矿用锚索拉伸冲击试验系统及仿真研究

　　0　前言

　　预应力锚索支护是目前煤矿广泛使用的一种支护方式,它具有能传递较大的拉应力、原理先进、施工方便、经济可靠、效益显著、且适用于松软岩层、高地压带及复杂条件等优点。矿用锚索拉伸冲击试验系统是研究锚索在不同冲击载荷作用下的破坏机理及模拟锚索在拉脱、拉断过程中摩擦受热、产生火花引起瓦斯爆炸的工况,以提高锚索支护性能,改善煤矿巷道支护质量。

　　1　试验系统简化结构

　　试验系统工作原理如图1所示,利用2个液压缸和锁紧装置对穿过其中的锚索两端固定并预紧锚索,再通过两液压缸同时快速拉伸、冲击锚索,以模拟煤矿井下复合顶板条件下软弱岩层发生断裂时快速下沉的工况。

　　由于液压缸活塞冲击速度大,冲击力大,采用液压泵供油流量不能满足要求,而且容易损坏液压泵,本试验系统中采用小流量液压泵通过液压缸对锚索进行静态预紧,通过蓄能器对液压缸供油实现动态冲击的方式。

　　2　液压系统原理

　　本液压系统主要由液压泵站、蓄能器、插装阀组、换向阀组及液压缸等部分组成,如图2所示。两液压缸缸体固定,锚索穿过两液压缸的活塞杆中心孔两端通过锁紧装置固定。液压缸21和22分别由三位四通电磁阀26和27换向,由液压锁24和25分别对液压缸进行锁紧。通过蓄能器提供冲击所需大流量液压油。工作过程如下:

　　首先,液压缸复位。关闭所有球阀,启动电机,并使电磁阀4的电磁线圈YV1通电,液压泵2开始工作。然后给电磁线圈YV2和YV4通电,换向阀26和27换向,使液压缸21右移, 22缸左移,使两液压缸复位。两液压缸复位后所有电磁线圈断电,并停止电机。其次,固定并预紧锚索。锚索从一液压缸活塞杆中心孔穿入,通过中心套筒从另一液压缸活塞杆中心孔穿出,并通过锁紧装置固定锚索。第三步,蓄能器充压。打开球阀5、8,液压泵2通过球阀5和单向阀7给蓄能器充压,通过压力表9观察充液压力大小,当达到所需压力时,停止充液。第四步,锚索预紧。打开球阀19、20、23,给电磁线圈YV3和YV5通电,通过换向阀26、27,使两液压缸活塞杆伸出,对锚索进行预紧,当达到锚索的预紧压力时使电磁线圈YV3和YV5断电,液压锁24、25关闭,锚索预紧过程结束。第五步,冲击加载。通过工作按纽,电磁阀YV6和YV7得电,插装阀迅速打开,蓄能器中的高压油通过插装阀迅速进入液压缸,通过活塞杆冲击锚索,完成动态冲击过程。

　　3　仿真模型的建立

　　根据液压系统原理及试验要求,利用AMEsmi软件建立如图3所示的仿真模型。该仿真模型中主插装阀和先导阀阀组超级元件组成插装阀组12,由插装阀组工作设定信号13控制插装阀的打开和关闭。流量传感器16用来测量冲击过程中输入到油缸中的流量大小,并通过积分模块求出输入到油缸中的油液体积。由于锚索拉伸冲击过程中负载特性比较复杂,有拉伸过程,也有拉脱或拉断的可能。为了不失一般性,本次仿真把锚索看成具有阻尼的弹性元件,如图3中14所示。蓄能器采用2个容量为40L的气囊式蓄能器,充气压力为12MPa,最大工作压力为20MPa。液压缸为双活塞杆液压缸,活塞直径为160mm,活塞杆直径为90mm,行程为450mm。