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落锤冲击作用下双伸缩立柱动态特性研究

更新时间:2009-03-28

双伸缩立柱无级调高范围大,操作方便灵活,在薄煤层和大采高支架上广泛应用。由于中缸压力较高,在基本顶压力显现强烈时会出现鼓胀、爆缸等现象[1]。近年来随着大采高强力支架的应用,立柱的缸径不断增大(8.2m超大采高支架立柱的缸径达到Φ530mm),对双伸缩立柱的抗冲击性能要求越来越高。

尽管国家标准GB/T 25974.2—2010[2]对立柱动态过载的冲击试验方法作了规定,由于国内缺乏对液压立柱进行冲击性能试验的方法和装备[3],理论计算和数值模拟仍是研究立柱冲击特性的最主要手段。赵志礼[4]给出了立柱和千斤顶冲击载荷的估算方法,赵腾[5]计算了双伸缩立柱动态冲击载荷作用下腔内压力变化,赵忠辉[6]将立柱下腔内固液耦合问题转化为接触问题,采用有限元分析了冲击载荷下结构应力情况。

提高立柱抗冲击性能一般是通过延长冲击过程时间或迅速卸载实现。李继周[7,8]较早对立柱和安全阀系统落锤冲击过程进行了计算,王国法等[9]在分析支架立柱外载特征基础上提出了抗冲击双伸缩立柱结构和原理,并进一步发展出增容缓冲抗冲击立柱。

但是,实际链并不总是那么理想.如果链刚性较强,使得用于统计的连接单元的长度过长,或者尽管高分子链本质是柔性的,但其分子量过低等,在这些情况下,分子链的统计单元数不能达到满足统计意义的数值,上述模型就无法施展其功用,此时就要借助另一种模型——蠕虫状链(worm-like chain,WLC)来了解分子链的空间尺寸.

确定冲击载荷作用下双伸缩立柱腔内峰值压力及安全阀的效应仍是当前主要任务,理论计算过程较为复杂,且对安全阀的动态特性(作用规律)考虑不周。论文以Φ500mm大缸径伸缩立柱为例,采用AMESim软件对落锤冲击作用下的动态特性进行分析,为双伸缩立柱的开发提供有效的设计手段。

1 双伸缩立柱及载荷模型

1.1 双伸缩作用立柱

预设质量块与活柱间隙,将中缸和活柱高度升至1.38m和1.385m停止,给质量块施加推力模拟重力作用来开始冲击过程。轻载快冲模式下的质量块和活柱间距离变化如图4所示,经历了“中缸升—活柱升—停止—冲击”的过程,其振幅由于阻尼作用逐渐衰减,第一个冲击周期最大,因此主要查看第一个冲击半周下的压力变化情况。

  

图1 大缸径双伸缩立柱

1.2 冲击模式

冲击载荷作用下立柱内压力峰值(p1p2)是评估双伸缩立柱抗冲击性能的重要因素。按照伸出长度总长度的75%条件下,30ms内开启的试验要来确定加载重物的质量M和高度h

落锤冲击分按照标准试验方法和模拟井下来压冲击两种情况。

弹性块接触刚度分别取1×107N/m;5×107N/m;1×108N/m;5×108N/m;1×109N/m,对应外缸内液体峰值压力和半周期的影响规律如图5所示,可以看出,刚度较小时,冲击半周时间长,压力峰值小,刚度值大时,冲击半周时间短,压力峰值大。基于冲击半周与理论计算相近原则,取碰撞刚度值为5×108N/m。

忽略冲击发声、发热及冲击点处的能量耗散,冲击能量被立柱吸收后,主要集中于3部分:液体压力能、外缸和中缸的弹性变形能以及活柱的压缩变形能。立柱冲击载荷变化规律如图2所示,液体的压缩变形是构成立柱弹性系统的最主要部分,液体压力能的增大造成外缸和中缸内压力的升高,产生径向膨胀及轴向收缩变形,缸体由于弹性变形而存储一部分弹性势能。落锤对立柱的冲击过程是一个振动过程,在第一个冲击半周中冲击力达到最大值(图2(a))。

井下来压模拟按照1.2节落锤冲击参数设置,结果如图7所示。冲击半周期约为130~140ms(文献[1]计算结果132.7ms),外缸最大冲击压力118.2MPa(文献[1]106.5MPa),中缸最大压力228.2MPa(文献[1]218.3MPa);安装安全阀时,外缸最大压力90.1MPa,中缸最大压力171.8MPa(文献[1]87.5MPa)。

2 落锤冲击下的能量传递和耗散

2.1 能量传递规律

1)按照标准试验方法(轻载快冲)。根据文献[4]计算方法估算出落锤的质量和下落高度,确定下落物体质量M为50000kg,下落高度H为3200mm,其特点是轻质量、快冲击,30ms内到达1.5倍工作阻力的试验要求。

总体监测系统如图1所示,主要由信号采集电路单元、数据处理电路单元、CAN总线数据传输电路单元、稳压电路单元、拨码开关单元和数据处理计算机7部分组成.

  

图2 立柱冲击载荷变化规律

2.2 安全阀耗散效应

静态观点认为,立柱压力取决于安全阀的设定压力,安全阀开启后立柱内压力将不再增大(图2(b)中虚线)。该情况适用于能量加载速率小于安全阀能量耗散率,当冲击能量密度较大,安全阀无法及时让压耗散冲击能量,立柱内部压力仍将会持续增大。

安全阀开启后,其耗散的途径以动能释放为主。耗散过程的两个最重要影响因素是开启时间和通流能力,前者决定了能否及时提供保护,在峰值达到最大前有效卸载;后者决定了卸载能力,能否削弱能量持续累积过程。

3 基于AMESim的冲击系统建模

3.1 冲击系统建模

由于理论计算的复杂性,本文利用AMESim软件建立冲击模型如图3所示。采用MAS30模块模拟双伸缩立柱活柱和中缸之间的牵连运动效应;线弹性碰撞模块来模拟落锤与立柱的碰撞过程;立柱底阀采用单向阀替代;安全阀采用溢流阀表示;恒流源向系统供液,介质为乳化液,流量500L/min;由于软件中没有缸体弹性变形(缸壁径向膨胀)模块,建模中将其放在接触刚度中综合考虑。

随着科技的发展,核电厂主控室人机界面实现了全面的数字化,使操作更快速、准确、方便,提高了工作效率、系统可用性和可靠性,产生了巨大的安全效益和经济效益。由于操作界面巨大的信息量,增加了操作员的认知负荷,极易造成系统故障,甚至重大事故。据统计,目前所有人-机系统失效事件中70%~90%直接或间接源于人的因素,而人机界面设计的不合理则是导致人因事故发生的关键因素之一。

  

图3 立柱冲击模型

3.2 主要参数确定

冲击模型作为一个振动系统,落锤运动参数(质量、高度)及液压缸参数确定条件下,影响冲击响应周期及压力峰值的参数主要是碰撞刚度。刚度确定综合考虑活柱的轴向刚度和缸体的径向形变。

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但那些淋着雨雪踩着泥巴一步一回首的人们,放眼望去的,就是最后的色达了。他们磨砂细碎的掌纹缓缓剥落棕褐交织的念珠。他们磕下长头,无关宗教和前世今生,尽倾整整一万零八千圈的信奉去祈福,举手投足间充满了历练的卑恭和体会过沧桑岁月的兜兜转转。

将安全阀的开启值设定一个较大值,可模拟无安全阀状态情况,正常工作状态设为43.5MPa,安全阀流量-压力梯度假设为25L/MPa(等效1000L/min流量安全阀)。

以文献[1]中Φ500mm大缸径伸缩立柱为例进行分析,大缸径双伸缩立柱如图1所示,其外缸内径d1=500mm,中缸外径D2=475mm,中缸内径d2=360mm;按照国家标准[2]规定的立柱在伸出长度为总长度75%条件下进行试验,取液柱高度h1=1385mm,h2=1380mm;中缸质量M2为1508kg,活柱质量M3为1000kg。

  

图4 冲击仿真过程

粪水通过振动固液分离机的振动筛网,实现固液分离,分离出的粪渣通过绞龙旋干排出(压干的粪渣进行堆肥)。分离的污水存入沼气池,在厌氧的条件下利用厌氧菌去除废水中的部分有机物,同时产生沼气。分离的固体进入污泥池,污泥池收集沼气池的出水和预沉淀池、初次絮凝沉淀池、二次絮凝沉淀池产生的污泥,同时接收SBR池产生的剩余污泥。

  

图5 碰撞刚度对压力峰值和周期影响

4 仿真结果及分析

4.1 轻载快冲模式仿真结果

按照1.2节的标准试验方法获得了外缸和中缸冲击半周内压力变化情况如图6所示,可以看出其冲击半周期约为30ms(文献[1]理论计算结果27.8ms),外缸最大冲击压力89.8MPa(文献[1]83MPa),中缸最大压力177.3MPa(文献[1]169.8MPa);安装安全阀时,外缸最大压力降为83.8MPa,中缸最大压力165.6MPa(文献[1]88.0MPa)。

  

图6 轻载快冲模式仿真结果

可以看出,无安全阀时,仿真模拟比文献[1]理论计算压力峰值高约8%,表现出较好的一致性;有安全阀时,结果差异较大,具体表现仿真结果削峰作用不明显。

4.2 重载缓冲模式仿真结果

2)模拟井下顶板来压情况(重载缓冲)。重锤模拟顶板的大质量、缓冲击过程,质量M为618200kg(与初撑力状态平衡),冲击动能不变,即势能保持一致原则,下落高度H为260mm。

  

图7 井下来压模拟

与按照标准试验方法类似,井下来压模拟在无安全阀时,与文献[1]结果相近,峰值压力误差在10%左右。有安全阀条件下,外缸压力视为安全阀开启压力43.4MPa,并认为安全阀开启后外缸内压力保持不变,中缸最大冲击压力为87.5MPa,这是按照冲击载荷与安全阀卸载流量平衡的结果,与仿真结果存在较大差异。

4.3 结果分析

压力峰值对比见表1,综合上述两种落锤冲击参数下的仿真结果,不难看出,冲击半周相近条件下,峰值压力仿真结果与理论计算基本一致;相同冲击能量下,重锤缓冲模式造成的压力峰值大,作用周期长,轻锤快冲造成的压力峰值小,作用时间短。安全阀的消峰作用在重载缓冲下更为明显,因冲击作用时间长,压缩速率小,半周内耗散能量大。

因在第一个冲击半周内,安全阀的释放速度跟不上立柱内液体压缩速率,安全阀开启后压力将持续能加,因此对于大缸径立柱,必须提高安全阀的开启速度,并增大同流能力。

 

表1 压力峰值对比 MPa

  

项目标准方法冲击外缸中缸模拟井下冲击外缸中缸无安全阀898177311822282有安全阀83816569011718消峰幅度/%6766237247

5 结 论

1)基于AMESim的双伸缩立柱冲击周期和峰值仿真结果与理论计算基本一致(无安全阀条件下),为立柱动态特性研究提供了一种高效的计算方法,随着国内立柱冲击试验台的建设和启用,要进一步开展相关立柱冲击试验,完善仿真模型。

由“鸟翼上系上了黄金,这鸟便永不能再在天上翱翔了。”通过类比推理的三个过程,得出结论:“人的身心被贪欲所束缚,这个人便永不能在人生的道路上轻装前行了。”这个结论也可以扩展为:对财富的贪欲,使人失去了自由。

2)落锤动态冲击作用下,立柱内的压力变化不同于传统静态加载的认知,削峰能力有限,对于强冲击载荷,需进一步开发快响应、大流量安全阀。

3)通过改变立柱的刚度,可以调节冲击压力,为新型抗冲击立柱的开发提供借鉴思路。

参考文献

[1] 王国法.液压支架控制技术[M].北京:煤炭工业出版社,2010.

[2] GB 25974.2—2010,煤矿用液压支架第2部分:立柱和千斤顶技术条件[S].

[3] 刘欣科,赵忠辉,赵 锐.冲击载荷作用下液压支架立柱动态特性研究[J].煤炭科学技术,2012,40 (12):66-70.

[4] 赵志礼.立柱和千斤顶冲击载荷的估算[J].矿山机械,2009,37(2):37-39.

[5] 赵 腾.液压支架双伸缩立柱的受力分析及有限元分析[D].太原:太原理工大学,2010.

[6] 赵忠辉,姜金球,王 勇,等.液压支架立柱在冲击载荷作用下的有限元分析[J].矿山机械,2010,38(11):10-13.

[7] 李继周.抗冲击立柱与安全阀系统的动态计算(上)[J].煤矿开采,1996(4):37-39,44.

[8] 李继周.抗冲击立柱与安全阀系统的动态计算(下)[J].煤矿开采,1997(1):35-36.

[9] 王国法.液压支架双伸缩抗冲击立柱动态分析[J].煤矿开采,2010,15(2):62-65,40.

 
张德生
《煤炭工程》 2018年第05期
《煤炭工程》2018年第05期文献

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