张悦， 姚玉维， 沙宝银， 赵越
（煤炭科学技术研究院有限公司 检测分院，北京 １０００１３）
摘要：为解决内注式单体支柱耐久性能试验过程中人工加载和卸载存在劳动强度大、效率低等问题，研 制了一套内注式单体支柱耐久性能试验自动加载装置。该装置利用工控机测控软件控制伺服电动机及减速 器驱动加载工装旋转，通过伺服电动机驱动器实现内注式单体支柱的升柱及降柱操作，自动控制支柱的加载 过程；通过伺服电动机驱动卸载手柄实现支柱卸载、降柱动作；并对电动机加载速度、扭矩、位置等进行精确 控制，防止加载机构过载、堵转等情况发生。测试结果表明，该装置控制精度高、加载速度快、性能稳定可靠， 提升了内注式单体支柱耐久性能试验的自动化水平。 关键词：煤炭开采；内注式单体支柱；耐久性能试验；升柱；降柱；自动加载；卸载；伺服电动机
引言
内注式单体液压支柱属于液压传动设备之一， 其工作原理是利用泵将工作介质（液体）压入密闭的 油缸，使活柱上升；初撑时利用液体压力使支柱给予 顶板一定的初撑力，当顶板压力超过支柱初撑力时， 油缸中的液体压力提高，通过液体给予顶板、底板一 定的反力，使顶板压力形成新的平衡，阻止或延缓顶 板离层或下沉，达到维护顶板的目的［１］。
现阶段国内对内注式单体支柱耐久性能试验的 研究还处于初始状态，研究机构主要集中在国家级 的检测中心和试验中心。单体支柱耐久性能试验属 于型式检验，出厂检验不强制对此项进行检验，再加 上支柱生产企业科技水平限制及对出厂检验重视程 度不足，导致生产企业支柱试验台一般不具备检验 这一项目的能力。国家煤矿支护设备质量监督检验 中心作为国内唯一一家液压支柱检测检验机构，拥 有４台矿用单体液压支柱试验台，但目前针对内注 式单体支柱耐久性能试验还是通过人工加载和卸载 的方式完成标准要求的４００次耐久性能 试验［２］，导 致检 验 人 员 劳动 强 度 大，工 作 时 间 长，效 率 低。鉴 此，笔者研制了一套内注式单体支柱耐久性能试验 自动加载装置，应用高精度伺服电动机及减速器驱 动加载工装旋转，实现内注式单体支柱耐久性能试 验的自动化控制，彻底解决人工加载和卸载方式存 在的技术落后问题。该装置的成功研制，提升了单 体支柱试验台的自动化测试技术水平，提高了工作 效率，降低了检验人员的劳动强度，使检验过程实现 了自动化，检测精度有了较大提高，同时为相关行业 产品的研究提供了良好的试验平台，具有很好的社 会效益。
１ 装置硬件组成
内注式单体支柱耐久性能试验自动加载装置由 机械结构和测控系统２个部分组成，主要包括框架、 伺服电 动 机、电 控 箱、连 接 工 装、夹 紧 工 装、工 控 机 等，如图１所示。
图１ 内注式单体支柱耐久性能试验 自动加载装置硬件组成
Ｆｉｇ．１ Ｈａｒｄｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｕｔｏｍａｔｉｃｌｏａｄｉｎｇｄｅｖｉｃｅｏｆ ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙｔｅｓｔｏｆｉｎｔｅｒｎａｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎｔｙｐｅｓｉｎｇｌｅｐｒｏｐ
（１）伺服电动机：是控制机械元件运转的发动 机，通过伺服电动机驱动器可实现内注式单体支柱 加载过程的自动控制［３－４］，可对加载 的 速度、扭 矩 进行控制，可实 现 位置 的 精 确 控 制，防止加载机构过 载、堵转等情况发生。
根据 ＭＴ１１２．１—２００６《矿 用 单 体 液 压 支 柱 第１部分：通用要求》的 规 定，对 减 速 器［５］和 电 动 机 进行选型［６－８］，加载扭矩应小于２００Ｎ·ｍ，通过扭矩 扳手测得卸载扭矩为２０Ｎ·ｍ，人工加载升柱一次 的时间为１ｓ。为满足上述技术指标，同时实现更短 时 间 加 载，最终确定加载电动机型号为 ＳＥＭ１２０Ｅ４０３０３ＨＮ，具 体 参 数：额 定 输 出 功 率 为 ４０００ Ｗ，额 定 转 矩 为 １２．７３ Ｎ·ｍ，最 大 转 矩 为 ３８．２Ｎ·ｍ，额定 转 速、最 高 转 速 分 别 为 ３０００， ５０００ｒ／ｍｉｎ。加载减 速 器 型 号 为 ＡＥＲ１２０－２０，具 体参数：输 出 力 矩为２３０Ｎ·ｍ，额 定 输出 转 速、最 大输 出 转 速 为 分 别 ４０００，８０００ｒ／ｍｉｎ，效 率 为 ９５％，减速比为２０∶１。加 载 机构 最 终输 出 参 数：转 速为０～１５０ｒ／ｍｉｎ（可调），最大扭矩为２３０Ｎ·ｍ。 卸载电 动 机 型 号 为 ＳＥＭ６０Ｂ０４３０３ＨＮ，具 体 参 数： 额定输出功率为４００ Ｗ，额定转矩为１．３Ｎ·ｍ，最 大转矩为３．８２Ｎ·ｍ，额 定转 速、最高转速分别为 ３０００，５０００ｒ／ｍｉｎ。卸载减速器型号为 ＡＰＥ６０－５０， 具体参数：额定 输出 扭 矩 为４５Ｎ·ｍ，额 定 输 出转 速、最大输 出 转 速 分 别 为４０００，８０００ｒ／ｍｉｎ，减 速 比 为 ５０∶１。 卸 载 机 构 最 终 参 数：转 速 为 ０～ ６０ｒ／ｍｉｎ（可调），扭矩为４５Ｎ·ｍ。上 述技 术指 标 可满足标准对内注式单体支柱检验技术要求，实现 单体支柱加载及卸载自动化控制。
（２）电控箱：内部包括接线端子板、伺服电动机 控制器等电气设备，用于实现计算机控制信号与外 部被控对象的硬件连接。
（３）连接工 装：用于实现加载机构和卸载机构 与单体支柱的硬件连接，确保试验过程中各机构牢 固可靠。
（４）工控机：实现对加载伺服电动机及卸载伺 服电动机的自动控制，同时将伺服电动机扭矩等信 息实时显示在显示器中，根据实际试验结果自动判 断是否满足试验要求，并可出具检验报告，打印历史 试验记录，试验记录可查询。 ２ 装置工作原理 将内注式单体支柱固定在框架内，安装好加载 工装及卸载工装，工控机软件中输入内注式单体支 柱试验参数和伺服电动机控制参数，工控机控制伺 服电动机控制器，电动机控制器驱动加载或卸载伺 服电动机进行动作，实现内注式单体支柱的升柱及 降柱操作。 ３ 装置机械结构 机械结构 是 实 现 支 柱 加 载、卸载的执行机构。 根据现场试验环境进行相关连接件的制造及安装， 根据内注式单体支柱手摇泵曲轴结构、卸载阀结构 及减速器输出端结构，设计了专用的电动机加载和 卸载工装。经电动机驱动后带动手摇泵往复运动， 实现支柱升柱、加载及卸载动作。 电动机安装工装：以曲轴为固定支撑，设计了环 形抱紧装置，实现了驱动电动机、减速器与被试支柱 的稳定、牢固连接，避免了试验时电动机上下窜动或 自身旋转。加载机构工装如图２所示。
图２ 加载机构工装
Ｆｉｇ．２ Ｆｉｘｔｕｒｅｏｆｌｏａｄｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ
根据卸载阀结构及减速器输出端的结构，设计 了专用卸载工装，并以卸载阀为固定点，实现了电动 机、减速器的固定。通过电动机驱动卸载手柄可实 现支柱卸载、降柱动作。卸载机构工装如图３所示。
图３ 卸载机构工装
Ｆｉｇ．３ Ｆｉｘｔｕｒｅｏｆｕｎｌｏａｄｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ
４ 测控系统
为实现内注式单体支柱耐久性能试验自动化控 制［９－１１］，利用测控 系 统对 伺 服 电 动 机 正 反 转、转 速、 位置进行精确控制，以实现替代人工方式进行试验， 测控系统还可对控制过程中的试验数据进行采集、 储存，试验数据可查询、打印。通过深入了解伺服电 动机的控制方式，选用“脉冲＋方向”的方式实现电动 机在旋转方向、旋转速度及旋转角度等方面的控制，从而满足内注式单体液压支柱标准中“耐久性能试验 项目”试验方法的要求，并完成试验数据的记录。
４．１ 测控系统硬件
测控 系 统 硬 件 包 括 工 控 机 （ＡＤＡＭ －３９５２， ＡＤＡＭ－３９６８）、ＰＣＩ－１７１６Ｌ 数 据 采 集 卡、ＰＣＩ－ １２２０Ｕ 运 动控 制 卡、伺 服电 动 机、驱 动 器、采 集 箱、 打印机等，如图４所示。
图４ 测控系统硬件组成
Ｆｉｇ．４ Ｈａｒｄｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ
ＰＣＩ－１７１６Ｌ 数据采集卡主要用于实现压力信 号、伺服电动机转矩反馈信号的采集。 ＰＣＩ－１２２０Ｕ 运动控制卡主要用于实现伺服电 动机方向、速度的控制。
４．２ 测控系统软件设计
测控 系 统 软 件 以 界 面 友 好 的 ＶＢ 作 为 开 发 平 台。系统软件通过数据采集卡实时采集压力、转速、 扭矩等模拟量信号并对信号进行滤波等处理，以“压 力－ 时 间”、“扭 矩－ 时 间”等曲线形式实时显示、存 储。软件可根据设定的试验次数自动进行加载试 验，直至试验次数完成，系统提示试验已完成并自动 判断检验结果。同时，软件还具备通过输出模拟电 流控制伺服电动机转速、通过输出开关量控制电动 机启停等功能。 测控系统软件采用模块化设计思想［１２］，将试验 参数设置、数据采集、数据处理、打印与查询输出分 别作为一个模块来设计，这样程序将更加容易维护， 同时可读性较强。测控系统软件模块如图５所示。
图５ 测控系统软件模块
Ｆｉｇ．５ Ｓｏｆｔｗａｒｅｍｏｄｕｌｅｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ
（１）参数设置模块：工作 人 员 将 被 试 样 品 的 产 品信息，如 报 告 编 号、样 品 编 号、规 格 型 号、试 验 次 数、试验日期等信息录入到参数设置模块，测控系统 软件自动进行存储，试验时，系统运行界面可自动调 岀该条信息输入的参数。
（２）数据采集模块：首先 测 控 系 统 软 件 对 采 集 卡采集到的模拟量信号进行滤波处理，以减少电网 电压波动及其他电气设备干扰等带来的误差；然后 测控系统软件将模拟量（１～５Ｖ 电压）进 行 压 力 换 算并实时显 示，通 过 界 面 中“Ｐ－Ｔ”曲 线 可 实 时 监测 被试样品受压情况。
（３）数据处理模块：数据经过实时转换后，测控 系统软件需将压力、电动机扭矩、转速、试验日期等 信息存入 Ａｃｃｅｓｓ数据库，等待打印、查询。
（４）打印与 查 询 输 出 模 块：在 打 印 与 查 询 输 出 模块中，工作人员输入报告编号、样品编号即可打印 该样品的试验数据，包括“Ｐ－Ｔ”曲线等。
４．３ 测控系统软件使用流程
根据 ＭＴ １１２．１－２００６《矿 用 单 体 液 压 支 柱 第１部分：通用要求》规定编制的测控系统软件使用 流程如图６所示。
图６ 测控系统软件使用流程
Ｆｉｇ．６ Ｕｓｉｎｇｆｌｏｗｏｆｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ
测控系统软件具有良好的人机界面，可实时监 测电动机扭矩、被试件压力、试验次数等参数，试验 运行界面如图７所示。
图７ 测控系统软件试验运行界面
Ｆｉｇ．７ Ｔｅｓｔｒｕｎｎｉｎｇｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｓｏｆｔｗａｒｅｏｆ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ
应用效果 分别针对２种型号内注式单体支柱进行４００次 耐久性能试验，并与人工加载方式试验时间进行对 比，对比结果见表１。
表１ 人机试验时间对比结果
Ｔａｂｌｅ１ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｉｍｅｏｆｈｕｍａｎ－ｍａｃｈｉｎｅｔｅｓｔ ｈ
由表１可知，该装置的应用大大缩短了试验时 间，解决了检验人员劳动强度大、工作时间长，检验 效率低等问 题，试 验 过 程 中 装 置 对 伺 服 电 动 机（加 载、卸载）控制稳定、可靠，连接工装牢固。
６ 结语
内注式单体支柱耐久性能试验自动加载装置实 现了支柱耐久性能试验升柱、降柱的自动控制，且控 制精度高、动作快、稳定性好，解决了以往试验采用 人工加载和卸载方式存在的劳动强度大、效率低的 问题。该装置适用于不同缸径、不同高度、不同工作 阻力的各系列内注式单体支柱。它的成功应用，提 升了我国内注式单体支柱耐久性能试验的自动化水 平，对我国内注式单体支柱检测装备开发具有一定 的参考价值。
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乾坤矿装的便携式螺旋支柱介绍
【联 系 人】：苏女士
【联系电话】：18075188209
乾坤矿装的便携式螺旋支柱是一款矿井临时支护设备，是矿井适用的金属单体支柱。
便携式螺旋支柱由五部分组成：上承压板、上支柱、螺杆、下支柱、下承压板。
具有轻便、结构简单、价格实惠、可回收反复使用、可远距离拆除等特点。
上承压板：
尺寸：63型号的为175mm x 175mm;
48型号的为150mm x 150mm
上承压板主要用于增大支柱与顶板的接触面积，从而加大支柱承压重量。四个触角有利于加大支柱在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。
下承压板：
下承压板尺寸与上承压板尺寸相同：
63型号的为175mm x 175mm;
48型号的为150mm x 150mm
下承压板主要用于增大支柱与底板的接触面积，从而加大支柱承压重量。中心的回环有利于加大支柱下承压板与下支柱的契合，加大在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。
上支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于下支柱，上支柱稍长。
下支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于上支柱，下支柱稍短。
支柱常用的规格型号有：1.5米，1.8米，2.米，2.5米，3米，3.5米。
便携式螺旋支柱的含义：以1.5米为例，金属钢管直径有48和63两款，最高支撑高度为1.5米。该款支柱可支撑1-1.5米范围内的任意高度，其他以此类推。
钢管直径越大，支柱承重越大，可支撑高度越高；支柱高度越高，支柱承重越小。
螺杆：
支柱的螺杆由螺纹钢特制而成。
特制螺杆，尺寸为80厘米，安装在支柱上以后主要用来保证支护的升缩，一般升缩在50厘米之间。我们确认的型号为拉升后可支撑的高度，比喻63-3.5.就是这根支柱最高可支撑3.5米的高度，最低可支撑3米的高度，之间可以拧动螺杆拉升，可以支撑3-3.5米之间的任意高度。
在螺杆的中间有4个齿状设计，主要是方便员工使用时升缩方便。
乾坤矿装的这款便携式螺旋支柱，参数经过多次试验和客户使用数据验证的，正是因为这个原因，乾坤矿装的这款支柱不能超高度超承载能力使用，超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故；也正因为这个原因，本着客户至以上，一切从客户的利益出发的原则，乾坤矿装不提供定制和特殊规格的制作。为此，很多客户不理解，指责我们不满足客户需求。
其实，这款支柱自从研发十年来，我们的客户遍布全国各地，得到了客户的一致好评，虽然我们拒绝过不少的客户，但十年来，我们从没有因为质量和使用问题接到客户投诉，是一款轻便、简单、实用、实惠的好产品。
便携式螺旋支柱适用范围：
1、所有采场风爆工、出渣工、支护工作业时；
2、顶板破碎、倒三角节理发育、岩石不稳固的掘进工程作业时；
3、巷道破碎进行永久支护前。
便携式螺旋支柱使用方法和要求：
1、作业人员经过通风 、洒水、处理完松石后方可进行螺旋支柱支护；对上盘不稳固的采场要用锚杆和螺旋支柱结合支护。
2、支护时首先要根据矿体倾角或岩石破碎情况选择好支柱使用地点，在支柱的上下端均垫加长度适宜的木板，沿进入作业面的方向向前逐根支护，调整支柱顶住顶底板，用套管将丝杠拧紧确认无误后，方可进行作业。对当场用两根撬棍也无法撬下、需动炮处理的松石，对顶板破碎及上下盘围岩滑帮比较明显的采场，对上部有采空区的地点，必须进行加密支护。
3、便携式螺旋支柱支护时必须根据作业面的采幅宽度和顶板压力来确定使用支柱的数量，每个矿房不少于15根螺旋支柱。2米以上采幅采用双排支柱支护，1.5米以下的采幅采用单排支护，但不论是单排还是双排支柱支护，顶部都必须加承压板、木板等护住顶板，以加大接触面积。
4、便携式螺旋支柱不能超高度超承载能力使用（具体要求见附表），超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故。
5、作业过程中，作业人员要经常检查丝杠松紧和顶板变化情况，及时将支柱拧紧，确保作业安全。
6、风爆工装药结束后，要按顺序由前向后依次拆卸支柱并清点数量；拆卸支柱时要及时观察顶板变化情况，发现异常立即停止拆卸，迅速撤离。
7、出渣工和支护工作业完毕后，须对丝杠重新紧固确认无误方可离开作业现场。撤下来的支柱须将螺母调至最低点，将丝杠置于套管内进行防护。
便携式螺旋支柱使用规定
1、无论作业现场的岩石结构是否存在危险，出渣工、风爆工在进行采矿或掘进作业时必须使用、支护工在顺路支护时必须使用、使用时必须按照上述方法规范支护。
2、把螺旋支柱的使用作为作业现场安全确认的重要内容，带班长或跟班领导必须在确认卡上填写支柱使用情况。
3、螺旋支柱要作为工具进行管理，要及时涂油防锈。使用时必须轻拿轻放，不得随意乱扔。
4、支柱外表出现损伤（如开裂、压扁、明显弯曲等）不能继续使用。
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