中心线重合，b＝40mm。

该液压支架模型所受的外载荷就只有4根顶梁支柱对顶梁和底座所施加的载荷。根据MT312-2000《液压支架通用技术条件》的规定，液压支架强度试验采用的加载方式是内加载方式。所以，该载荷是按照液压支架模型的工作阻力即260kN的1.2倍分别施加到液压支架模型的顶梁和底座的各个柱窝上。

在进行实际测量前，应首先由CS-1A型动态电阻应变仪上的标定装置给出标定信号，然后，再启动液压支架模型试验数据采集与处理系统软件对该标定信号进行数据采集。经过对标定信号的5次数据采集后，将各次得到的数据平均值再次求平均值之后，即可得到相应标定信号所对应的信号幅值。下面以对标定信号的首次数据采集中的100000个点的实测信号波形图为例加以说明。200με的正标定信号所对应的信号幅值的平均值为2000.95mV，因此，标定信号所对应的应变值与相应的信号幅值之间基本上是呈1比10的对应关系。

标定结束后，即可启动液压控制系统。首先，使加载装置的上加载平台向下运动至试验所需的高度。然后，使液压支架模型的立柱上升，并使液压支架模型顶梁上的垫块与上加载平台接触并压紧。当与液压支架模型立柱所对应的压力表的压力值达到要求时，即可启动液压支架模型试验数据采集与处理系统软件对相应工况下各测点产生的实际信号进行数据采集。在相同的试验条件下，经过5次试验，并经过再次求平均值之后，即可得到液压支架模型在相应工况下各测点在0°、45°以及90°方向上的应变值。进而，再通过液压支架模型试验实测数据的应力计算软件，即可方便地将所得到的应变值换算成相应的应力值。

在液压支架模型试验实测数据的应力计算软件界面中，当单击参数输入图标后，程序将首先自动沿路径d:\data\data0依次调用相应的数据，并对数据进行求平均值处理，同时将自动输入平均值以及相关的计算参数，即弹性模量、泊松比、0°和45°以及90°这三个方向上的应变值。当单击计算应力值并导入Excel图标后，程序将计算出主应变ε₁、主应变ε₂、主应变方向角θ、主应力σ₁、主应力σ₂以及等效应力σ，并将计算出的结果自动导入到Excel中。当单击打开Excel文件图标后，将出现文件写入成功的界面。当单击确定后，程序将自动生成一个名为result1的Excel文件。同时，此文件会被自动打开。在Excel文件列表中，将会列出此次计算的参数和结果，如图11所示，以供绘制液压支架模型试验实测数据的应力变化曲线图所用。当单击帮助图标后，将出现以Word文件形式保存的帮助文件。其中给出了相应的理论和计算公式以及相关的内容，这对操作者详细了解和使用该软件将起到重要的辅助作用。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (6)

1.一种液压支架模型试验的加载装置，其特征在于，所述的加载装置用于液压支架模型的加载试验，包括底座、框架及安装于框架上的垂直加载机构、水平加载机构以及倾翻机构；所述的底座两端安装有支撑架，框架通过旋转轴安装在支撑架上，垂直加载机构包括安装在框架顶端的多个液压缸及其底部连接的垂直加载板，水平加载机构包括安装在框架下部的一个水平加载液压缸，倾翻机构包括安装在底座及框架之间的多个倾翻液压缸。

2.根据权利要求1所述的一种液压支架模型试验的加载装置，其特征在于，在所述的加载装置的框架下部放置液压支架模型，所述的液压支架模型为按液压支架原型的一定比例缩小并进行机构简化制成的，所述的比例值是由液压支架的最小钢板厚度与液压支架模型的最小钢板厚度的比值确定的几何相似倍数。

3.一种权利要求1所述的液压支架模型试验的加载装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、在液压支架模型上选取测点，通过在各测点上贴直角应变花来进行布片，分别测取0°、45°以及90°这三个方向上的应变即ε_0°、ε_45°以及ε_90°；

步骤二、操作液压支架模型加载试验装置的液压控制系统，根据液压支架模型的承载力F对液压支架模型分别从垂直、水平以及倾翻三个方面分别进行加载试验；加载力为液压支架模型的承载力F的n倍，n值取1.1-1.3；

步骤三、采用LabVIEW编程语言进行数据采集；并将采集的数据以图形的形式进行实时地显示；将数据写入文件并保存；

步骤四、为了把所采集到的应变值换算成相应的应力值，采用VC++语言编制液压支架模型试验实测数据的应力计算软件，实现对LabVIEW数据库的访问及应力计算。

4.根据权利要求3所述的一种液压支架模型试验的加载装置的试验方法，其特征在于，所述的步骤一至步骤四中，在进行实际测量前，首先由CS-1A型动态电阻应变仪上的标定装置给出标定信号，然后，再启动液压支架模型试验数据采集与处理系统软件对该标定信号进行数据采集；经过对标定信号的多次数据采集后，将各次得到的数据平均值再次求平均值之后，得到相应标定信号所对应的信号幅值。

5.根据权利要求3所述的一种液压支架模型试验的加载装置的试验方法，其特征在于，所述的步骤三中，和LabVIEW数据采集与处理程序相对应的框图程序即顺序结构程序包含三个子框图，每一个子框图被称为一个Frame，三个子框图为：Frame0、Frame1、Frame2；

在Frame0即创建设备子框图中，CreateDevice函数负责创建PCI设备对象，DeviceID则是设备ID的标识号；

在Frame1即程序主体子框图中，ReadDevBulkAD函数负责批量读取AD设备上的AD数据，然后将数据转换为相应的电压值，并通过显示设备显示在前面板上，同时保存该数据。当按下LabVIEW工具栏中的运行按钮时，则程序开始运行，同时，在前面板上将显示出采集数据的波形图。当按下LabVIEW工具栏中的save按钮时，程序将通过Write To SpreadsheetFile.VI函数将所采集数据的数组转换成二进制文本字符串，并将它写入一个新建文件；

在Frame2即释放设备子框图中，按下LabVIEW工具栏中的停止按钮时，则所有的数据显示和数据保存将被停止，程序运行结束。同时，由ReleaseDevice函数负责释放设备对象所占用的系统资源以及设备对象自身。当双击LabVIEW快捷图标后，则LabVIEW被启动。此时，即可打开液压支架模型试验的数据采集与处理系统软件的应变采集程序和文件读取程序，以实现相应的功能。

6.根据权利要求3所述的一种液压支架模型试验的加载装置的试验方法，其特征在于，所述的步骤四具体为：

分别读取LabVIEW数据库中0°、45°以及90°这三个方向上的应变即ε_0°、ε_45°以及ε_90°。通过公式(1)至公式(6)分别计算出相应的主应变ε₁、主应变ε₂、主应变方向角θ、主应力σ₁、主应力σ₂以及等效应力σ的大小。其中，E为弹性模量，μ为泊松比。