跑道形卸油孔高壓大流量安全閥設計及性能分析

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(中國礦業(yè)大學， 江蘇 徐州 221116)

引言

高壓大流量安全閥是煤礦用液壓支架的主要基礎件和關鍵控制件，在工作中用于立柱液壓回路中，主要功能是防止立柱過載。在煤礦井下，經(jīng)常遇到突然來壓的危急工況，要求安全閥能夠迅速卸載支架立柱下腔的高壓大流量液體，因此高壓大流量安全閥工作是一個瞬間的沖擊過程[1,2]。

高壓大流量安全閥主要由閥體、閥芯、彈簧、密封件等主要部件組成，其中閥芯是安全閥最重要的部件[3]。目前從市場搜集以及查閱相關資料總結發(fā)現(xiàn)安全閥閥芯的卸油孔主要采用單排、雙排或者是四排圓孔組成。由于工作性能要求安全閥具有較強的卸載能力，且安全閥的卸載能力與安全閥卸油面積正相關，因此安全閥卸油孔的形狀、布局以及卸油總面積對安全閥的卸載性能起著關鍵作用。通過設計新型泄油孔來提升泄油總面積，進而提升安全閥的卸載能力。

1 高壓大流量安全閥工作原理

高壓大流量安全閥在液壓支架回路系統(tǒng)中的工作原理如圖1所示。當液壓支架的立柱5下腔工作壓力低于高壓大流量安全閥3的開啟壓力時，安全閥處于關閉狀態(tài)；當工作面頂板7產(chǎn)生沖擊載荷時，壓力會迅速傳遞到立柱內(nèi)腔，造成立柱內(nèi)腔的壓力迅速上升，直至達到大流量安全閥的開啟壓力時，安全閥迅速開啟，立柱中被壓縮的高壓液體從閥口流出，立柱活塞向下滑動，支架迅速卸載并且讓壓，使立柱和液壓支架免受沖擊載荷的破壞；立柱下腔的壓力低于開啟壓力時，大流量安全閥關閉，確保立柱下腔有一定壓力實現(xiàn)對頂板的支護作用。

1.液壓泵 2.換向閥 3.大流量安全閥 4.液控單向閥 5.液壓支架的立柱 6.壓力表 7.頂梁 8.底座圖1 安全閥在液壓支架系統(tǒng)中的簡化回路

2 跑道形卸油孔安全閥設計

本研究擬設計的高壓大流量安全閥參數(shù)和性能指標如下：

額定流量：1000 L/min；

工作壓力：40～55 MPa；

工作介質(zhì)：高水機乳化液，95%中性水，5%乳化油。

根據(jù)小孔節(jié)流公式(1)、(2)求出卸油總面積，結合閥芯的密封布局和總體結構尺寸，設計了跑道形卸油孔閥芯。

(1)

(2)

式中,Cd—— 流量系數(shù)

d—— 進油口直徑，mm

x—— 開口量，mm

Δp—— 進出口壓差，MPa

ρ—— 高水基密度，kg/m3

A—— 有效過流面積，mm2

由于高壓大流量安全閥的結構和工況特殊性，閥芯的入口處有較大壓力損失，且在穩(wěn)定卸載時，閥芯排油孔處由于溢流的原因，閥芯內(nèi)部壓降也較大，因此，在入口壓力為40 MPa時，閥的進口壓力和出口壓力之差Δp的實際值并非為40 MPa，依據(jù)經(jīng)驗預估壓力損失為25 MPa[4]。當Cd取0.6，q取值1000 L/min時，計算得有效卸油面積A=124.2 mm2。根據(jù)計算結果，取閥芯內(nèi)徑d1= 9mm，閥芯外徑d2= 13 mm，設計卸油孔形狀為跑道形狀，具體如圖2所示，卸油孔共2排，每排10個，卸油孔圓形部分直徑為2 mm，兩圓心距離為3 mm，總卸油面積為182.8 mm2。該跑道型卸油孔閥芯與同類閥芯相比，在閥芯整體尺寸相同的情況下，具有較大的卸油面積。

圖2 閥芯結構簡圖

根據(jù)閥芯結構尺寸，設計了直動式高壓大流量安全閥，該閥主要由閥套1、閥芯2、密封圈3、彈簧座4、彈簧5、調(diào)壓堵6和閥體7等組成，具體實物如圖3所示。該閥采用動靜密封相結合的密封方式，閥前端設有帶有阻尼性質(zhì)的過渡孔，接口方式采用螺紋連接。

1.閥套 2.閥芯 3.密封圈 4.彈簧座 5.彈簧 6.調(diào)壓堵 7.閥體圖3 高壓大流量安全閥實物圖

3 蓄能器-增壓缸實驗臺

本研究采用蓄能器-增壓缸快速加載實驗臺對設計的高壓大流量安全閥進行性能實驗，該實驗臺現(xiàn)場布局如圖4所示，主要由泵站、操作臺、蓄能器、插裝閥組、控制柜組成。實驗過程主要分為充液和沖擊加載兩個階段，在這兩個階段中，可以通過油泵、乳化液泵、

圖4 實驗臺現(xiàn)場布局

蓄能器以及增壓缸的壓力表進行實時監(jiān)控，此外，被試安全閥的壓力和流量等關鍵參數(shù)通過數(shù)據(jù)采集卡進行數(shù)據(jù)采集，并在工控機上顯示、處理和保存。

4 高壓大流量安全閥性能實驗

根據(jù)新的液壓支架大流量安全閥實驗標準GB 25974.3-2010《煤礦用液壓支架 第3部分：液壓控制系統(tǒng)及閥》的實驗要求，分別對跑道形卸油孔高壓大流量安全閥進行沖擊壓力安全性、公稱流量啟溢閉、小流量啟溢閉、密封性能實驗，以檢驗設計的安全閥各方面性能[5,6]。

1) 沖擊壓力安全性能實驗

沖擊壓力安全性能實驗設置如下：調(diào)定公稱流量為1000 L/min，開啟壓力為40 MPa，實驗臺所需蓄能器體積V=120 L，充液壓力p0=23.9 MPa，系統(tǒng)壓力上升梯度為120 MPa/s以上。各指標調(diào)定完畢后，開始沖擊試驗，沖擊瞬間壓力流量曲線如圖5所示。由圖可以看出，沖擊前安全閥閥前壓力為22.1 MPa，從安全閥閥前壓力上升開始計時，經(jīng)過12 ms達到峰值壓力53.9 MPa，此時的瞬時流量為1205 L/min，隨著蓄能器內(nèi)液體的排放，壓力呈震蕩衰減。同時可以看出，流量曲線先于壓力曲線開始升高，這是由于油液的可壓縮性導致油缸運動先于安全閥開啟，進而會造成流量上升具有一定時間的提前，產(chǎn)生虛假流量。系統(tǒng)流量經(jīng)過40 ms升至流量峰值1260 L/min，接著逐漸衰減，歷時110 ms左右后流量迅速衰減直至為零。整個過程可分成三個階段，具體如表1所示。

圖5 沖擊瞬間壓力流量曲線

通過卸載流量、穩(wěn)定性和靈敏度三個參數(shù)來衡量安全閥的沖擊性能指標[7]。

卸載流量：

表1 大流量安全閥沖擊實驗過程特征

與普通安全閥的實驗指標不同，由于此實驗系統(tǒng)是由蓄能器加載，其供液壓力隨乳化液的溢流而下降，并沒有穩(wěn)定的壓力和流量，但從圖5可以看出，在沖擊之后的穩(wěn)定階段內(nèi)，安全閥的壓力、流量曲線幾乎圍繞一條直線上下波動，即為穩(wěn)定溢流階段，為了消除蓄能器壓力、流量下降對實驗分析的影響，定義峰值壓力、峰值流量對應時刻在此直線上的壓力值為穩(wěn)態(tài)壓力和穩(wěn)態(tài)流量。由圖可知，安全閥的穩(wěn)態(tài)壓力為48.57 MPa，穩(wěn)態(tài)流量為1059 L/min。穩(wěn)態(tài)流量在很大程度上反應了安全閥的卸載流量，即穩(wěn)態(tài)流量越大卸載能力越強。

穩(wěn)定性：穩(wěn)定性可由壓力超調(diào)量和流量超調(diào)量衡量，數(shù)值越小說明閥的穩(wěn)定性能越好。根據(jù)下列公式可分別求出壓力超調(diào)量為10.9%、流量超調(diào)量為18.9%，從壓力超調(diào)量上可以看出該閥的穩(wěn)定性是非常好的，從流量超調(diào)量可以看出該閥釋放的流量較大。

靈敏度：靈敏度可由壓力上升時間和流量上升時間衡量。由圖5中數(shù)據(jù)可以得到壓力上升時間、流量上升時間分別為18 ms、24 ms。

2) 公稱流量啟溢閉實驗

公稱流量啟溢閉實驗設置如下：調(diào)節(jié)油源壓力為高壓大流量安全閥公稱壓力的1.5倍，系統(tǒng)壓力上升梯度為120 MPa/s以上，沖擊安全閥，使其溢流并在公稱流量(油源提供通過安全閥的流量為公稱流量)下溢流持續(xù)0.5 s，關閉系統(tǒng)油源，停止供液，直至壓力穩(wěn)定為止[4]。

實驗結果如圖6所示，可以計算出系統(tǒng)的壓力上升梯度為693.3 MPa/s，即點(4181 ms，1.09 MPa)到點(4882 ms，45.46 MPa)的斜率，滿足GB 25974.3-2010規(guī)定“系統(tǒng)壓力上升梯度為120 MPa/s以上”的公稱流量啟溢閉特性的實驗要求。由試驗結果可知，在壓力達到峰值后，會出現(xiàn)900 ms左右的強烈振蕩，并逐漸衰減，波動范圍在36.5～47 MPa，之后進入穩(wěn)定溢流，波動很小(±1 MPa之間)，可見該閥啟溢閉壓力也滿足GB 25974.3-2010中的規(guī)定“公稱流量大于100 L/min的安全閥，啟溢壓力最大值應不大于工作壓力的125%，最小值應不小于工作壓力的90%”的具體要求。

圖6 公稱流量啟溢閉實驗曲線

3) 小流量啟溢閉實驗

小流量啟溢閉實驗設置如下：調(diào)節(jié)油源工作壓力為安全閥工作壓力的1.2倍，向安全閥提供流量為0.04 L/min的乳化液，調(diào)定安全閥壓力至工作壓力。不斷調(diào)節(jié)油泵的工作壓力直到安全閥開啟，安全閥達到開啟3 min時，關閉系統(tǒng)油源，直至壓力穩(wěn)定為止[4]。

圖7為小流量啟溢閉實驗結果，當大流量安全閥達到開啟壓力后，由4個比較明顯的壓力波動周期，波動在38～42 MPa，分析其產(chǎn)生的原因，主要是因為在開啟的過程中，閥芯要克服彈簧力和自身的慣性力，導致存在一定的壓力震蕩，但震蕩幅值小于壓力的10%，也滿足GB 25874.3-2010規(guī)定“公稱流量小于或等于16 L/min的安全閥類，啟溢壓力最大值應不大于工作壓力的115%，最小值應不小于工作壓力的90%”。

圖7 小流量啟溢閉實驗曲線

4) 密封實驗

密封實驗設置如下：高壓密封時，調(diào)節(jié)油源系統(tǒng)壓力為安全閥90%的公稱壓力向被試安全閥供液，達到壓力時停止供液，直至壓力穩(wěn)定，記錄相應的壓力值[7]。低壓密封時，向安全閥供液2 MPa壓力，切斷供液，待壓力計穩(wěn)定后記錄相應壓力值。高低壓密封相應都持續(xù)3 min，實驗要求被試安全閥不應有壓降，經(jīng)實驗驗證，該安全閥密封性能理想，被試過程中壓力保持較好，沒有壓降。

5 結論

設計了一種跑道形卸油孔高壓大流量安全閥，該安全閥閥芯采用了跑道形狀的泄油孔，在整體尺寸不變的情況下，提升了安全閥的泄油面積。采用蓄能器-增加缸加載實驗臺對設計的安全閥分別進行了沖擊性能、公稱流量啟溢閉、小流量啟溢閉、高低壓密封性能實驗。通過實驗驗證，該安全閥具有卸載能力強的特點，同時，該安全閥各項性能都較好地滿足GB 25874.3-2010 的性能指標，綜合性能出色。

參考文獻：

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