液壓支架用方向閥特性試驗技術(shù)及裝置研究

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 檢測分院， 北京　100013； 2.國家煤礦支護(hù)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心， 北京　100013； 3.煤礦采掘機(jī)械裝備國家工程實驗室， 北京　100013； 4.煤炭資源開采與環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室， 北京　100013)

引言

液壓支架用方向閥(包括液控單向閥、換向閥、截止閥等)壓力-流量特性是其重要性能指標(biāo)，公稱流量下阻力損失特性試驗是液壓支架用方向閥型式試驗的必檢項目，也是目前方向閥試驗中不合格率偏高的重要項目[1]。據(jù)國家煤礦支護(hù)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心統(tǒng)計： 500 L/min以下方向閥阻力損失項目初次試驗不合格率超過50%，二次試驗不合格率仍高達(dá)25%～30%?？傮w來說，一方面反映出方向閥公稱流量阻力特性整體水平不高，另一方面也反映出液壓支架用方向閥生產(chǎn)企業(yè)出廠檢測水平較低。

基于此，研究超大流量液壓支架用閥阻力損失的檢測技術(shù)和開發(fā)相應(yīng)的試驗裝置，對提高行業(yè)檢測檢驗?zāi)芰?、提高閥的設(shè)計水平及質(zhì)量具有重要意義。

1　國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢

1.1　液壓閥發(fā)展概況

大流量已經(jīng)成為液壓支架用閥的發(fā)展方向[2,3]。

國內(nèi)，液壓支架用方向閥流量已從80 L/min的小流量發(fā)展到大于630 L/min的大流量[4]，最近出現(xiàn)了800 L/min、 1000 L/min，甚至2000 L/min。

國外，20世紀(jì)90年代，德國、英國等發(fā)達(dá)國家煤礦大多關(guān)閉[5]，美國對煤炭產(chǎn)業(yè)也是抑制發(fā)展，煤機(jī)技術(shù)水平基本停滯，液壓支架用方向閥通過國內(nèi)安標(biāo)檢驗的最大流量為400 L/min。

1.2　試驗技術(shù)及裝置發(fā)展概況

國內(nèi)，各大煤機(jī)廠和液壓支架用閥生產(chǎn)企業(yè)積極研發(fā)大流量閥試驗裝置，其中某廠2006年研發(fā)了500 L/min 的大流量閥試驗裝置，其大流量的實現(xiàn)方式為多泵并聯(lián)；其特點是原理簡單，但是一方面多泵并聯(lián)初次投資大，功耗大，對配電等基礎(chǔ)設(shè)施要求較高，系統(tǒng)維護(hù)困難；另一方面最大的問題是系統(tǒng)穩(wěn)定性差，控制系統(tǒng)運行的閥類元件阻力損失大、開關(guān)閥動作慢，不能真實反映大流量安全閥性能的動態(tài)特性，目前國內(nèi)安全閥生產(chǎn)企業(yè)主要依據(jù)該類試驗系統(tǒng)進(jìn)行試驗研究，制約著大流量方向閥的發(fā)展。某公司研發(fā)了1000 L/min 超大流量閥的檢測檢驗裝置，其大流量的實現(xiàn)方式為多蓄能器并聯(lián)，此方法的特點是避免了多泵并聯(lián)的缺點，但同時帶來的最大問題是流量不可控，不能完全滿足試驗要求。

國外，在液壓閥公稱流量阻力損失檢測方面其最大能力為400 L/min，試驗裝置大流量的實現(xiàn)方式為多泵并聯(lián)；對于更大流量閥的檢測，其采用描點法進(jìn)行曲線擬合得出阻力損失-流量特性曲線，進(jìn)而找到更大流量點的阻力損失值。曲線擬合法的特點是簡單易行，試驗設(shè)備投入小，但是該方法的準(zhǔn)確性較差，很大程度上是運用數(shù)學(xué)方法代替了科學(xué)試驗，不能真實再現(xiàn)閥在公稱大流量下的阻力損失特性。

液壓閥大流量阻力損失特性試驗技術(shù)與裝備已成為制約大流量方向閥技術(shù)提高的難題。

2　總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)由蓄能器、流量調(diào)節(jié)裝置、流量變送裝置及配套液壓系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1超大流量阻力損失特性試驗系統(tǒng)總體方案

以蓄能器作為流量源，通過自主研發(fā)的調(diào)速節(jié)流裝置對蓄能器釋放的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了流量在不受負(fù)載影響的條件下的可控可調(diào)；采用全新設(shè)計的流量變送裝置將經(jīng)調(diào)速節(jié)流裝置調(diào)節(jié)后的流量進(jìn)行放大，實現(xiàn)被試閥所需的超大流量，從而實現(xiàn)各種規(guī)格大流量閥的公稱流量下的阻力損失檢測。

液壓系統(tǒng)原理如圖2所示，液壓油泵站12為蓄能器1充液，使其達(dá)到設(shè)定壓力；給定信號，啟動乳化液泵站11，對增容缸3大腔充液；充液完成后，給定信號，導(dǎo)通調(diào)速節(jié)流閥組2，高壓液壓油從小腔推動增容缸3大腔乳化液，實現(xiàn)“降壓增流”，達(dá)到被試閥測定阻力損失所需的公稱流量和壓力，然后開啟電磁換向閥5，使大流量液控單向閥7反向打開，系統(tǒng)卸載。壓力傳感器9所示壓力為p，被試閥的出口接油箱，出口壓力為零，所以壓力傳感器9所示壓力p即為被試閥進(jìn)口和出口的壓降(阻力損失)；再根據(jù)位移傳感器4所示位移s，則被試閥流量Q=Ads/dt(其中A為增容缸大腔面積)，得到阻力損失-流量特性曲線。測試特殊方向閥如液控單向閥反向阻力損失時，將被試液控單向閥的控制口接于截止閥6.1的后端，并開啟電磁換向閥5.1和截止閥6.1，其他動作同普通方向閥測試。

1.蓄能器　2.調(diào)速節(jié)流閥組　3.增容缸　4.位移傳感器 5.電磁換向閥　6.截止閥　7.大流量液控單向閥　8.被試閥 9.壓力傳感器　10.單向閥　11.乳化液泵站　12.液壓油泵站圖2　液壓系統(tǒng)原理圖

壓支架用方向閥壓力流量特性檢測裝置試驗系統(tǒng)滿足GB 25974.3-2010關(guān)于壓力流量特性試驗的要求，總體參數(shù)見表1。

表1　壓力流量特性檢測裝置總體參數(shù)

3　主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1　總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對超大流量液壓支架用閥阻力損失特性試驗需要高壓大流量液壓源的技術(shù)特點，首先確定試驗系統(tǒng)的總體方案，進(jìn)而確定系統(tǒng)各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)，如圖3、圖4所示。

圖3　特性試驗系統(tǒng)總體布局圖

圖4　特性試驗系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)三維效果圖

3.2　調(diào)速節(jié)流裝置設(shè)計

在沒有任何干預(yù)的情況下，蓄能器瞬間釋放的流量巨大，直接應(yīng)用于被試閥的試驗具有流量不可控的缺點。通過自主研發(fā)的調(diào)速節(jié)流裝置，對蓄能器釋放的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，并實現(xiàn)流量在不受負(fù)載影響的條件下的可控可調(diào)，為試驗系統(tǒng)提供了受控的流量源。

調(diào)速節(jié)流裝置，基于調(diào)速閥的原理進(jìn)行二次開發(fā)重新設(shè)計。結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。高壓液體經(jīng)進(jìn)口A，流至調(diào)壓閥芯1，其通過調(diào)壓彈簧控制開度用于保持系統(tǒng)流量不受負(fù)載影響(壓差恒定)；再流至節(jié)流閥芯2，其開口為阿基米德螺線結(jié)構(gòu)，通過手輪可連續(xù)調(diào)整系統(tǒng)流量；然后流至插裝閥芯3，進(jìn)口A和控制口C與高壓液體相通，插裝閥芯3在彈簧力和壓差(面積差)產(chǎn)生的液壓力雙重作用下處于關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)口A和出口B不通；當(dāng)給定信號，電磁閥4 動作，控制口C泄壓插裝閥芯3上端壓力下降，插裝閥芯開啟，進(jìn)口A和出口B快速通流，實現(xiàn)流量在不受負(fù)載影響的條件下的可控可調(diào)。

1.調(diào)壓閥芯　2.節(jié)流閥芯　3.插裝閥芯　4.電磁閥　5.閥體 A.進(jìn)口　B.出口　C.控制口圖5　調(diào)速節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)圖

3.3　流量變送裝置的設(shè)計

由于受調(diào)速節(jié)流裝置自身流量的限制，經(jīng)該裝置調(diào)速節(jié)流后的流體流量達(dá)不到超大流量被試閥的公稱流量要求，因此必須將該流量進(jìn)行放大才能滿足超大流量的試驗要求。

流量變送裝置的作用即為流量放大，結(jié)構(gòu)主要由加載缸、增容缸、活塞套件和內(nèi)置位移傳感器等組成，其具體形式如圖6所示。

1.加載缸　2.增容缸　3.活塞套件　4.內(nèi)置位移傳感器圖6　流量變送裝置結(jié)構(gòu)圖

3.4　CAT系統(tǒng)

CAT(計算機(jī)輔助測試)系統(tǒng)即通過傳感器將壓力、流量等系統(tǒng)參數(shù)實時傳輸至計算機(jī)系統(tǒng)，通過計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，并能自動繪制和打印試驗曲線。

CAT系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成。硬件包括操作臺、工控機(jī)、智能顯示儀表、壓力傳感器、位移傳感器、高速數(shù)據(jù)采集卡、開關(guān)電源、連接線等電氣元件組成。軟件主要由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)采集子程序、界面顯示子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、打印查詢子程序等組成。系統(tǒng)框圖如圖7所示，數(shù)據(jù)采集程序面板如圖8所示。

圖7　CAT系統(tǒng)組成框圖

圖8　CAT系統(tǒng)軟件界面

3.5　測試精度理論分析

GB 25974.3中規(guī)定，測量準(zhǔn)確度采用C級，流量測量系統(tǒng)允許誤差2.5%。

本系統(tǒng)位移測量采用磁致伸縮位移傳感器：量程1000 mm，精度0.01%；增容缸缸徑280 mm；流量計取時間段為30 ms。

其流量測量絕對誤差:

Qe=LμlS/Δt=1000×0.01%×3.14×1402/30

=12.3 L/min

其中，L為量程，mm；μl為精度；S為增容缸截面積，mm2；Δt為時間段，ms。

對于1000 L/min的流量，測量相對誤差為1.23%；對于500 L/min的流量，測量相對誤差為2.46%。

若選用精度更高的0.005%、0.001%磁致伸縮位移傳感器，系統(tǒng)的測量精度可進(jìn)一步提高；同時，系統(tǒng)精度與被試閥的流量也相關(guān)，被試閥的流量越大，系統(tǒng)的測試誤差越小，精度越高。

4　應(yīng)用效果分析

大流量液壓支架用閥阻力損失的檢測檢驗裝置現(xiàn)安裝于北京采育基地煤炭科學(xué)研究總院園區(qū)支護(hù)實驗室，其運行情況良好，樣機(jī)如圖9所示。

圖9　大流量液壓支架用閥阻力損失特性試驗裝置樣機(jī)

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[6-8]，對1000 L/min的大流量液控單向閥進(jìn)行了壓力流量特性試驗性能試驗，性能曲線如圖10所示。

圖10　液控單向閥壓力流量特性試驗曲線

從圖10可以看出，在公稱流量1000 L/min條件下，被試液控單向閥的進(jìn)液阻力損失為5.9 MPa，回液阻力損失為6.4 MPa，實現(xiàn)了公稱流量下液控單向閥的阻力損失特性試驗的檢測，模擬了被試閥的使用工況，滿足了標(biāo)準(zhǔn)的要求。

5　結(jié)論

(1) 大流量液壓支架用閥阻力損失檢測檢驗裝置

的成功研制，填補了國內(nèi)空白，實現(xiàn)了千升液壓支架用方向閥阻力損失特性的檢測；

(2) 取得了關(guān)鍵技術(shù)的突破，以蓄能器作為流量源，通過自主研發(fā)的調(diào)速節(jié)流裝置和流量變送裝置，對蓄能器流量進(jìn)行調(diào)節(jié)和放大，實現(xiàn)了流量不受負(fù)載影響條件下的可控可調(diào)，滿足了被試閥公稱流量的要求；

(3) 試驗裝置作為國家科技基礎(chǔ)條件平臺和公共技術(shù)支撐平臺，為行業(yè)科研、設(shè)計、制造提供了科學(xué)工具和試驗手段，為我國液壓支架用閥的研發(fā)、性能檢測、質(zhì)量監(jiān)督提供技術(shù)支撐。

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