CN111238757A - 一种用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统及应用，包括结构框架、动加载模块、静加载模块、数据采集处理设备和被测液压支架；静加载模块设置在被测液压支架上方，用于模拟被测液压支架井下正常工作时受到的顶板压力；动加载模块安装在结构框架上并位于静加载模块的上方，用于模拟冲击地压；动加载模块、静加载模块、被测液压支架分别与数据采集处理设备连接。本发明能够在实验室内对液压支架顶板在正常来压情况下所受冲击地压进行有效试验，填补了此项研究的空白，其采用各种传感器以及数据采集设备和计算机，更为精确地获知各种实验数据，有效提升了模拟环境的真实性，并保证试验结果的可靠性。

Description

一种用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统及 应用

技术领域

本发明涉及一种用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统及应用，属于矿井试验系统技术领域。

背景技术

冲击地压是煤矿开采中最严重的动力灾害之一，表现为以突然、急剧、猛烈的形式释放煤岩变形能，在此过程中产生巨大的响声和岩体振动并伴随煤岩被抛出，造成支架损坏和巷道堵塞。而其引发的瓦斯突出、涌水等二次灾害往往会造成巨大的经济损失，甚至是人员伤亡。

随着我国煤矿生产逐渐进入深部开采，冲击地压发生的频度、强度和范围都在进一步增加，产生的危害也更加严重。目前，冲击地压事故已经成为制约煤矿高产高效安全生产的主要因素之一。为了解决冲击地压对煤矿正常生产的影响，许多科研人员对提高液压支架支护强度和抗冲击缓冲性能进行了研究，而设计一种能够模拟煤矿井下支护条件和冲击地压现象的冲击试验装置对验证液压支架或者支架立柱抗冲击能力有非常重要的意义。

目前冲击地压试验台冲击能量的加载手段主要有两种，一种是采用在高处释放重锤产生冲击力来模拟冲击地压产生的冲击能量，另一种是用火药爆炸产生的冲击力模拟冲击地压产生的冲击能量。中国专利文献CN203455151U公开了一种深埋隧洞中冲击地压模拟试验系统，该试验系统采用重锤冲击的方案并采用钢绞线拉压加载垫块的方式对试验材料进行预加载，从而模拟煤矿井下存在煤岩压力的条件下发生冲击地压的情况。但该专利中模拟的是对有一定规则形状的煤岩体试件进行冲击，不适合对液压支架整体或对液压支架立柱进行冲击试验。此外，整个冲击过程没有传感器和采集设备收集冲击数据和被测件的相关数据，完成冲击试验后无法对冲击被测件进行有效的评估。中国专利文献CN108225709A介绍了一种冲击试验加载装置及系统，试验系统采用压缩空气炮的方式对试件进行加载并采用传感器进行数据收集，但此专利中没有对试件进行静加载，无法完全模拟矿山井下液压支架的真实工况。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统，在采用落锤冲击来模拟冲击地压现象的基础上，采用重物预加载的方式模拟液压支架在工作面工作时需要承受一定负载的工作情况。同时采用在加载平台上布置冲击力传感器、在液压立柱上布置压力传感器和在安全阀上布置流量传感器的方式采集落锤冲击时产生的冲击力、液压支架油缸压力和安全阀泄流流量。以此分析液压支架或支架立柱受力情况和安全阀的动作情况。

本发明还提供上述一种用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统的试验方法。

本发明的技术方案如下：

一种用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统，包括结构框架、动加载模块、静加载模块、数据采集处理设备和被测液压支架；

静加载模块设置在被测液压支架上方，用于模拟被测液压支架井下正常工作时受到的顶板压力；

动加载模块安装在结构框架上并位于静加载模块的上方，用于模拟冲击地压；

动加载模块、静加载模块、被测液压支架分别与数据采集处理设备连接。

优选的，所述结构框架是由结构钢焊接而成的立体框架。

优选的，所述动加载模块包括提升电机、电磁铁和重锤，提升电机安装在立体框架顶端，提升电机悬吊电磁铁，电磁铁磁吸重锤，提升电机由数据采集处理设备连接控制。此设计的好处是，通过数据采集处理设备的智能控制，可以实现提升电机的自动作业，由电磁铁释放重锤对顶板进行模拟冲击地压。

优选的，所述提升电机的输出轴连接有定滑轮，定滑轮上环绕有钢丝绳，钢丝绳的底端连接电磁铁。

优选的，所述立体框架上设置有标尺。此设计的好处是，通过标尺可以准确获知重锤提升的高度。

优选的，所述静加载模块包括加载平台、预加载配重块、举升油缸和导轨，加载平台滑动安装在导轨上，预加载配重块设置在加载平台上表面，举升油缸设置在加载平台下方，通过举升油缸顶起加载平台。

优选的，所述导轨的数量为四根，加载平台通过滑套安装在导轨上。此设计的好处是，通过四根导轨，可以保证加载平台沿导轨上下滑动时的稳定性。

优选的，所述预加载配重块包括铁块、铅块、石块。此设计的好处在于，配重块选用容易计量称重的重物，方便计算预压力。

优选的，所述数据采集处理设备包括计算机、冲击力传感器、压力传感器、流量传感器和数据采集卡；冲击力传感器设置在加载平台上并与数据采集卡连接，压力传感器安装在被测液压支架立柱上并与数据采集卡连接，流量传感器设置在被测液压支架的安全阀上且流量传感器连接数据采集卡，数据采集卡与计算机连接。

一种用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统的试验方法，包括以下步骤：

(1)根据被测液压支架的工况计算静载载荷F，

其中：ρ为岩体容重，d为控顶宽度，L为工作面长度，H为开采深度，g为重力加速度，N为工作面液压支架数量，n为单个液压支架立柱数量，i为试验比例系数；

获知静载载荷F后，将与F等值的预加载配重块放置在加载平台上；

(2)举升油缸作业将加载平台顶起，然后将被测液压支架放在加载平台下方；

(3)举升油缸回落，使加载平台与被测液压支架接触，完成液压支架的静载载荷模拟；

(4)在被测液压支架上安装压力传感器和流程传感器，在加载平台上安装冲击力传感器，并将各传感器与数据采集卡连接后与计算机连接；

(5)提升电机作业将重锤提升到试验高度，然后使电磁铁失电，重锤落下砸在加载平台上；

(6)通过加载平台的传力，将冲击力传递至被测液压支架上，计算机通过各个传感器收集处理得到的各项数据，为后续的分析提供数据依据。

优选的，步骤(2)中，当测试液压支架的单个支架立柱时，先在加载平台下方固定安放一套筒，然后将支架立柱放置在套筒内。此设计的好处是，套筒可以起到固定作用，避免单个支架立柱受冲击力时发生倾倒。

本发明的有益效果在于：

1)本发明提供了一种用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统，该试验系统冲击能量依靠电磁铁吸附重锤然后起吊至相应高度后释放下落产生冲击力实现，通过调整下落高度来产生不同大小的冲击能量。同时系统通过在加载平台上安装冲击力传感器来采集每一次冲击时的冲击力，比其他冲击试验系统通过检测冲击速度和测量冲击高度的方式计算冲击力更加精确。

2)该试验系统采用在加载平台上添加重物块的方式，给被测试液压支架或支架立柱进行预加载，模拟液压支架在煤矿井下正常工作时受到顶板压力的工况，并能够在实验室内对液压支架顶板在正常来压情况下所受冲击地压进行有效试验，填补了此项研究的空白，试验过程更逼真，试验结果更可靠。

3)该试验系统通过在被测的液压支架或支架立柱的关键部位安装传感器的方式采集试验数据为分析提供数据依据，通过在支架立柱上布置压力传感器，实时测量支架立柱油缸内部的液压力，由此判断支架立柱缸体的受力情况。通过安装在支架立柱安全阀上的流量传感器，可以实时检测安全阀的通流情况为判断安全阀的响应速度和阀的工作状态提供依据。本发明试验系统采用各种传感器，以及数据采集设备和计算机，能够更为精确地获知各种实验数据，有效提升模拟环境的真实性，保证试验结果的可靠性。

附图说明

图1为本发明试验系统的结构示意图；

图2为本发明中动加载模块的结构示意图；

图3为本发明中静加载模块的结构示意图；

图4为本发明中数据采集处理设备的结构示意图；

其中：1-冲击力传感器，2-预加载配重块，3-导轨，4-举升油缸，5-接液压站接口，6-接传感器接口，7-被测支架立柱，8-套筒，9-提升电机，10-标尺，11-电磁铁，12-重锤。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

如图1-4所示，本实施例提供一种用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统，包括结构框架、动加载模块、静加载模块、数据采集处理设备和被测液压支架；

静加载模块设置在被测液压支架上方，用于模拟被测液压支架井下正常工作时受到的顶板压力；

动加载模块安装在结构框架上并位于静加载模块的上方，用于模拟冲击地压；

动加载模块、静加载模块、被测液压支架分别与数据采集处理设备连接。

其中，结构框架是由结构钢焊接而成的立体框架，如图1所示，由上部分的竖长架和下部分的横宽架两部分组成。

动加载模块包括提升电机9、电磁铁11和重锤12，提升电机9通过螺栓固定安装在竖长架顶端，提升电机9的输出轴连接有定滑轮，定滑轮上环绕有钢丝绳，钢丝绳的底端连接电磁铁11，电磁铁11磁吸重锤12，提升电机9由数据采集处理设备连接控制。通过数据采集处理设备的智能控制，可以实现提升电机的自动作业，由电磁铁释放重锤对顶板进行模拟冲击地压。本实施例中，定滑轮采用轮毂，通过轮毂缠绕钢丝绳，成本低。

竖长架上一侧设置有标尺10，通过标尺10可以准确获知重锤提升的高度。

静加载模块包括加载平台、预加载配重块2、举升油缸4和导轨3，导轨3的数量为四根，加载平台的四个角通过滑套安装在导轨3上，预加载配重块2放置在加载平台上表面，举升油缸4设置在加载平台下方，通过举升油缸4顶起加载平台。本实施例中，预加载配重块2选用铸铁块，铸铁块容易计量称重的重物，方便计算预压力，后续根据试验要求的预压力数值，来称重铸铁块并放置在加载平台上。

数据采集处理设备包括计算机、冲击力传感器1、压力传感器、流量传感器和数据采集卡；冲击力传感器安装在加载平台上并与数据采集卡连接，压力传感器安装在液压支架立柱上并与数据采集卡连接，流量传感器安装在安全阀上并连接数据采集卡，数据采集卡与计算机连接。

本实施例技术方案的工作原理：试验系统通过在一定高度上释放重锤的方式对被测液压支架或支架立柱产生冲击力模拟冲击地压对液压支架或单个支架立柱的冲击力，在此基础上通过加载平台在被测液压支架或支架立柱上加载重物块的方式模拟液压支架在井下工作面正常工作时受到顶板压力的工况。同时在加载平台上安装冲击力传感器，准确测量重锤冲击加载平台瞬间产生的冲击力，为试验后衡量冲击能量提供可靠依据。结合这两种方式尽可能真实地模拟井下液压支架在正常工作的情况下受到冲击地压时的情况。通过压力传感器检测液压支架立柱腔内压力、通过流量传感器检测立柱安全阀的泄流情况并通过数据采集处理设备对各项关键数据进行采集和收集处理，以此判断被测件的受力情况和相关部件的动态响应情况。

实施例2：

一种用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统，结构如实施例1所述，其不同之处在于：预加载配重块2选用铅块。

实施例3：

一种用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统，结构如实施例1所述，其不同之处在于：预加载配重块2选用规整的石块。

实施例4：

一种用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统的试验方法，利用实施例1所述的试验系统，事先电磁铁通电吸住重锤，使重锤处于悬空状态，试验过程包括以下步骤：

(1)根据被测液压支架的工况计算静载载荷F，

其中：ρ为岩体容重，d为控顶宽度，L为工作面长度，H为开采深度，g为重力加速度，N为工作面液压支架数量，n为单个液压支架立柱数量，i为试验比例系数；

获知静载载荷F后，将与F等值的预加载配重块2放置在加载平台上；

(2)通过计算机控制举升油缸4启动，举升油缸4作业将加载平台顶起，使加载平台下方空置，然后将被测液压支架移放到加载平台下方；

(3)计算机控制举升油缸4回落，使加载平台与被测液压支架顶部接触，完成液压支架的静载载荷模拟；举升油缸4继续下降，脱离加载平台；

(4)在被测液压支架立柱上安装压力传感器，在安全阀上安装好流程传感器，在加载平台上安装冲击力传感器1，并将各传感器与数据采集卡连接后与计算机连接；

(5)根据计算所需模拟的冲击能量，计算机控制提升电机9启动，根据标尺的数值提示，提升电机9作业将重锤12提升到试验高度，通过遥控使电磁铁11失电，重锤12做自由落体运动，落下砸在加载平台上；

(6)通过加载平台的传力，将冲击力传递至被测液压支架上，计算机通过冲击传感器、压力传感器、流量传感器收集得到的各项数据，为后续的分析提供数据依据。

该试验系统不仅可以对液压支架整体进行测试，还可以对单体液压立柱或者对液压支架单个立柱进行抗冲击测试，当测试单体液压立柱或者液压支架单个立柱7时，需加装套筒8防止立柱倾倒，并通过套筒8上的接口5、6外接液压站及压力传感器、流量传感器。

Claims (10)

1.一种用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统，其特征在于，包括结构框架、动加载模块、静加载模块、数据采集处理设备和被测液压支架；

静加载模块设置在被测液压支架上方，用于模拟被测液压支架井下正常工作时受到的顶板压力；

动加载模块安装在结构框架上并位于静加载模块的上方，用于模拟冲击地压；

动加载模块、静加载模块、被测液压支架分别与数据采集处理设备连接。

2.如权利要求1所述的用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统，其特征在于，所述结构框架是由结构钢焊接而成的立体框架。

3.如权利要求2所述的用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统，其特征在于，所述动加载模块包括提升电机、电磁铁和重锤，提升电机安装在立体框架顶端，提升电机悬吊电磁铁，电磁铁磁吸重锤，提升电机由数据采集处理设备连接控制。

4.如权利要求3所述的用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统，其特征在于，所述提升电机的输出轴连接有定滑轮，定滑轮上环绕有钢丝绳，钢丝绳的底端连接电磁铁。

5.如权利要求2所述的用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统，其特征在于，所述立体框架上设置有标尺。

6.如权利要求1所述的用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统，其特征在于，所述静加载模块包括加载平台、预加载配重块、举升油缸和导轨，加载平台滑动安装在导轨上，预加载配重块设置在加载平台上表面，举升油缸设置在加载平台下方，通过举升油缸顶起加载平台。

7.如权利要求6所述的用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统，其特征在于，所述预加载配重块包括铁块、铅块、石块。

8.如权利要求6所述的用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统，其特征在于，所述数据采集处理设备包括计算机、冲击力传感器、压力传感器、流量传感器和数据采集卡；冲击力传感器设置在加载平台上并与数据采集卡连接，压力传感器安装在被测液压支架立柱上并与数据采集卡连接，流量传感器设置在被测液压支架的安全阀上且流量传感器连接数据采集卡，数据采集卡与计算机连接。

9.一种如权利要求1-8任一项所述的用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据被测液压支架的工况计算静载载荷F，

其中：ρ为岩体容重，d为控顶宽度，L为工作面长度，H为开采深度，g为重力加速度，N为工作面液压支架数量，n为单个液压支架立柱数量，i为试验比例系数；

获知静载载荷F后，将与F等值的预加载配重块放置在加载平台上；

(2)举升油缸作业将加载平台顶起，然后将被测液压支架放在加载平台下方；

(3)举升油缸回落，使加载平台与被测液压支架接触，完成液压支架的静载载荷模拟；

(4)在被测液压支架上安装压力传感器和流程传感器，在加载平台上安装冲击力传感器，并将各传感器与数据采集卡连接后与计算机连接；

(5)提升电机作业将重锤提升到试验高度，然后使电磁铁失电，重锤落下砸在加载平台上；

(6)通过加载平台的传力，将冲击力传递至被测液压支架上，计算机通过各个传感器收集处理得到的各项数据，为后续的分析提供数据依据。

10.如权利要求9所述的用于冲击地压工况下液压支架性能的综合试验系统的试验方法，其特征在于，步骤(2)中，当测试液压支架的单个支架立柱时，先在加载平台下方固定安放一套筒，然后将支架立柱放置在套筒内。

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