文摘
液压支架的焊接变形和开裂一直是一个重要的问题,影响产品质量和性能。为了量化的焊缝的变形反四连杆液压支架在加载条件下,实时焊缝监测系统基于敏感的光纤布拉格光栅传感器的设计。强度测试和放顶煤开采过程的循环寿命测试反四连杆与四种典型的偏心载荷进行支持,分别。强度测试结果证明了光纤布喇格光栅传感器足够精确测量液压支架的焊接变形;测量分辨率达到0.1μm。偏心载荷实验产生反向四杆扭转,特别是在顶梁是在较低的位置;的最大变形焊接是100μm。在循环测试,这一现象已被抓获,即。,the welds present a baseline shift along with the cyclic load and even jump. It indicates that the hydraulic support changes from one stable state to another stable state. This work not only provides a feasible solution for welding deformation monitoring but also provides a possibility for the whole life cycle monitoring of hydraulic supports.
1。介绍
根据最新的2019年世界能源数据统计报告提供的英国公司英国石油公司总年度全球2019年发电27004.7太瓦时。在世界化石能源用于发电,煤炭支持全球发电总量的30%,这仍然是世界能源的重要组成部分。目前,地下煤矿主要开采的综合机械化采煤,使用高度自动化”三个完全机械化采矿机,”即采煤机、刮板输送机和液压支持(1]。液压支架起着至关重要的作用,支持煤炭开采面临的屋顶和保护设备和工人的煤矿面临2]。
顶部煤炭转型的支持是最重要的一个支持设备综合机械化采煤。它的性能和质量直接决定了产出和效率的机械化放顶煤的脸3]。反四连杆机构的力学特性的过渡支持比积极的四连杆过渡的支持,这是更适合煤矿。然而,大多数的顶级煤矿面临不利的情况,如大厚度下降,复杂的地质条件,使传统的模拟很难获得力特性接近于实际应用。根据实际应用的反四连杆结构的放顶煤开采过程过渡支持地下,四连杆结构的焊缝经常变形甚至裂缝,构成严重威胁井下安全生产。
液压支架的要求由结构合理,足够支持阻力,稳定和耐冲击性,高效燃煤排放的可持续性和高煤复苏(4,5]。赵等人分析了液压支架的结构特点与箱式结构基于仿真,其结果表明结构的主要因素是应力集中导致的疲劳损伤液压支持(6]。刘,刘Junqing结构静力学分析和瞬态动力学下的液压支架强度试验基地的扭力通过ANSYS软件(7]。傅方舟子等人相比,使用自动串联双网焊接和二线天然气金属焊接(GMAW)焊接Q690钢,并指出串联双网焊接的焊接非常适合Q690用于液压支架(8]。
液压支架结构的焊接变形和开裂部分一直是一个重要的问题,影响产品质量和性能。关闭造成的工作面结构开裂的一个重要原因产品性能(用户的不满9]。液压支架结构属于多室箱形梁结构组成的盘子和概要文件。焊接是人口的数量安排;焊缝的尺寸是大;结构应力集中严重,残余应力分布复杂,导致液压支架工作在一个不稳定的状态(9,10),特别是对于液压支架放顶煤开采过程过渡与反四连杆结构。实际工作的反四连杆结构,焊缝拉伸甚至不平衡引起的裂缝顶端和地面压力不能通过仿真计算。由于复杂的布线,传统电阻应变传感器不适合长期监测地下,特别是在潮湿的环境中。
随着传感技术的发展,研究人员开始使用现代传感技术来测量压力,液压支架的应力分布、姿态变形在实际工作11- - - - - -13]。例如,位移传感器和压力传感器是现代液压支架配备量化工作阻力(14];倾斜光纤布拉格光栅(FBG)传感器设计和基于双等于强度梁用于监控液压支持的姿态15];甄和马等人报道光学光纤光栅传感器用于飞机机翼形状测量(16]。光纤传感技术是一种使用光传感技术传播路径作为媒介来感知外部压力(17),磁场(18)、温度(19)、振动(20.),和其他信息。因为它的被动,抗干扰、防腐和体积小,它已广泛应用于石化等重要领域(21)、航空(22),生物医学(23)、国防和军事24),和环境监测25]。
的变形反四连杆液压支架的焊缝在加载条件下,在本文中,我们采用了一个光纤光栅传感器测量焊缝的变形相反的四连杆。此外,我们设计了一个实时焊缝监测系统,基于光纤解调器与敏感的光纤光栅传感器和NI数据收集- 6002板,用于样本液压支架的压力。他们的内部定时器同步主机电脑。
量化焊接变形之间的关系和负载的压力在不同的工作条件,强度试验和循环寿命测试放顶煤开采过程反四连杆的支持进行了四种典型的偏心载荷,分别。强度试验的结果表明,偏心载荷实验产生反向四杆扭转;的最大变形焊接达到100μm。在循环测试中,我们发现焊接变形提供了一个基线随循环荷载转移,甚至跳跃。
2。材料和方法
2.1。光纤布拉格光栅传感器
1978年,加拿大物理学家肯·希尔首次展示了光栅效应(26]。光纤光栅的原理图所示1。强烈的紫外激光器中使用“写”系统的折射率变化成特殊光纤的核心。布喇格光栅可以实现使用精密加工方法可以创建折射率调制的光束传播方向。除了光纤光栅折射率调制的基础上,他们也可以意识到使用heterocore纤维结构、锥形结构,包层去除,微弯结构,macrobending结构(27]。然后,宽带激光光源用于传输宽带频谱以及纤维的一部分。Λ一个是常数折射率调制的名义时期;光通过光纤光栅后,一定的带宽λ一个对应于Λ一个反映。其余的光继续向前传播,反射光与入射光的光耦合器,然后光传感器用于监视反射光。当光纤光栅压缩或拉伸压力或温度,反射的光的频率会左移位λb或转变λc。因此,光纤光栅可以用作传感器感应温度和应变。
2.2。变形与光纤光栅传感器
在我们的测量,一个敏感的传感器,Osc3110,由长音符号光学公司采用。Osc3110应变计如图2,这是一个使用capacitive-discharge点焊机点焊钢。光学应变门的长度是2.38厘米,现场焊接区域排列两端的大门。Osc3110连接光纤与光纤解调器。尽管osc3110应变传感器,其结构适用于测量变形。由于光学应变之间的统一强制门,它是合理的量化对液压支架的焊接变形。
具体来说,我们使用传感器的参数来解释我们如何量化Osc3110的焊接变形。根据传感器的数据,得到五个传感器的参数表所示1FG是门的因素,λ0是名义上的波长,C1是门常数1,C2是门常数2。
方程(1介绍了应变之间的关系ε和波长位移Δλ;在这里ε来表明热诱导表观应变。的光纤光栅应变式的基础上,应对压力和温度。因此,ε来(见方程(2),是用来表达温度如何影响应变测量,Δ的地方T温度变化和CTE吗年代是13.3 ppm /°C。
实验室的温度是12°C,导致ΔT10°C。用表的值1在方程(2),我们得到62.17μm。虽然代表着一个庞大的数字,实验室的温度可以被视为常数;然后减去为零的偏见。
测量焊缝的变形,我们需要将压力转换为变形。在这里,光学应变门的长度l是2.38厘米的合理近似光学应变门一致强调;然后我们可以得到变形的表达式d如下:
到目前为止,我们已经阐述了用光纤光栅传感器测量焊缝的原则。
2.3。设置
在我们的实验中,我们使用一个反向四杆过渡支持ZFG10000/23/38放顶煤开采过程为研究对象。我们选择几个焊缝经常破裂当反四连杆在地下应用程序使用。为了清楚地表明传感器安装位置、三维模型的支持和计量点的布局如图所示3。研究变形的关键焊接反向四连杆偏心载荷实验条件下,5个光纤光栅传感器是点焊交叉焊缝及其初始波长图的左上角所示3。
揭示四连杆上的焊缝的变形如何更改与偏心载荷的加载压力实验,一个同步测量系统对液压和焊缝(图4)设计。测量系统包括一个液压测量单元和一个光纤数据采集单元,并同步时间戳的主机。在液压测量单元,压力传感器的精度0.5% F。年代和采用0-60 MPa的范围;然后NI数据收集- usb - 6002程序来捕获液压数据采样率1 kHz。在光纤数据采集单元,我们使用光学应变门Osc3120系列作为我们的传感器以及光学频谱分析仪,由MOI-ENLIGHT软件在主机电脑,捕捉光纤信号。光学频谱分析仪是一种sm125 - 500光纤光栅静态解调(由微米光学公司,美国)。其主要技术参数如下:波长扫描范围从1510纳米到1590纳米,扫描频率是2赫兹,波长分辨率是1点,采样率是1 kHz。
在一系列加载测试液压支架的主要结构部件,高和低顶梁偏心荷载测试最严峻考验反向四焊缝。在这里,我们进行四组试验:(1)左侧偏心荷载的顶梁低位置;(2)右边偏心荷载的顶梁低位置;(3)左侧偏心荷载的顶梁高位置;(4)右侧偏心荷载的顶梁高的位置。负载图和块位置如图5。
(一)
(b)
(c)
(d)
3所示。结果
3.1。液压压力测量
测量试验台的在我们的研究中进行安全访问分析和验证实验室支持设备。试验台适用于液压支架的压力和压力传感器连接到液压支架通过三通阀。两个顶梁偏心荷载实验,即。,top beam at the high position and low position, are performed, respectively. And the hydraulic pressure is recorded (shown in Figure6)介绍了图的同步测量系统4。液压压力波形图6(一)用于循环寿命测试的液压支架顶梁在一个较高的位置。从图6(一),我们可以看出波形的周期是10年代,和液压启动大约31 MPa,然后增加到43.7 MPa, 2 s,最终跌至31 MPa。此外,在图6 (b),液压随23 MPa 34 MPa,用于循环寿命测试的顶梁在较低的位置。
(一)
(b)
3.2。焊接变形偏心荷载的顶梁在一个较高的位置
我们已经详细的上方焊接变形的测量原理。研究五个焊接的变形与压力加载,我们跟踪整个过程的压力加载;即。,(1)hydraulic pressure stays zero; (2) hydraulic pressure increases slowly to 31 MPa; (3) hydraulic pressure varies periodically between 31 MPa and 43.7 MPa as shown in Figure6(一)。从图7,我们可以告诉五焊缝变形从不同的价值观,这是由压力引起的变化在液压支架在运输试验台;这里,零变化引起的温度已被抹去。图7(一)说明五焊接变形偏心荷载的顶梁在一个较高的位置,当块集在左边;可以看出,光纤光栅3和5增加积极的阶段;相反,光纤光栅1、2和4负相减少,这意味着焊接3和5拉伸和焊接1,2,4时挤压试验台提供液压压力。然而,条件是不同的图7 (b);尽管最初的焊接变形值五光纤光栅是一样的图所示7(一)块设置在右侧时,焊缝1是拉伸,焊接1,2和4都是挤压,和焊接5大约保持稳定。
(一)
(b)
根据这两组实验数据,反四连杆的力量甚至和对称顶梁在一个较高的位置时,拉伸和挤压的焊接是在20μm。因此,光纤光栅传感器测量是有效的变化反向四杆焊接;此外,它还可以用来评估的优缺点相反的四连杆结构设计。
3.3。焊接变形偏心荷载的顶梁在较低的位置
我们重复相同的测量在顶梁下降到一个较低的位置。液压压力增加23 MPa,然后慢慢变化之间的定期23 MPa和34 MPa如图6 (b)。在图8的初始值,焊接变形不同于那些在图56,特别是对光纤光栅4和5,其焊接变形延伸到120年μ米和110μm,分别。与焊缝相比变化引起的加载实验中,一个由顶梁的位置产生一个更大的焊接变形。
(一)
(b)
图8(一个)显示五顶梁的焊接变形的偏心荷载较低位置时块设置在左侧。光纤光栅3和5增加积极的阶段;相反,光纤光栅1、2和4负相减少,遵循同样的原则显示在图7(一)。然而,在图8 (b)块设置在右侧时,焊缝1和4是拉伸和焊接2,3和5都是挤压,这是不同于图7 (b)。
的结果,我们可以知道,在高、低负荷测试反四连杆,力法是不一样的,特别是当块设置在右侧。我们还可以看到一些迹象的初始状态位低加载测试,光纤光栅4和5的焊接变形是比其他的大得多,这意味着液压支架并不是处于稳定状态,并不能发现的工人像往常一样。因此,我们可以看出,光纤光栅传感器可以识别液压支架是否稳定。
3.4。循环加载测试与顶梁在一个较低的位置
查看焊接变形在循环加载测试与顶梁在一个较低的位置,我们抹去的首字母5个焊接变形。随着液压压力波形的10年代,焊接变形呈现相同的特征,尤其是对光纤光栅1、2和3所示图9。在图9(一个)一杯啤酒集左边时,焊缝的最大变形1,2,3可以达到0.35μ米,而焊接的变形4和5是只有0.1μm。在图9 (b)块设置在右侧时,焊缝的最大变形1、2和3可以达到0.35μ4 m和焊缝的变形是0.15μm;然而,焊接5并不显示周期性。从图中的结果9,我们发现周期性加载压力导致弱变形的焊接,特别是焊接5。
(一)
(b)
3.5。4000年代长循环加载测试
此外,探索长期周期性加载焊缝的影响,我们监测上述四组实验4000年代。波形应用的压力试验台如图6。在这里,我们也进行四组试验:(1)右侧偏心荷载的顶梁高位置;(2)右边偏心荷载的顶梁低位置;(3)左侧偏心荷载的顶梁高位置;(4)左边的顶梁偏心荷载较低的位置。
的比较(1)和(2实验结果如图10。我们可以告诉,在近正确的偏心载荷试验在4000年代,几乎没有累积变形的五个焊接。位低实验的同时,正确的偏心载荷,只有焊接2的基线慢慢改变随着时间的推移,和其他焊接没有明显改变。
(一)
(b)
与此同时,的比较(3)和(4)实验结果如图11。我们可以发现,近实验的偏心载荷,在4000年代,焊接3和5描绘轻微随着时间累积变形;特别是焊缝的基线5从−0.1不等μm + 0.1μm。另一方面,位低实验的偏心载荷,焊接1,4,5呈现显著的累积变形;最大的转变基线出现在焊缝4,这从−0.1不等μm + 0.3μm。此外,在虚线区域,我们发现跳五焊接几乎同时出现。由于焊接后保持原来的蠕变规律跳,这几乎不可能跳焊由弱造成的裂缝。在这里,我们认为相反的四连杆结构状态变化到另一个平衡的力量,一个更加稳定的状态下长期负载。
(一)
(b)
4所示。讨论
早在1900年,Barczak指出,液压支架的设计应该尽量减少应力集中28]。虽然电子应变仪一直用于监测结构变化,他们有时缺乏必要的耐用性和完整性提供准确,长期可操作的信息。FBG-based光纤应变仪提供各种优势电子应变仪。
在全国煤矿支持设备质量监督检验中心,光纤光栅传感技术用于实现在线监测液压支架焊接的加载试验。结果是可靠的,证明它足够精确测量光纤光栅传感器的焊接变形。虽然当前液压支架测试标准不提出要求,焊缝的实时监控,是否当前中国测试标准或欧洲测试标准作为手动检查焊缝开裂的程度不可或缺的项目。我们的研究提供了一个可行的解决方案液压支架焊缝的实时监控,是否在测试阶段或实用阶段。
由于复杂的液压支架的结构和各种类型的焊接,在接下来的研究中,焊缝测量传感器适用于各种飞机的发展和角度是一个迫切需要解决的问题。
循环测试,焊接提供一个基线随循环荷载转移。它表明了液压支架的变化从一个稳定状态转移到另一个稳定状态。这个实验结果表明焊缝监测可以提供必要的反馈信息的合作支持液压支持。
5。结论
本文采用商用光纤光栅传感器测量反向四连杆液压支架的焊接变形。一个同步测量系统设计,其中包含一个液压测量单元和一个光纤数据采集器。
的焊接变形相反的四连杆在偏心荷载试验,强度试验和循环寿命测试放顶煤开采过程反四连杆的支持进行了四种典型的偏心载荷,分别在全国煤矿设备质量监督检验中心的支持。
根据结果,我们可以得出以下几点:(1)光纤光栅传感器是足够准确测量焊接变形;测量分辨率达到0.1μ米(2)在高、低负荷测试反四连杆,力分布是不一样的;焊接变形引起的顶梁位置的变化大于焊接变形引起的加载测试(4)连续长期加载将导致焊缝显示基线转变甚至跳跃到另一个稳定状态
数据可用性
研究人员可以从相应的作者通过获得的数据(电子邮件保护)。
信息披露
这篇文章已经发表在给出的预印本https://www.researchsquare.com/article/rs-607237/v1。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者要感谢Junhui王对他的建议和帮助对液压支架的三维模型。这项研究是由中国国家自然科学基金(批准号。5207415,5207415,51974159),天地科技有限公司有限公司技术创新基金(批准号。kj - 2021 kcm - 05和2020 - td - zd005),山东省重点研发项目(批准号2019 sdzy04)。