液壓支架用高壓大流量液壓元件綜合性能試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

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(華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院液壓氣動(dòng)技術(shù)研究中心， 湖北 武漢 430074)

引言

液壓閥是煤礦液壓支架中十分關(guān)鍵的控制元件，其性能好壞直接影響著采煤機(jī)械的工作性能、安全性及可靠性。因此，每種液壓支架用閥必須經(jīng)過(guò)相應(yīng)的型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)且取得煤安標(biāo)認(rèn)證后方能投放市場(chǎng)。為適應(yīng)我國(guó)加入世界貿(mào)易組織后對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化工作要求，促進(jìn)國(guó)際貿(mào)易和交流，提高我國(guó)液壓支架液壓技術(shù)水平， 2011年中國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局發(fā)布了液壓支架用閥的新標(biāo)準(zhǔn)[1]。與1995年制定的MT419-1995《液壓支架用閥》舊標(biāo)準(zhǔn)相比，新標(biāo)準(zhǔn)增加了新的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容且要求更加嚴(yán)格。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)液壓支架用閥的壓力等級(jí)和流量規(guī)格也在最近幾年迅速提升。因此，國(guó)內(nèi)對(duì)既能滿足新標(biāo)準(zhǔn)要求、又能勝任高壓大流量液壓支架用閥試驗(yàn)要求的試驗(yàn)臺(tái)有十分迫切需求。

國(guó)外對(duì)于高壓大流量液壓支架用閥試驗(yàn)臺(tái)的研究報(bào)道較少；國(guó)內(nèi)的一些高校和研究所已設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了不同類(lèi)型的液壓支架用閥試驗(yàn)臺(tái)。例如焦作工學(xué)院研制的試驗(yàn)臺(tái)利用增壓缸為系統(tǒng)提供高壓，但不能測(cè)試高壓大流量閥[3]；中煤科工集團(tuán)上海研究院研制的試驗(yàn)臺(tái)最大流量只有200 L/min[4]。2007年某大學(xué)按照MT419-1995標(biāo)準(zhǔn)的要求，為某公司研制了壓力56 MPa、流量500 L/min的液壓支架用閥綜合性能試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)直接采用高壓泵做動(dòng)力源[5]。

為了滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求及提升試驗(yàn)臺(tái)的流量規(guī)格，設(shè)計(jì)了額定壓力為56 MPa，最大流量為1000 L/min高壓大流量液壓元件綜合性試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中關(guān)鍵液壓元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化來(lái)減小試驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)和噪聲，利用基于板卡采集的方式設(shè)計(jì)了該試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)。

1 試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)的液壓系統(tǒng)原理如圖1所示，該試驗(yàn)臺(tái)按

照模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的要求將試驗(yàn)臺(tái)分為強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)1、強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)2和型式試驗(yàn)臺(tái)3個(gè)子試驗(yàn)臺(tái)，其中型式試驗(yàn)臺(tái)中包括4個(gè)模塊。該試驗(yàn)臺(tái)涵蓋了高壓大流量安全閥(35～50 MPa、0～500 L/min)和大流量液控單向閥、截止閥與換向閥(0～1000 L/min)所有測(cè)試項(xiàng)目。

該試驗(yàn)臺(tái)的介質(zhì)為乳化液，按照水：油=95∶5配置而成；動(dòng)力單元由7臺(tái)額定壓力為56 MPa和2臺(tái)額定壓力為31.5 MPa的三柱塞泵組成，系統(tǒng)最大壓力56 MPa，系統(tǒng)最大流量為1085 L/min。強(qiáng)度試驗(yàn)臺(tái)1和2主要對(duì)成熟產(chǎn)品進(jìn)行出廠檢驗(yàn)項(xiàng)目，不做流量要求。其中，自主研制的雙向增壓缸可以滿足壓力超出了泵站額定輸出壓力的試驗(yàn)項(xiàng)目(如各類(lèi)閥的強(qiáng)度試驗(yàn))；為使高低壓密封試驗(yàn)項(xiàng)目可分時(shí)進(jìn)行且不發(fā)生相互干擾，設(shè)計(jì)了具有兩級(jí)調(diào)壓的調(diào)壓?jiǎn)卧?，第一?jí)調(diào)壓由額定壓力為25 MPa的溢流閥構(gòu)成，第二級(jí)調(diào)壓由二位二通電磁換向閥和低壓溢流閥組成。型式試驗(yàn)臺(tái)主要用于完成新開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的型式試驗(yàn)中一定流量和壓力的試驗(yàn)。其中，流量控制單元硬件由PLC、變頻器、流量傳感器和電氣控制回路組成，軟件是按照自適應(yīng)模糊PID控制算法設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)， 用其來(lái)控制1個(gè)泵的流量，通過(guò)泵之間的組合達(dá)到不同測(cè)試項(xiàng)目的不同流量要求。上述3個(gè)子實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有相同的卸載單元和測(cè)控系統(tǒng)，卸載單元分為局部回路卸載和泵站卸載兩種，分別由帶尾部減振槽閥芯的插裝閥和帶緩沖閥的卸荷溢流閥組成；測(cè)控系統(tǒng)采用基于板卡的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，可以完成液壓系統(tǒng)的控制、信號(hào)的檢測(cè)和數(shù)據(jù)的采集與后處理。

1.乳化液池 2.過(guò)濾器 3.液壓泵站 4.安全閥 5.單向閥 6.蓄能器組 7.二位二通電磁換向閥 8.截止閥 9.卸荷溢流閥10.節(jié)流閥 11.壓力傳感器 12.溢流閥 13.二位三通電液閥 14.二位二通電液閥 15.三位四通電磁換向閥 16.雙向增壓缸17.單向節(jié)流閥 18.液控單向閥 19.穩(wěn)壓罐 20.被試閥 21.立柱支架 22.流量傳感器圖1 煤礦支架用高壓大流量液壓元件綜合性能試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理圖

2 試驗(yàn)系統(tǒng)關(guān)鍵元件設(shè)計(jì)

對(duì)于高壓大流量試驗(yàn)臺(tái)而言，在系統(tǒng)加載和卸載過(guò)程中會(huì)存在較大的液壓沖擊和振動(dòng)，為此，設(shè)計(jì)了帶尾部減振槽閥芯的插裝閥和帶緩沖閥的卸荷溢流閥。

2.1 插裝閥的設(shè)計(jì)與優(yōu)化仿真

本設(shè)計(jì)的高壓大流量液壓換向閥采用了先導(dǎo)控制式的插裝閥結(jié)構(gòu)，其先導(dǎo)閥采用HAWA小通徑高壓電磁球閥，插裝閥主閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。在插裝閥主閥芯上設(shè)置了減振尾及減振槽，通過(guò)減振槽過(guò)流面積的變化，控制插裝閥出口封閉容腔(加載過(guò)程)或入口封閉容腔(卸載過(guò)程)壓力變化的梯度，進(jìn)而達(dá)到減小沖擊和振動(dòng)的目的。

圖2 插裝閥主閥的結(jié)構(gòu)原理圖

采用遺傳算法以及AMESim和MATLAB聯(lián)合仿真，在保持四種減振槽長(zhǎng)度一致的情況下，分別對(duì)U形槽、三角槽、矩形槽和三角矩形槽四種閥芯尾部開(kāi)槽結(jié)構(gòu)的槽子寬度和深度等幾何尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。圖3是經(jīng)過(guò)優(yōu)化后具有不同減振槽的插裝閥所對(duì)應(yīng)的被試閥入口壓力梯度曲線。圖3的仿真結(jié)果表明，U形槽對(duì)應(yīng)的壓力梯度曲線的極值大大低于其他幾種減振槽，且其曲線平緩，故減振效果是最好的。這是因?yàn)榕c其他幾種減振槽相比，U形槽閥口的過(guò)流面積開(kāi)始變化相對(duì)緩慢，慢慢趨于穩(wěn)定，當(dāng)閥口完全打開(kāi)后再快速變化，導(dǎo)致U形槽的壓力梯度上升較緩慢且極值較小；而矩形槽的過(guò)流面積開(kāi)始變化比較劇烈，導(dǎo)致壓力梯度上升過(guò)快，三角矩形槽和三角槽的過(guò)流面積開(kāi)始階段變化較小而閥口完全打開(kāi)后過(guò)急劇增加導(dǎo)致壓力梯度急劇上升?；诶碚摲治鼋Y(jié)果，插裝閥尾部采用了U形減振槽的結(jié)構(gòu)。

圖3 不同減振槽的插裝閥所對(duì)應(yīng)被試閥入口壓力梯度曲線

2.2 帶緩沖閥的卸荷溢流閥的設(shè)計(jì)與仿真

圖4為帶有緩沖閥的卸荷溢流閥，其公稱壓力為60 MPa，公稱流量為1000 L/min。它由先導(dǎo)溢流閥、二位二通電磁先導(dǎo)閥、緩沖閥和主閥組成。

1.主閥體 2.主閥套 3.先導(dǎo)閥座 4.先導(dǎo)閥芯 5.緩沖閥體6.緩沖閥芯 7.緩沖閥彈簧 8.先導(dǎo)閥彈簧 9.先導(dǎo)閥彈簧座10.先導(dǎo)閥閥體 11.先導(dǎo)閥導(dǎo)向套 12.主閥閥芯 13.主閥彈簧14.主閥阻尼孔圖4 帶緩沖閥的卸荷溢流閥結(jié)構(gòu)圖

先導(dǎo)閥用于設(shè)定和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作壓力，與傳統(tǒng)的先導(dǎo)溢流閥相比，其先導(dǎo)閥芯和先導(dǎo)閥彈簧座能夠隨著導(dǎo)向套移動(dòng)，這樣在先導(dǎo)閥芯的末端將形成了一個(gè)阻尼腔，它能增加先導(dǎo)閥的運(yùn)動(dòng)阻尼并改善動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

電磁閥和緩沖閥主要用于泵站低壓?jiǎn)?dòng)和對(duì)系統(tǒng)卸載的控制。當(dāng)電磁閥失電時(shí)，緩沖閥閥芯被彈簧座和緩沖閥調(diào)節(jié)螺釘限位，此時(shí)系統(tǒng)在溢流閥的設(shè)定壓力下工作；當(dāng)電磁閥得電時(shí)，P口和T口接通，緩沖閥左端面的壓力被卸掉，閥芯在彈簧的作用下左移，受錐閥閥口和閥芯上的溝槽的節(jié)流作用而形成緩沖過(guò)程，可以減小因突然泄壓而造成的沖擊和振動(dòng)，調(diào)節(jié)緩沖閥的調(diào)節(jié)螺釘可以改變緩沖閥閥芯行程和彈簧壓縮力，從而改變卸荷時(shí)間以及緩沖效果。

基于AMESim的建模仿真，得到如圖5所示的卸荷溢流閥在有緩沖閥和無(wú)緩沖閥時(shí)的入口壓力梯度對(duì)比曲線。與不帶緩沖閥的溢流閥比較，帶緩沖閥的溢流閥在卸載過(guò)程中，閥入口壓力梯度絕對(duì)值的極值從12490 MPa/s下降到2745 MPa/s。顯而易見(jiàn)，緩沖閥能夠有效地減少卸荷過(guò)程中的沖擊振動(dòng)。

圖5 有無(wú)緩沖閥的卸荷溢流閥入口壓力梯度曲線

3 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試

該試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，3個(gè)子試驗(yàn)臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)相同，且相互獨(dú)立以減少控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，同時(shí)可使個(gè)試驗(yàn)臺(tái)能夠同時(shí)工作。每個(gè)子系統(tǒng)的測(cè)控軟件均采用下拉菜單式結(jié)構(gòu)，用戶可選擇相應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目及其測(cè)控界面。下面以型式試驗(yàn)臺(tái)為例進(jìn)行介紹說(shuō)明。

3.1 測(cè)試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)介紹

圖6為型式試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，測(cè)控系統(tǒng)采用工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和繼電器輸出卡組合的方式。硬件選擇上，依據(jù)測(cè)控系統(tǒng)的精度和模擬量輸入要求，采用12位分辨率和16路A/D通道的PCL-818HG多功能數(shù)據(jù)采集卡；開(kāi)關(guān)量控制采用8路繼電器輸出的PCL-725繼電器輸出卡。

各類(lèi)傳感器采集的模擬量一方面?zhèn)鬟f給二次儀表，供現(xiàn)場(chǎng)人員監(jiān)視；另一方面，經(jīng)濾波之后輸送到數(shù)據(jù)采集卡，并傳輸給工控機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和曲線繪制，進(jìn)行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)顯示。工控機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)繼電器輸出卡通過(guò)接線端子板控制電磁鐵的動(dòng)作順序，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓回路的時(shí)序控制，以完成不同的測(cè)試項(xiàng)目。

圖6 型式試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及應(yīng)用

圖7為型式試驗(yàn)臺(tái)中液控單向閥沖擊壓力試驗(yàn)測(cè)試界面，其他項(xiàng)目的測(cè)試界面大體相同。試驗(yàn)前首先要填寫(xiě)基本信息和采樣設(shè)置，然后進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試，之后進(jìn)入正式試驗(yàn)階段。測(cè)控軟件將數(shù)據(jù)采集卡所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波處理和曲線繪制，并可以對(duì)圖形和數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。軟件中提供了緊急停止、傳感器標(biāo)定和卸載等功能，并可以對(duì)已保存數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線繪制和打印等后處理。

利用該試驗(yàn)臺(tái)對(duì)試驗(yàn)要求項(xiàng)目進(jìn)行了調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，其中圖7中給出了液控單向閥沖擊壓力的實(shí)驗(yàn)曲線。被試閥的公稱壓力為35 MPa，由測(cè)試結(jié)果與試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較可知，最大沖擊壓力滿足不超過(guò)公稱壓力的115%的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際卸載時(shí)間為1.4 s，滿足卸載時(shí)間不大于2 s的標(biāo)準(zhǔn)， 說(shuō)明被試液控單向閥在卸載

圖7 液控單向閥沖擊壓力試驗(yàn)測(cè)試界面和測(cè)試結(jié)果

過(guò)程的沖擊壓力特性滿足要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的試驗(yàn)臺(tái)及其測(cè)控系統(tǒng)能夠滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

研制的煤礦液壓支架用高壓大流量液壓元件綜合性能試驗(yàn)臺(tái)能夠完成安全閥、換向閥、截止閥和液控單向閥的型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)。對(duì)該試驗(yàn)系統(tǒng)的插裝閥和卸荷溢流閥等主要元件進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，以降低系統(tǒng)加載和卸載時(shí)的壓力沖擊和振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)控系統(tǒng)可以滿足該試驗(yàn)臺(tái)的需求。該試驗(yàn)臺(tái)的研制不僅為煤礦液壓支架用閥的型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)提供了有效的試驗(yàn)手段，而且促進(jìn)了該類(lèi)液壓閥質(zhì)量的提高。

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