氣體彈簧對(duì)大流量安全閥動(dòng)態(tài)特性的影響

徐麗霞

摘 要：本文圍繞安全閥動(dòng)態(tài)特性的重要性、有關(guān)安全閥空氣彈簧模型的分析、安全閥動(dòng)態(tài)開啟特征對(duì)比研究、氣體彈簧對(duì)大流量安全閥動(dòng)態(tài)特性影響的實(shí)驗(yàn)四個(gè)方面展開討論，對(duì)氣體彈簧對(duì)大流量安全閥動(dòng)態(tài)特性的影響進(jìn)行了分析，并提出了一些作者自己的拙見，希望能夠?qū)窈蟮拇罅髁堪踩y的設(shè)計(jì)工作提供一些理論建議。

關(guān)鍵詞：氣體彈簧；大流量安全閥；動(dòng)態(tài)特性

中圖分類號(hào)：TH137 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）05-0032-01

液壓支架安全閥由于它所具備的直動(dòng)式彈簧結(jié)構(gòu)具有高度的安全性與可靠性，且結(jié)構(gòu)簡單，因此在液壓支架領(lǐng)域中得到廣泛的使用。在本論文中，筆者使用氣體安全閥對(duì)安全閥進(jìn)行建模，對(duì)其剛度以及安全閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響分別進(jìn)行了研究，并將其與傳統(tǒng)的矩形彈簧結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，創(chuàng)新了一種針對(duì)于大流量安全閥的設(shè)計(jì)模式。

1 安全閥動(dòng)態(tài)特性的重要性

在綜采工作面正常工作的過程中，當(dāng)頂板以及周期第一次發(fā)生壓力時(shí)會(huì)釋放出大量的能量，并產(chǎn)生極大的破壞力，這個(gè)時(shí)候頂板負(fù)載會(huì)呈現(xiàn)出階躍式增加，并導(dǎo)致立柱下腔的壓力急劇增加。此時(shí)，安全閥的性能好壞對(duì)于液壓系統(tǒng)的工作效率以及安全性具有極大的影響，若安全閥可以在第一時(shí)間內(nèi)使負(fù)荷得到卸載，系統(tǒng)將會(huì)快速恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)鐘。若安全閥不能夠在第一時(shí)間內(nèi)及時(shí)將負(fù)荷進(jìn)行卸載，那么很容易引起立柱下腔部分的壓力值發(fā)生急劇的增加，從而導(dǎo)致液壓相關(guān)附件被損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至可能引起支架柱損壞并造成坍塌事故的發(fā)生，使工作面無法維持正常的工作和運(yùn)轉(zhuǎn)。因此可以說，安全閥的動(dòng)態(tài)特性是考核大流量安全閥設(shè)計(jì)有效性的關(guān)鍵指標(biāo)之一，同時(shí)也是確保大流量安全閥正常工作的因素之一。

安全閥在公稱流量方面的要求，會(huì)隨著液壓支撐力以及立柱直徑大小的增加而不斷提升。此外，隨著預(yù)壓縮率的增加，大流量安全閥在彈簧力方面的要求也會(huì)越來越高，相應(yīng)的彈簧剛度、彈簧體積以及彈簧種類的要求也會(huì)逐漸增加，從而使大流量安全閥的設(shè)計(jì)與加工更具挑戰(zhàn)性，因此可以說，彈簧的剛度、體積以及種類是阻礙大流量安全閥設(shè)計(jì)發(fā)展的主要阻礙因素之一。

2 有關(guān)安全閥空氣彈簧模型的分析

一般情況下，在液壓支架中使用的安全閥均為直動(dòng)式彈簧結(jié)構(gòu)。大流量安全閥的工作原理為，當(dāng)系統(tǒng)控制壓力相比于彈簧的預(yù)壓縮力更高時(shí)，閥門會(huì)自動(dòng)進(jìn)入移動(dòng)狀態(tài)；當(dāng)統(tǒng)控制壓力相比于彈簧的預(yù)壓縮力更低時(shí)，彈簧在對(duì)閥芯施加相應(yīng)的彈力后可以使閥芯復(fù)位。在此過程中，彈簧所提供的主要是預(yù)壓縮力，在閥芯發(fā)生移動(dòng)時(shí)，彈簧力與閥芯位移量之間的比值增加。

充氣式彈簧的工作原理為，在密封容器內(nèi)部裝載著一些氮?dú)猓@些氮?dú)獾某跏級(jí)毫镻o，作用面積為A，為安全閥提供的初始張緊力為Fo。在閥芯進(jìn)口處的液壓力相比于張緊力Fo更低時(shí)，安全閥處于未開啟狀態(tài)，且空氣彈簧的閥芯保持靜止?fàn)顟B(tài)，空氣彈簧不會(huì)被壓縮；在閥芯進(jìn)口處的液壓力相比于張緊力Fo更高時(shí)，空氣彈簧的閥芯會(huì)受到液壓力的推動(dòng)作用從而對(duì)安全閥中的密閉空氣進(jìn)行壓縮，因?yàn)檎麄€(gè)壓縮周期的時(shí)間非常短暫，因此只能根據(jù)理想的氣體絕熱壓縮方程式來對(duì)這一現(xiàn)象展開分析，這個(gè)時(shí)候，壓縮空氣所形成的壓力會(huì)跟隨位置移動(dòng)的變化而不斷變化，因此可以說壓縮空氣的壓力主要是由位移因素決定的，且兩者之間必須一定的關(guān)系。

3 安全閥動(dòng)態(tài)開啟特征對(duì)比研究

根據(jù)《液壓支架用安全閥控制特性研究》一文中的相關(guān)研究內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，大流量安全閥系統(tǒng)主要是通過二階函數(shù)來實(shí)現(xiàn)響應(yīng)過程的。

這種安全閥在響應(yīng)過程中表現(xiàn)的特性主要由兩方面因素決定，分別為閥芯組件的等效質(zhì)量以及等效彈簧鋼度所對(duì)應(yīng)的固定頻率。在機(jī)械式彈簧結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動(dòng)力以及張緊力會(huì)隨著閥芯作用面積的增加而逐漸提高，因此對(duì)于彈簧剛度的要求也會(huì)越來越高，最終會(huì)致使彈簧外徑與高度增加，從而影響安全閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。另外，隨著彈簧質(zhì)量的不斷增加，可以逐漸忽略閥芯組件與彈簧質(zhì)量之間的比值，從而也成為了影響安全閥響應(yīng)特性的一大重要因素。

而充氣彈簧很好地避免了這一問題的發(fā)生，它可以借助對(duì)初始啟動(dòng)壓力以及初始密封腔閥面積的不斷調(diào)整來確保彈簧剛度具有更高的靈活性，并且它在彈簧剛度增加的過程中并不會(huì)影響到彈簧質(zhì)量。對(duì)于充氣彈簧的設(shè)計(jì)工作來說，它所面臨的最大難點(diǎn)主要在于如何在確保結(jié)構(gòu)合理的基礎(chǔ)上更好地實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)密封的安全性與可靠性。筆者以市場中最常見的機(jī)械彈簧式安全閥作為例子，并基于其中的機(jī)械彈簧設(shè)計(jì)了一個(gè)彈簧剛度完全一致的充氣式彈簧結(jié)構(gòu)，這兩種彈簧設(shè)計(jì)了諸多的參數(shù)，如彈簧剛度、閥芯重量，這些參數(shù)的大小正是決定其有效性高低的重要因素。

在得到這些參數(shù)后，需要將一些主要參數(shù)導(dǎo)入到安全閥傳遞函數(shù)當(dāng)中，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步得出動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性所形成的曲線。通過對(duì)參數(shù)的導(dǎo)入后得到的曲線進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，充氣式彈簧安全閥具有最快的響應(yīng)速度，相比于其它類型的彈簧結(jié)構(gòu)來說，充氣式彈簧安全閥具有明顯的優(yōu)勢。從數(shù)據(jù)上來看，矩形彈簧響應(yīng)時(shí)間和充氣式彈簧響應(yīng)時(shí)間分別為35ms和18ms。

4 氣體彈簧對(duì)大流量安全閥動(dòng)態(tài)特性影響的實(shí)驗(yàn)

筆者在安全閥動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)室中分別針對(duì)一千L矩形彈簧式安全閥以及空氣彈簧式安全閥的動(dòng)態(tài)特征展測試。在測試過程中，使用的調(diào)定壓力為五十兆帕，并采用動(dòng)態(tài)采集速度為3K的壓力傳感器來進(jìn)行系統(tǒng)壓力的采集工作，通過蓄能器來控制液壓缸的活動(dòng)，從而達(dá)到增加壓力的目的。

根據(jù)彈簧動(dòng)態(tài)相應(yīng)試驗(yàn)曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，空氣式彈簧安全閥在動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度上顯著高于矩形彈簧的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，充氣式彈簧安全閥只需要21MS的時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)，而矩形彈簧安全閥則需要30MS的時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)。表1為充氣式彈簧的與矩形式彈簧的整體特性對(duì)比一覽表。

5 結(jié)語

綜上所述，降低液壓支架大流量安全閥設(shè)計(jì)有效性的主要因素為機(jī)械式彈簧的結(jié)構(gòu)類型、體積大小以及重量大小。在本文中，筆者圍繞氣體彈簧的基本工作原理、彈簧剛度計(jì)算以及彈簧剛度對(duì)安全閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征的影響性幾個(gè)方面對(duì)充氣式彈簧結(jié)構(gòu)在安全閥設(shè)計(jì)過程中的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。并通過動(dòng)態(tài)測試對(duì)矩形式彈簧安全閥與充氣式彈簧安全閥之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度分布進(jìn)行了對(duì)比和分析。在這一實(shí)驗(yàn)中充分驗(yàn)證，在流量完全一致的情況下，通過對(duì)充氣式彈簧參數(shù)的有效設(shè)置，可以確保充氣式彈簧安全閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于機(jī)械式彈簧安全閥，為未來大流量安全閥的發(fā)展提供了新的研究思路及研究方向。

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