液壓支架手動(dòng)換向閥耐久性試驗(yàn)自動(dòng)化裝置設(shè)計(jì)

趙銳

(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(yàn)中心，北京 100013；3.煤炭資源開采與環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引言

液壓支架是煤礦井下三機(jī)配套的重要組成部分[1-2]，其依靠立柱、平衡千斤頂、護(hù)幫千斤頂?shù)葓?zhí)行液壓油缸動(dòng)作及相互協(xié)作實(shí)現(xiàn)安全支撐作用[3-5]。這些動(dòng)作由安裝在液壓支架主進(jìn)液壓回路上的各組換向閥改變高壓液體流向來實(shí)現(xiàn)。液壓支架手動(dòng)換向閥是控制液壓支架執(zhí)行油缸動(dòng)作的關(guān)鍵部件[6-7]，其工作性能直接影響液壓支架支護(hù)的可靠性。因此，對液壓支架手動(dòng)換向閥質(zhì)量的檢測檢驗(yàn)非常有必要。耐久性試驗(yàn)是標(biāo)準(zhǔn)要求測試的重要檢測項(xiàng)目，與手動(dòng)換向閥井下頻繁換向工況最為貼近，對手動(dòng)換向閥綜合性能的評定至關(guān)重要。

目前，我國對手動(dòng)換向閥檢測裝置的研究較少。在用的檢測裝置是多年前開發(fā)的簡易測試裝置，采用氣缸為動(dòng)力源，通過齒輪、鏈條傳動(dòng)方式帶動(dòng)固定在手動(dòng)換向閥手柄上的工裝左右運(yùn)動(dòng)，達(dá)到耐久性試驗(yàn)的目的。由于手動(dòng)換向閥手柄在換向過程中以手柄固定端為圓心做圓周運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致鏈條軌跡不在一個(gè)平面上，經(jīng)常造成別卡，嚴(yán)重影響試驗(yàn)進(jìn)度，測試效率低。根據(jù)GB 25974.3—2010《煤礦用液壓支架 第3部分：液壓控制系統(tǒng)及閥》的要求，液壓支架A類換向閥耐久性試驗(yàn)次數(shù)為30 000次，此外，還要進(jìn)行換向性能、操作力(控制壓力、啟動(dòng)電壓)測定、壓力流量特性、背壓安全性、密封性能、強(qiáng)度等試驗(yàn)[8-9]。根據(jù)當(dāng)前試驗(yàn)?zāi)芰y(tǒng)計(jì)，每個(gè)手動(dòng)換向閥僅耐久性項(xiàng)目試驗(yàn)時(shí)間就需165.6 h，測試周期較長。

國外方面，隨著歐美國家能源結(jié)構(gòu)的改革與升級，越來越多的國家減少了煤炭的開采和使用。美國、澳大利亞等國家已將煤炭作為國家戰(zhàn)略資源進(jìn)行保護(hù)，限制開采[10-11]。在此背景下，國外液壓支架用閥檢測裝置研究也較少，鮮有報(bào)道。

鑒此，本文設(shè)計(jì)了一種手動(dòng)換向閥耐久性試驗(yàn)自動(dòng)化裝置。該裝置采用液壓油缸作為動(dòng)力，通過其往復(fù)運(yùn)動(dòng)，結(jié)合使用被試手動(dòng)換向閥手柄推拉專用工裝，實(shí)現(xiàn)被試換向閥手柄隨油缸左右擺動(dòng)，達(dá)到自動(dòng)換向目的。同時(shí)，利用專門開發(fā)的測控系統(tǒng)軟件采集被試手動(dòng)換向閥工作口的壓力信號，自動(dòng)判定是否完成了換向，通過邏輯判定后，記為1次換向試驗(yàn)，計(jì)數(shù)器逐次累加，并重復(fù)上述操作，直到完成試驗(yàn)規(guī)定的次數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測試。

1 手動(dòng)換向閥結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)原理

1.1 手動(dòng)換向閥結(jié)構(gòu)

液壓支架用手動(dòng)換向閥大多采用插裝式結(jié)構(gòu)，采用2 個(gè)兩位三通式閥芯集成在1片閥體內(nèi)部，形成三位四通式結(jié)構(gòu)。三通即進(jìn)液口P、回液口T和工作口A，通過控制不同的工作口來控制相應(yīng)的液壓缸動(dòng)作[12]。圖1為一種常規(guī)型號手動(dòng)換向閥的其中1個(gè)兩位三通式閥芯結(jié)構(gòu)。圖1的上半部分對應(yīng)于操作手柄處于中位，此時(shí)工作口A與回液口T相通；下半部分表示手柄頂桿被壓下時(shí)，工作口A與回液口T切斷，來自供液系統(tǒng)的高壓乳化液經(jīng)進(jìn)液口P，由閥芯上均勻分布的徑向小孔流向工作口A，引導(dǎo)高壓液體流向相應(yīng)的液壓缸，產(chǎn)生執(zhí)行動(dòng)作。

1-操作手柄頂桿；2-閥套；3-閥座；4-壓緊螺帽；5-閥芯。

1.2 手動(dòng)換向閥耐久性試驗(yàn)原理

手動(dòng)換向閥耐久性試驗(yàn)需要使用油源、定量油缸(容積為3 L)、壓力傳感器等，詳細(xì)試驗(yàn)原理如圖2所示。

1-油源；2-1—2-4-壓力傳感器；3-被試手動(dòng)換向閥；4-背壓閥；5-定量油缸。

具體試驗(yàn)步驟：調(diào)節(jié)油源1，以被試手動(dòng)換向閥3的公稱流量和公稱壓力向其供液，定量油缸5的容積為3 L(本試驗(yàn)僅考核換向性能，不需要測試流量參數(shù)，選用3 L定量油缸)，被試手動(dòng)換向閥3換向至工作位A口，通過3 L液體后，壓力傳感器2-3達(dá)到公稱壓力，證明A口性能正常；操作被試手動(dòng)換向閥3返回中間位置并換向至另一工作位B口，通過3 L液體后，壓力傳感器2-4達(dá)到公稱壓力，證明B口性能正常；操作被試手動(dòng)換向閥3返回中間位置。以上過程為1次工作循環(huán)，進(jìn)行15 000次工作循環(huán)，其中A類換向閥進(jìn)行30 000次工作循環(huán)[8]。只有通過規(guī)定次數(shù)的耐久性試驗(yàn)后，其各項(xiàng)性能均正常，才能判定該換向閥的可靠性滿足使用要求。

2 裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)手動(dòng)換向閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，充分考慮其手柄在換向過程中做圓周運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了手動(dòng)換向閥耐久性試驗(yàn)自動(dòng)化裝置，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。試驗(yàn)時(shí)，先將被試手動(dòng)換向閥1安裝在夾緊裝置2中，并通過調(diào)節(jié)螺母5調(diào)整手動(dòng)換向閥的位置，使之與加載油缸7近似在一條直線上。再將手動(dòng)換向閥手柄推拉專用工裝8的手柄套筒802套在被試手動(dòng)換向閥1的手柄上，完成試驗(yàn)準(zhǔn)備工作(根據(jù)需要，可在專用工裝8上增加磁吸式配重)。最后啟動(dòng)加載油缸7帶動(dòng)被試手動(dòng)換向閥在左右2個(gè)工作口來回切換，并通過專門開發(fā)的測控軟件采集被試手動(dòng)換向閥工作口的壓力信號進(jìn)行換向與否的自動(dòng)判斷。

1-被試手動(dòng)換向閥；2-夾緊裝置固定塊；3-夾緊裝置移動(dòng)塊；4-夾緊裝置移動(dòng)軌道;5-調(diào)節(jié)螺母；6-測試支撐架；7-加載油缸；801-推拉專用工裝的邊框；802-推拉專用工裝的手柄套筒；803-推拉專用工裝尾部連接桿；804-推拉專用工裝端部連接桿。

3 手動(dòng)換向力矩的計(jì)算與校核

根據(jù)GB 25974.3—2010《煤礦用液壓支架 第3部分：液壓控制系統(tǒng)及閥》的要求，手動(dòng)換向閥的操作力應(yīng)為10～130 N，即要求手動(dòng)換向閥的手柄操作力最大為130 N。以缸徑φ40 mm、桿徑φ20 mm的加載油缸為例，在5 MPa供液壓力下進(jìn)行加載油缸推拉力計(jì)算。加載油缸推力為6.28 kN，拉力為4.71 kN，均遠(yuǎn)大于手動(dòng)換向閥的操作力矩。因此，正常情況下，加載油缸的換向加載力滿足手動(dòng)換向閥耐久性試驗(yàn)的要求。

為精確計(jì)算手動(dòng)換向閥換向手柄換向所需的換向力矩，對其進(jìn)行受力分析計(jì)算，具體如圖4所示。

圖4 換向力分析

手動(dòng)換向閥的換向力Fh為加載油缸的推力Ft的分力，它們之間的關(guān)系如下：

Fh=Ftcosαsin(β-α)

(1)

式中：α為加載油缸加載力與推拉工裝的夾角，(°)；β為手動(dòng)換向閥手柄與閥體上表面夾角，(°)。

當(dāng)α、β夾角相等時(shí)，裝置處于臨界位置，即加載油缸的加載力對被試手動(dòng)換向閥的換向不起作用，其位置關(guān)系如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)裝置臨界位置

為了解決該問題，在圖3所示的專用工裝8上施加磁吸式配重，依靠磁吸式配重的重力完成換向，根據(jù)受力分析，經(jīng)計(jì)算得到重塊的最大質(zhì)量為36.7 kg。由于手動(dòng)換向閥的操作力矩一般不超過30 N，所以，現(xiàn)場重塊質(zhì)量設(shè)置為8 kg，試驗(yàn)過程非常順暢。

4 裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝置的液壓系統(tǒng)分為油液系統(tǒng)和乳化液系統(tǒng)。油液系統(tǒng)主要用于加載油缸推拉手動(dòng)換向閥手柄，乳化液系統(tǒng)提供被試手動(dòng)換向閥耐久性測試所需的壓力和流量。油液回路設(shè)置了比例流量閥，可無級調(diào)整加載油缸的加載速度，以適應(yīng)不同公稱流量手動(dòng)換向閥的試驗(yàn)要求。液壓系統(tǒng)原理如圖6所示。

SQ1，SQ 2-加載油缸行程開關(guān)；YA0-遠(yuǎn)程卸載閥電磁鐵；YA1，YA2-加載油缸換向閥電磁鐵；YA3，YA4-被試手動(dòng)換向閥電磁鐵；YD1-比例流量閥電磁鐵。

5 裝置測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝置測控系統(tǒng)軟件采用基于以太網(wǎng)的Visual Basic測控軟件編程，通過集成在測控柜上的計(jì)算機(jī)控制加載、試驗(yàn)啟動(dòng)、換向等動(dòng)作,即由計(jì)算機(jī)發(fā)出動(dòng)作指令模擬信號傳輸至執(zhí)行閥組，控制液壓油缸往復(fù)動(dòng)作，帶動(dòng)被試手動(dòng)換向閥的手柄左右擺動(dòng),以實(shí)現(xiàn)換向。通過采集定量油缸兩端壓力傳感器(2-3、2-4)的試驗(yàn)壓力信號，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后，由計(jì)算機(jī)判斷是否完成一次換向試驗(yàn)，并實(shí)時(shí)在計(jì)算機(jī)上顯示測試數(shù)據(jù)曲線及被試手動(dòng)換向閥的型號、公稱流量、公稱壓力、試驗(yàn)次數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，利用組態(tài)軟件建立人機(jī)交互系統(tǒng)，如圖7所示。利用測控軟件進(jìn)行測試控制，先進(jìn)行試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置，再通過壓力傳感器采集被試手動(dòng)換向閥工作口的壓力信號進(jìn)行比較判定，邏輯判定通過后，試驗(yàn)次數(shù)計(jì)數(shù)累加并進(jìn)行循環(huán)。測試工作流程如圖8所示。圖8中的DMA為直接存儲(chǔ)器存取(Direct Memory Access)。

圖7 人機(jī)交互系統(tǒng)

圖8 測試工作流程

6 裝置應(yīng)用

液壓支架手動(dòng)換向閥耐久性試驗(yàn)自動(dòng)化裝置于2019年1月完成樣機(jī)試制，并進(jìn)行安裝、調(diào)試、試運(yùn)行。對FHS80/31.5、FHS125/31.5、FHS250/31.5、FHSA500/31.5Z等不同公稱流量的手動(dòng)換向閥樣品進(jìn)行了測試，測試界面如圖9所示。測試結(jié)果表明，該裝置耐久性試驗(yàn)過程平穩(wěn)、流暢。由耐久性試驗(yàn)曲線可知，平均每次循環(huán)試驗(yàn)時(shí)間約為3.8 s，以A類手動(dòng)換向閥30 000次耐久性試驗(yàn)次數(shù)計(jì)算，可得試驗(yàn)時(shí)長為31.2 h，試驗(yàn)效率有了很大提高。

圖9 測試界面

7 結(jié)語

液壓支架手動(dòng)換向閥耐久性試驗(yàn)自動(dòng)化裝置以加載油缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)被試手動(dòng)換向閥的換向，結(jié)合配套開發(fā)的液壓系統(tǒng)、測控系統(tǒng)軟件控制裝置啟動(dòng)、換向、采集壓力、判斷計(jì)數(shù)等動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)被試手動(dòng)換向閥耐久性試驗(yàn)的自動(dòng)化。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、加載速度可調(diào)、試驗(yàn)效率高的特點(diǎn)，解決了手動(dòng)換向閥耐久性試驗(yàn)周期長和效率低的問題，試驗(yàn)周期由原來的165.6 h縮短至31.2 h。