液壓支架用閥試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于振子

(1.中國(guó)平煤神馬集團(tuán) 煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467099；2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司 煤炭開采利用研究院，河南 平頂山 467099)

液壓支架的工作可靠性直接影響采掘面生產(chǎn)效率和人員及設(shè)備安全。隨著煤炭市場(chǎng)的萎縮和低迷，液壓支架用閥的維修再制造行業(yè)得到了很大發(fā)展，技術(shù)要求也大大提高[1-3]。

目前，煤礦對(duì)于各類損壞閥門大多委外進(jìn)行維修和檢驗(yàn)，但存在費(fèi)用高、工期長(zhǎng)、檢測(cè)手段單一等問(wèn)題，也嚴(yán)重影響維修質(zhì)量和使用效率[4-6]以及煤礦液壓輔助配件的正常使用與工作安全。本文新設(shè)計(jì)的液壓支架用閥試驗(yàn)臺(tái)可用于各種閥門，如安全閥、止回閥、控制閥、單向閥等閥類的快速檢測(cè)試驗(yàn)，測(cè)試流程完全符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)定，同時(shí)有效提高了檢測(cè)的效率和質(zhì)量。

1 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)原則

液壓支架閥試驗(yàn)臺(tái)的總體設(shè)計(jì)原則如下:

(1)高精度、高性能。對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和制造均提出較高的精度和性能要求。作為一種高壓力、大流量工況下的試驗(yàn)系統(tǒng)，必須充分考慮所用液壓元件的強(qiáng)度、密封性能以及系統(tǒng)整體性能、防泄漏能力等軟硬件要求，符合試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)操作簡(jiǎn)便。軟件設(shè)計(jì)方面，充分考慮參數(shù)測(cè)試和數(shù)據(jù)顯示、輸出、存檔的便捷性；硬件設(shè)計(jì)方面，根據(jù)人機(jī)工程學(xué)，將顯示器安裝于合理位置，體現(xiàn)操作的便捷性和舒適性。

(3)專用液壓系統(tǒng)測(cè)試。系統(tǒng)選用的液壓元件必須能夠承受試驗(yàn)系統(tǒng)最高試驗(yàn)壓力[7-8]。

(4)完善的安全防范措施。高壓液壓系統(tǒng)具有一定的危險(xiǎn)性，從原理設(shè)計(jì)出發(fā)，構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)時(shí)必須充分考慮安全性。另外，在測(cè)試操作規(guī)程編制方面，特別明確測(cè)試回路中閥門和高壓軟管的安裝等操作細(xì)節(jié)，防止緊固螺栓松動(dòng)和管道泄漏造成風(fēng)險(xiǎn)。

2 試驗(yàn)臺(tái)的組成

試驗(yàn)臺(tái)的組成包括:主試驗(yàn)臺(tái)、閥臺(tái)、液壓泵站和計(jì)算機(jī)測(cè)控柜等，總體結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

圖1 液壓支架用閥試驗(yàn)臺(tái)組成布局Fig.1 Layout of valve test bed for hydraulic support

2.1 試驗(yàn)操作臺(tái)

試驗(yàn)操作臺(tái)由液壓回路、壓力表和壓力傳感器、操作面板和測(cè)試端口5個(gè)部分組成。乳化液增壓試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置在試驗(yàn)臺(tái)底部的平板上，雙向增壓缸出口通過(guò)2個(gè)三通接頭分為3個(gè)平行分支，分別連至常閉電磁閥組。每組電磁閥中，在2個(gè)閥的中間設(shè)置一管路(P、A、B)連至液壓試驗(yàn)臺(tái)的主體上，用于連接被測(cè)閥門。每組電磁閥的正常出口與回流管連接，然后通過(guò)軟管返回到乳化液罐。油缸的出口連接到常閉電磁閥的進(jìn)口，電磁閥的出口連接到低壓溢流閥。

2.2 計(jì)算機(jī)測(cè)控柜及其原理

測(cè)控柜內(nèi)集中安裝繼電器組和集成電路板、電源等，外部設(shè)置操作按鈕、控制計(jì)算機(jī)和打印機(jī)。力矩傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等輸出的4～20 mA電流信號(hào)首先送入信號(hào)調(diào)理電路，由精密電阻轉(zhuǎn)換成2～10 V電壓信號(hào)，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；計(jì)算機(jī)發(fā)出的泵站壓力調(diào)節(jié)指令經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變?yōu)?～10 V的模擬信號(hào)，送入比例控制放大器控制比例溢流閥，實(shí)現(xiàn)工作壓力的調(diào)整和控制，以驅(qū)動(dòng)電磁閥工作或點(diǎn)亮指示燈。計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)框架Fig.2 Framework of computer measurement and control system

2.3 液壓泵站

液壓泵站主要由油箱、過(guò)濾器、液位液溫計(jì)、油泵、電機(jī)、單向閥、比例溢流閥、電磁定位閥和單向節(jié)流閥等組成。系統(tǒng)壓力由比例溢流閥調(diào)節(jié)，設(shè)置為0～25 MPa，輸出流量由閥組調(diào)節(jié)為20 L/min。通過(guò)調(diào)整流量為增壓缸改變換向。當(dāng)系統(tǒng)壓力低于設(shè)定值(6 MPa)時(shí)，2個(gè)雙向電磁閥失電，油泵輸出油液經(jīng)2個(gè)雙向電磁閥進(jìn)入液壓缸，實(shí)現(xiàn)低壓、大流量的液體供應(yīng)；當(dāng)系統(tǒng)壓力高于壓力繼電器設(shè)定值(6 MPa)時(shí)，2個(gè)電磁閥得電，油泵輸出油液通過(guò)調(diào)速閥進(jìn)入液壓缸，實(shí)現(xiàn)高壓小流量(40 mL/min)液體供應(yīng)。

3 試驗(yàn)臺(tái)主要工藝流程及原理

3.1 試驗(yàn)臺(tái)工作流程

試驗(yàn)平臺(tái)的工作壓力來(lái)自于液壓泵站，并對(duì)各種液壓閥件進(jìn)行測(cè)試，各種傳感器采集液壓試件的不同數(shù)據(jù)并傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，通過(guò)電磁閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行操作與控制。

具體步驟:啟動(dòng)電機(jī)后，油液經(jīng)泵站加壓由閥組控制流向不同液壓管路，并直接發(fā)送到測(cè)試站，通過(guò)電磁閥控制即可為各種不同性能的閥的測(cè)試檢測(cè)提供壓力油液。測(cè)試過(guò)程中，數(shù)據(jù)采集卡收集來(lái)自不同傳感器輸入的信號(hào)，然后由計(jì)算機(jī)控制中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，并監(jiān)控和顯示、打印測(cè)試結(jié)果。

3.2 試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)技術(shù)要求，需要能夠?qū)σ簤褐Ъ芨鞣N用閥進(jìn)行出廠測(cè)試，則上述閥的性能要求指標(biāo)及試驗(yàn)方法應(yīng)符合MT419標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[9-11]。液壓系統(tǒng)總體原理如圖3所示。

圖3 閥綜合試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)總體方案Fig.3 Overall scheme of hydraulic system of valve comprehensive test bed

泵站額定壓力25 MPa，輸出流量20 L/min。當(dāng)進(jìn)行閥門強(qiáng)度試驗(yàn)、需要更高的測(cè)試壓力時(shí)(大于25 MPa)，采用雙向增壓缸來(lái)提高壓力；安全閥測(cè)試，流量需求在0.04 ～0.40 L/min，而泵站流量大于1.6 L/min時(shí)，由較小流量節(jié)流閥控制進(jìn)行流量的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

由于試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)壓力較高，卸載過(guò)程中可能出現(xiàn)液壓沖擊，因此，針對(duì)電液壓力閥設(shè)計(jì)了二次卸載。在卸載控制過(guò)程中，先進(jìn)行小流量卸載，然后再進(jìn)行大流量卸載，其中小流量卸載時(shí)間長(zhǎng)度可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)二次卸載可有效削弱卸載過(guò)程中出現(xiàn)的沖擊和振動(dòng)[12-13]。

4 元件選取和匹配計(jì)算

4.1 主要液壓元件的選用

液壓系統(tǒng)主要元件的選用見(jiàn)表1。

4.2 輔件匹配計(jì)算

不同管路的液壓輔件流量差別較大，需分別計(jì)算其流量規(guī)格，通徑選取計(jì)算公式如下：

表1 液壓元件參數(shù)Tab.1 Parameters of hydraulic components

(1)

式中，q為管路流量；υ為管路最大流速。其中，進(jìn)油側(cè)流速υ≤1.5～2.0 m/s，出油側(cè)流速υ≤2.5～5.0 m/s。如進(jìn)油側(cè)壓力較低、流量較小而管路較長(zhǎng)，則取較小值，否則相反。

4.3 沖擊壓力計(jì)算

4.3.1 閥門調(diào)節(jié)時(shí)Δp變量的計(jì)算

閥門調(diào)節(jié)時(shí)Δp變量的計(jì)算方法如下。如圖4所示，如突然關(guān)閉閥門，管內(nèi)必然形成壓力沖擊。

圖4 管道中的液壓沖擊示意Fig.4 Hydraulic impact diagram in pipeline

根據(jù)動(dòng)量定理，管內(nèi)液體動(dòng)量的變化量等于所受合外力的沖量[14]，即Ft=Δυm。以A表示進(jìn)油處截面積，L為管道長(zhǎng)度，ρ為介質(zhì)密度，υ為管內(nèi)流速，壓力波從B傳到A的時(shí)間為t，則有：

(2)

以c=L/t表示管內(nèi)壓力變化時(shí)壓力波在管內(nèi)的傳播速度，則：

Δp=ρcυ

(3)

(4)

式中，K為液體的體積彈性模量；ρ為液體的密度；E為管路材料的彈性模量；d為管路內(nèi)徑；δ為管路壁厚。

在液壓傳動(dòng)環(huán)境中，管路中的液壓沖擊傳播速度為900～1 400 m/s[15]。

如閥門關(guān)閉時(shí)間tT=2L/c，則稱之為不完全沖擊或間接液壓沖擊。管路壓力升高值Δp為：

Δp=ρcυT/t

(5)

綜合考慮不同情況下的沖擊，計(jì)算出最大的Δp，則管道中的最高壓力值pmax為：

pmax=p+Δp

(6)

式中，p為管道內(nèi)正常工作時(shí)的壓力值?？梢?jiàn)，出現(xiàn)液壓沖擊時(shí)管內(nèi)最高壓力為沖擊形成前管內(nèi)原有正常工作壓力與沖擊壓力的疊加。

4.3.2 系統(tǒng)壓力損失計(jì)算

(1)沿程壓力損失的計(jì)算按式(7)進(jìn)行。

(7)

式中，λ為管路沿程阻力系數(shù)；L為管路長(zhǎng)度；d為管徑；ρ為傳輸油液密度；υ為傳輸液平均流速。

其中λ的計(jì)算需要考慮不同的工況，具體按照表2進(jìn)行。

表2 圓管紊流流動(dòng)時(shí)的沿程阻力系數(shù)λ的計(jì)算公式Tab.2 Formula of the friction factor λ for turbulent flow in a tube

(2) 局部壓力損失采用阻力系數(shù)法計(jì)算。

(8)

式中，ξ為局部阻力系數(shù)(具體數(shù)值參閱《工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊(cè)》)。

流經(jīng)閥門的實(shí)際流量非額定流量時(shí)，局部壓力損失按式(9)計(jì)算：

(9)

式中，q為流經(jīng)閥門的實(shí)際流量；qs為額定流量；Δps為額定流量下閥門的壓力損失。

4.3.3 操作臺(tái)損壓計(jì)算

(1)輸油管路沿程壓力損失。 油管內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)雷諾數(shù)計(jì)算公式為：

(10)

式中，q為進(jìn)油管的流量；d為進(jìn)油管的內(nèi)徑；μ為介質(zhì)運(yùn)動(dòng)黏度。

由雷諾數(shù)Re≈3.2×105，可知輸油管介質(zhì)為紊流狀態(tài)[15]。

輸油管沿程阻力系數(shù)λ=0.032+0.21Re-0.237≈0.038 6，則由式(7)計(jì)算出輸油管沿程壓力損失為： Δpλ=2.8×105Pa。

(2)輸油管局部壓力損失。操作臺(tái)系統(tǒng)中局部壓力損失包括過(guò)濾器損耗、電磁換向閥損耗、流量計(jì)損耗。

設(shè)定流量為其額定流量，則：Δpξ1=1.2×105Pa，Δpξ2=3.2×105Pa，Δpξ3=1.8×105Pa，Δpξ4= 3.0×105Pa。

(3)總的壓力損失計(jì)算。Δp=Δpλ+Δpξ1+Δpξ2+Δpξ3+Δpξ4=1.2 MPa。實(shí)際運(yùn)行檢測(cè)數(shù)據(jù)與上述計(jì)算基本吻合，整個(gè)系統(tǒng)壓力損耗較小，可以保證測(cè)試精度。

5 結(jié)語(yǔ)

在總體設(shè)計(jì)中，采用雙出桿液壓缸和連續(xù)動(dòng)作式加壓缸實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，根據(jù)壓力損失的精確計(jì)算對(duì)管路附件進(jìn)行合理選型，保證了各管路在不同載荷狀態(tài)下壓力損耗的使用條件。根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，能滿足所有支架用閥的測(cè)試要求，日常使用時(shí)維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低廉，為采面的安全生產(chǎn)提供了可靠保證。

(1)通過(guò)試驗(yàn)，增壓后管路額定壓力大于50 MPa，符合高頻換向的液壓測(cè)試條件，在各種測(cè)試中，系統(tǒng)壓力為標(biāo)稱壓力的1.5倍，可以達(dá)到系統(tǒng)的最大壓力值，符合要求。

(2)通過(guò)對(duì)油路輔件的合理選型，有效減小了各管線在不同載荷條件下的壓力損失，從而可滿足系統(tǒng)在正常試驗(yàn)過(guò)程中的使用要求。

(3)安全性能優(yōu)異，本系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)操作控制，改變傳統(tǒng)的手工測(cè)試，在高壓工況情況下(常用工作壓力40 MPa)，采用開關(guān)密封隱蔽隔離的方法，最大程度地防止高壓液體泄漏事故的發(fā)生。