液壓支架高壓大流量閥綜合試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與仿真

張嘉鷺，邵明輝

(1.江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州 221008)

0 前言

隨著煤礦大采高工作面的相繼出現(xiàn)，液壓支架也隨之向高壓大流量方向發(fā)展，這一發(fā)展趨勢也相應(yīng)影響著液壓支架用閥的研發(fā)與應(yīng)用。為促進(jìn)我國煤礦液壓支架用閥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提升，煤炭科學(xué)研究院制訂了國家標(biāo)準(zhǔn)GB 25974.3—2010《煤礦用液壓支架 第3部分：液壓控制系統(tǒng)及閥》，新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施提升了我國液壓支架高壓大流量閥的研發(fā)水平，但其試驗(yàn)臺(tái)的發(fā)展水平卻相對(duì)滯后。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者已針對(duì)液壓支架大流量閥試驗(yàn)臺(tái)開展了相關(guān)研究。捷克煤礦研究中心研制了落錘沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架立柱及支架用閥的沖擊性能試驗(yàn)，但由于沖擊之后負(fù)載迅速消除，持續(xù)時(shí)間短，沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)控制難度較大，因此未能廣泛推廣。曾偉設(shè)計(jì)了液壓支架高壓大流量閥綜合試驗(yàn)臺(tái)，采用七套高壓大流量柱塞泵對(duì)被試閥進(jìn)行加載型式試驗(yàn)，但該試驗(yàn)臺(tái)不能對(duì)安全閥公稱流量啟溢閉和沖擊壓力安全性進(jìn)行試驗(yàn)，而上述試驗(yàn)項(xiàng)目關(guān)系到安全閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。王勇設(shè)計(jì)了液壓支架安全閥試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置有增壓大流量加載系統(tǒng)，可以對(duì)500 L/min的安全閥進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊性能試驗(yàn)，但該試驗(yàn)臺(tái)同樣不能進(jìn)行公稱流量啟溢閉特性試驗(yàn)。

因此，本文作者擬研制一套安全可靠、節(jié)能高效的液壓支架高壓大流量閥綜合試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)以雙蓄能器組為輔助動(dòng)力源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分時(shí)快速加載，進(jìn)而提供大流量支架用閥承受沖擊時(shí)的壓力和流量，模擬液壓支架承受嚴(yán)重頂板沖擊的工況，能對(duì)液壓支架高壓大流量閥進(jìn)行出廠試驗(yàn)，同時(shí)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

1 試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

液壓支架高壓大流量閥試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。國家標(biāo)準(zhǔn)中所要求的液壓支架用閥各試驗(yàn)項(xiàng)目的試驗(yàn)方法如下所述。

圖1 液壓支架高壓大流量閥試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)原理

(1)安全閥小流量啟溢閉壓力試驗(yàn)

如圖1所示，安全閥進(jìn)液口接1號(hào)口，關(guān)閉蓄能器用截止閥組6，大流量插裝閥組7關(guān)閉，油泵站壓力逐漸提高至被試安全閥開啟，調(diào)節(jié)流量控制閥14，使被試閥溢流流量為0.04 L/min(通過位移傳感器及增壓比可得出)，溢流3 min后，切斷供液，至1號(hào)口處壓力計(jì)穩(wěn)定為止。該過程為安全閥小流量啟溢閉壓力試驗(yàn)的全過程。

(2)安全閥公稱流量啟溢閉特性試驗(yàn)

如圖1所示，安全閥公稱流量啟溢閉特性試驗(yàn)可分為蓄能器儲(chǔ)能階段、試驗(yàn)階段和復(fù)位階段。蓄能器儲(chǔ)能階段：安全閥進(jìn)液口接1號(hào)口，增壓缸9活塞處于大缸筒的左側(cè)初始端，油泵站1向蓄能器組5輸送液壓油，蓄能器組5儲(chǔ)能。試驗(yàn)階段：當(dāng)蓄能器組5達(dá)到預(yù)設(shè)充液壓力后，油泵站溢流閥2溢流，小乳化液泵站18對(duì)被試閥進(jìn)行預(yù)加壓，使增壓缸9小缸筒右側(cè)末端壓力為被試安全閥公稱壓力的60%；插裝閥組中電磁鐵YA3得電，兩位三通閥換向，插裝閥關(guān)閉，然后電磁鐵YA8得電，使插裝閥上端壓力下降，插裝閥閥芯快速開啟通流；由于公稱流量啟溢閉要求試驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)壓力上升梯度為120 MPa/s以上，使安全閥開啟，公稱流量溢流持續(xù)0.5 s以上；要求試驗(yàn)過程中，電磁鐵YA2先通電，經(jīng)過0.5 s后電磁鐵YA8通電，此時(shí)插裝閥7.1主閥芯開啟，YA2開啟0.2 s后電磁鐵YA3通電，經(jīng)過0.5 s后電磁鐵YA10通電，此時(shí)插裝閥7.2主閥芯開啟，插裝閥7.1和7.2同時(shí)開啟，并向增壓缸供液；經(jīng)過0.3 s后，電磁鐵YA8、YA10同時(shí)斷電，再經(jīng)過0.5 s后電磁鐵YA2、YA3同時(shí)斷電，試驗(yàn)過程結(jié)束。復(fù)位階段：操縱手動(dòng)換向閥10，使換向閥10處于左邊位置，兩位四通電磁換向閥12通電，高壓油將液控單向閥11反向打開，乳化液推動(dòng)增壓缸左移，到達(dá)起始位置。

(3)安全閥沖擊壓力安全性

沖擊壓力安全性試驗(yàn)和公稱流量啟溢閉特性試驗(yàn)基本相同，只是在試驗(yàn)階段只開啟一個(gè)插裝閥，即只使用一組蓄能器，時(shí)間完全相同，只是蓄能器的充液壓力不同。

(4)安全閥密封性能試驗(yàn)

密封性能試驗(yàn)中被試閥被試口接2號(hào)口，通過高低壓切換閥切換高壓和低壓。

高壓密封性能：高壓可以通過增壓缸對(duì)乳化液進(jìn)行加壓，達(dá)到被試閥所需高壓壓力，切斷供液，待壓力穩(wěn)定后記錄壓力值。

低壓密封性能：低壓可以通過乳化液泵站直接進(jìn)行加壓，達(dá)到壓力后切斷供液，穩(wěn)定一段時(shí)間，記錄壓力值。

(5)強(qiáng)度試驗(yàn)

被試閥被試油口接2號(hào)口，兩位四通換向閥得電，液壓油經(jīng)進(jìn)入增壓缸9左腔，通過增壓缸將乳化液增壓到公稱壓力的1.5倍，穩(wěn)壓至規(guī)定時(shí)間。

(6)開啟壓力測定

被試閥進(jìn)油口接2號(hào)口，將手動(dòng)換向閥切換到左位，調(diào)節(jié)乳化液泵站18壓力，使被試閥開啟，記錄被試閥開啟瞬間壓力傳感器的最高讀數(shù)。

(7)關(guān)閉壓力測定

被試液控單向閥進(jìn)油口接2號(hào)口，回油口接3號(hào)口，關(guān)閉3號(hào)口后面的截止閥，調(diào)節(jié)油泵站電磁溢流閥2的溢流壓力，使被試閥的壓力為公稱壓力，通過控制增壓缸前的電磁溢流閥，使系統(tǒng)迅速停止供液，被試閥進(jìn)液壓力降為0，記錄壓力傳感器在整個(gè)過程中的壓力值。

(8)控制壓力測定

被試液控單向閥回液口、進(jìn)液口和控制油口分別連接試驗(yàn)臺(tái)的2號(hào)口、3號(hào)口和4號(hào)口，調(diào)節(jié)溢流壓力，使液控單向閥回油口壓力為公稱壓力，手動(dòng)換向閥22處于右位，調(diào)節(jié)乳化液泵站24的系統(tǒng)壓力，使壓力緩慢上升到被試閥卸載，記錄被試閥卸載瞬時(shí)壓力傳感器的數(shù)值。

(9)背壓安全性

被試液控單向閥反向接4號(hào)口，進(jìn)液口及控制油口接2號(hào)口，調(diào)節(jié)乳化液泵站24壓力，接口4壓力為15 MPa，調(diào)節(jié)小乳化液泵站18壓力，使進(jìn)液口及控制油口壓力緩慢上升至8 MPa，進(jìn)行試驗(yàn)。

(10)液控單向閥密封性能

高壓密封：被試液控單向閥反向接2號(hào)口，調(diào)節(jié)泵站1壓力，通過兩位四通換向閥13、液控單向閥11及增壓缸9，使壓力逐漸升高至被試閥的公稱壓力，待穩(wěn)定后切斷供液。

低壓密封：被試液控單向閥反向接2號(hào)口，調(diào)節(jié)乳化液泵站18壓力，乳化液通過單向閥、手動(dòng)換向閥10及液控?fù)Q向閥，使接口2的壓力為2 MPa，待壓力計(jì)穩(wěn)定后，切斷供液。

2 被試安全閥數(shù)學(xué)模型

選定型號(hào)為FAD1000/40(公稱流量1 000 L/min，公稱壓力42 MPa)的安全閥為被試對(duì)象，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。閥芯上鉆有兩排直徑為的通流小孔，左端小孔數(shù)目為，右端小孔數(shù)目為，當(dāng)閥前壓力小于安全閥的調(diào)定壓力時(shí)，安全閥的通流小孔未越過閥體中嵌入的O形密封圈，故溢流量為0；當(dāng)閥前壓力超過時(shí)，通流小孔越過O形密封圈，開始溢流。

圖2 大流量安全閥結(jié)構(gòu)簡圖

(1)閥芯受力平衡方程：

(1)

(2)

式中：為閥芯質(zhì)量，kg；為彈簧質(zhì)量，kg；為閥芯上腔作用面積，m；為閥芯位移，mm；為閥芯上腔壓力，Pa；為閥芯運(yùn)動(dòng)阻尼系數(shù)；為彈簧剛度，N/mm；為彈簧預(yù)壓縮量，mm；為閥口液動(dòng)力剛度，=πsin2。

(2)閥芯的流量方程：

(3)

式中：為主閥芯溢流流量，m/s；為閥口流量系數(shù)；Δ為滑閥閥口壓力差，Pa；為滑閥閥口的過流面積，m。

(3)閥芯的流量連續(xù)性方程：

(4)

式中：為安全閥閥芯小孔溢流流量，L/min；為安全閥油口流量，L/min；為主閥芯左端容積，m；為乳化液體積模量，Pa。

3 試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)仿真分析

3.1 仿真內(nèi)容與標(biāo)準(zhǔn)

高壓大流量安全閥的沖擊壓力安全性試驗(yàn)和公稱流量啟溢閉特性試驗(yàn)是現(xiàn)有試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)過程的難點(diǎn)，也是考量液壓支架用閥試驗(yàn)臺(tái)性能的重要指標(biāo)。因此，本文作者以大流量安全閥作為仿真對(duì)象，對(duì)它進(jìn)行沖擊壓力安全性和公稱流量啟溢閉特性的仿真分析。

GB 25974.3—2010標(biāo)準(zhǔn)要求該安全閥沖擊壓力安全性的試驗(yàn)方法為：試驗(yàn)臺(tái)提供的被試閥閥前壓力須在25 ms內(nèi)由公稱壓力的60%升至公稱壓力的1.3倍；公稱流量啟溢閉特性的試驗(yàn)方法為：試驗(yàn)臺(tái)提供給被試閥的開啟壓力須高于其公稱壓力的1.5倍，且壓力上升梯度大于120 MPa/s，試驗(yàn)臺(tái)提供的流量為被試閥的公稱流量，且溢流時(shí)間持續(xù)0.5 s以上。

3.2 安全閥沖擊壓力安全性仿真

(1)仿真系統(tǒng)搭建

所搭建的安全閥沖擊特性試驗(yàn)仿真系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)中各元件仿真參數(shù)的設(shè)置如表1所示。

圖3 FAD1000/40型安全閥沖擊安全性試驗(yàn)仿真系統(tǒng)

表1 仿真模型參數(shù)設(shè)置

(2)仿真結(jié)果分析

被試安全閥FAD1000/40的公稱壓力為42 MPa。壓力、流量的仿真結(jié)果分別如圖4、圖5所示。可知：在沖擊安全性試驗(yàn)開始前，被試安全閥閥前壓力呈現(xiàn)振蕩衰減態(tài)勢，最終穩(wěn)定在公稱壓力的60%，即25.2 MPa；受液壓油液體慣性和試驗(yàn)臺(tái)各液壓元件響應(yīng)速度的影響，壓力和流量仿真曲線的上升出現(xiàn)延遲，直至0.643 s時(shí)，被試安全閥閥前壓力才開始上升，并在18 ms后由25.2 MPa上升至54.6 MPa。由此可以得出，被試安全閥閥前壓力由公稱壓力的60%(25.2 MPa)升至公稱壓力的1.3倍(54.6 MPa)所需的時(shí)間在25 ms以內(nèi)，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)GB 25974.3—2010的要求。

圖4 FAD1000/40型沖擊壓力安全性試驗(yàn)壓力曲線 圖5 FAD1000/40型沖擊壓力安全性試驗(yàn)流量曲線

3.3 安全閥公稱流量啟溢閉特性仿真

(1)仿真系統(tǒng)搭建

由安全閥沖擊壓力安全性試驗(yàn)仿真曲線可知，被試安全閥在公稱流量下的溢流時(shí)間很短，單純?cè)黾有钅芷鞯捏w積不能使被試安全閥公稱流量溢流時(shí)間持續(xù)0.5 s。因此，本文作者通過增加一組蓄能器和插裝閥，并對(duì)信號(hào)源進(jìn)行延時(shí)開啟，使通過安全閥的流量為公稱流量。所搭建的安全閥公稱流量啟溢閉特性試驗(yàn)仿真系統(tǒng)如圖6所示，各元件仿真參數(shù)設(shè)置同沖擊安全性試驗(yàn)一致。

圖6 FAD1000/40型安全閥公稱流量啟溢閉特性試驗(yàn)仿真系統(tǒng)

(2)仿真結(jié)果分析

流量、壓力仿真結(jié)果分別如圖7、圖8所示。被試安全閥在公稱流量和1.5倍公稱壓力下溢流，時(shí)間為0.5 s。由圖7可知：試驗(yàn)信號(hào)給定后，蓄能器開始供液，流量的最大值為1 123.7 L/min，且持續(xù)提供高于1 000 L/min的流量超過0.5 s，試驗(yàn)臺(tái)提供的流量符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 FAD1000/40型安全閥公稱流量啟溢閉試驗(yàn)流量曲線 圖8 FAD1000/40型安全閥公稱流量啟溢閉試驗(yàn)壓力曲線

由圖8可以看出：在試驗(yàn)信號(hào)給定后的25 ms內(nèi)，系統(tǒng)壓力由0 MPa升至壓力峰值70.8 MPa，大于被試閥1.5倍的公稱壓力(63 MPa)；壓力上升梯度為2 832 MPa/s，遠(yuǎn)大于120 MPa/s。因此，試驗(yàn)臺(tái)提供的壓力也滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

(1)所設(shè)計(jì)的液壓支架高壓大流量閥試驗(yàn)臺(tái)以雙蓄能器組為輔助動(dòng)力源，配合增壓缸實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的分時(shí)快速加載，可以為被試閥提供近乎階躍的短時(shí)大流量高壓沖擊，模擬液壓支架承受嚴(yán)重頂板沖擊的工況，能對(duì)液壓支架用大流量安全閥、液控單向閥、換向閥和截止閥進(jìn)行性能試驗(yàn)。

(2)基于AMESim軟件搭建了試驗(yàn)系統(tǒng)的仿真模型，并以FAD1000/40型安全閥為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)它進(jìn)行了沖擊壓力安全性和公稱流量啟溢閉特性仿真分析。結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的安全閥沖擊安全性試驗(yàn)系統(tǒng)能在25 ms內(nèi)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的閥前沖擊壓力；所設(shè)計(jì)的安全閥公稱流量啟溢閉特性試驗(yàn)系統(tǒng)可提供最高70.8 MPa的開啟壓力和1 123.7 L/min的流量，且試驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)壓力上升梯度超過120 MPa/s、公稱流量溢流時(shí)間超過0.5 s。以上數(shù)據(jù)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了試驗(yàn)臺(tái)及試驗(yàn)方法的合理性。

(3)以蓄能器為動(dòng)力源的快速加載系統(tǒng)較之高壓大流量泵加載系統(tǒng)，具有節(jié)能、高效、成本較低的特點(diǎn)，可為現(xiàn)有液壓支架閥試驗(yàn)臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。