液壓支架用安全閥沖擊安全性試驗(yàn)技術(shù)及裝置研究

王利紅

1煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司礦用材料分院 北京 100013

2煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 北京 100013

3煤炭資源開(kāi)采與環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100013

液壓支架用安全閥是液壓支架液壓系統(tǒng)的重要元件，主要用于保護(hù)立柱及支撐千斤頂?shù)瘸休d液壓缸，其性能直接影響液壓支架的支護(hù)性能[1-2]。隨著煤炭開(kāi)采強(qiáng)度和深度的不斷增加，采深超過(guò) 1 000 m，沖擊地壓顯現(xiàn)明顯，對(duì)安全閥性能，尤其是抗沖擊性能的要求越來(lái)越高[3-4]。在此背景下，各大煤機(jī)公司和閥類(lèi)生產(chǎn)企業(yè)積極進(jìn)行了安全閥產(chǎn)品及其配套試驗(yàn)裝置的研制，安全閥最大流量已達(dá)到 1 250 L/min、壓力高達(dá) 50 MPa，并具有一定的抗沖擊性，但配套試驗(yàn)裝置一般僅能進(jìn)行高低壓密封、強(qiáng)度等常規(guī)試驗(yàn)，沖擊安全性等動(dòng)態(tài)試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。安全閥的試驗(yàn)技術(shù)，尤其是沖擊性動(dòng)態(tài)試驗(yàn)技術(shù)已嚴(yán)重滯后于安全閥產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用。

因此，研究安全閥沖擊安全性試驗(yàn)技術(shù)和開(kāi)發(fā)配套試驗(yàn)裝置，對(duì)于提高行業(yè)檢測(cè)檢驗(yàn)?zāi)芰Α踩y技術(shù)水平和促進(jìn)煤礦安全高效生產(chǎn)具有重要意義。筆者以蓄能器作為高壓流量源，基于專利技術(shù)，開(kāi)發(fā)了沖擊加載缸，實(shí)現(xiàn)了安全閥沖擊安全性能的測(cè)試，且具有非常良好的經(jīng)濟(jì)性。

1 國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)

1.1 安全閥發(fā)展概況

液壓支架的支撐高度和工作阻力不斷增大，高壓、大流量已成為液壓支架用安全閥的發(fā)展方向[5]，隨著煤炭開(kāi)采強(qiáng)度和深度的不斷增加，抗沖擊也將成為液壓支架用安全閥的重要發(fā)展趨勢(shì)。

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的安全閥流量已經(jīng)從 20 世紀(jì)的 80 L/min 發(fā)展到當(dāng)前的 1 250 L/min，壓力從 40 MPa 提高至 50 MPa[6]。其中，直動(dòng)式結(jié)構(gòu)的安全閥典型產(chǎn)品為 FAD1000/50，最大流量為 1 000 L/min、壓力為50 MPa。隨著抗沖擊性能需求日益增加，出現(xiàn)了充氣式結(jié)構(gòu)的安全閥，其體積更小，卸載更快，典型產(chǎn)品為天地瑪珂公司生產(chǎn)的 FAC1250/50 安全閥，最大流量為 1 250 L/min、壓力為 50 MPa。

德國(guó) DAMS 公司研發(fā)的 FAD1250/50 安全閥，公稱流量為 1 250 L/min，結(jié)構(gòu)形式為直動(dòng)式；捷克OSTROJ 公司研發(fā)的 VR7100 安全閥，瞬時(shí)流量為 7 000 L/min，但對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo) GB 25974.3 的公稱流量仍需進(jìn)一步標(biāo)定。雙級(jí)結(jié)構(gòu)等新形式的安全閥也不斷涌現(xiàn)，其中德國(guó)瑪珂公司生產(chǎn)的具有先導(dǎo)功能的安全閥在西安重裝銅川煤機(jī)產(chǎn)品上有過(guò)應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)外安全閥產(chǎn)品已形成了不同流量、不同結(jié)構(gòu)的系列化、個(gè)性化產(chǎn)品，尤其是抗沖擊性能已成為不可或缺的性能指標(biāo)。

1.2 沖擊試驗(yàn)技術(shù)及裝置發(fā)展概況

煤炭科學(xué)研究總院于 20 世紀(jì) 70 年代引進(jìn)了德國(guó)生產(chǎn)的沖擊試驗(yàn)臺(tái)，采用伺服液壓加載沖擊方式，可對(duì)立柱的抗沖擊性能進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元器件均須進(jìn)口，維護(hù)困難，目前已廢棄。當(dāng)前德國(guó)、波蘭、俄羅斯等國(guó)外主要采煤國(guó)家普遍采用落錘沖擊加載方式，通過(guò)將安全閥安裝于立柱下腔，直接沖擊立柱進(jìn)而檢測(cè)安全閥的抗沖擊性能。但該方式需配套緩沖阻尼基礎(chǔ)，造價(jià)昂貴，投資在幾百萬(wàn)元以上[7]。

鄭煤機(jī)集團(tuán)以多泵并聯(lián)的方式研發(fā)了 500 L/min的大流量閥試驗(yàn)裝置，但僅能實(shí)現(xiàn)高低壓密封及強(qiáng)度等常規(guī)試驗(yàn)；浙江豐隆和天地瑪珂公司以蓄能器組方式研發(fā)了 1 000 L/min 大流量閥的試驗(yàn)裝置，但也僅能進(jìn)行安全閥公稱流量啟溢閉特性試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)各大煤機(jī)公司和閥類(lèi)生產(chǎn)企業(yè)尚不具備安全閥沖擊安全性動(dòng)態(tài)試驗(yàn)?zāi)芰8]。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 安全閥沖擊過(guò)程分析及試驗(yàn)要求

液壓支架安全閥液壓系統(tǒng)工作原理如圖 1 所示。安全閥與立柱下腔相通，通常工況處于常閉狀態(tài)，立柱下腔的壓力p低于安全閥額定壓力pn。當(dāng)工作面頂板突然來(lái)壓時(shí)，在沖擊載荷F的作用下，立柱下腔壓力迅速上升，達(dá)到pn時(shí)安全閥迅速開(kāi)啟，高壓乳化液從安全閥排出，立柱讓縮，實(shí)現(xiàn)卸荷，直到立柱下腔壓力低于pn，安全閥關(guān)閉。

圖1 液壓支架安全閥液壓系統(tǒng)Fig.1 Yield valve hydraulic system of hydraulic support

在動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中，要求安全閥在一定壓力條件下排出液體的速度 (安全閥流量) 不小于立柱讓縮導(dǎo)致的立柱下腔容積的變化率，同時(shí)保證頂板下降過(guò)程中立柱下腔保持恒定的工作阻力，從而控制立柱及支架結(jié)構(gòu)件承載在安全范圍內(nèi)。安全閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)包括及時(shí)開(kāi)啟與關(guān)閉，一方面，在工作面來(lái)壓時(shí)安全閥要迅速開(kāi)啟，保證立柱下腔壓力不會(huì)過(guò)高；另一方面，開(kāi)啟泄壓后，安全閥也要及時(shí)關(guān)閉，保證立柱下腔壓力不會(huì)過(guò)低。

國(guó)標(biāo)和歐標(biāo)對(duì)安全閥的沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)規(guī)定如下：安全閥的快速加載試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)使安全閥閥前壓力在 25 ms 內(nèi)由安全閥設(shè)定壓力pn的 60% 增加到?jīng)_擊壓力，且在達(dá)到?jīng)_擊壓力之前，安全閥應(yīng)開(kāi)啟[9]。

不同流量的安全閥所需適應(yīng)的沖擊壓力如表 1 所列。

表1 安全閥流量與沖擊壓力對(duì)照Tab.1 Comparison of flow and impact pressure of yield valve

2.2 沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安全閥沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)由蓄能器及輔助泵站、控制閥組、沖擊加載缸等組成。

以蓄能器作為沖擊加載源，通過(guò)先導(dǎo)沖擊加載缸實(shí)現(xiàn)增壓和快速加載，模擬動(dòng)載沖擊工況，實(shí)現(xiàn)被試安全閥的沖擊安全性試驗(yàn)。

試驗(yàn)系統(tǒng)液壓原理如圖 2 所示，液壓油泵站 1為蓄能器組 3 充液，使其達(dá)到設(shè)定的工作壓力；啟動(dòng)乳化液泵站 2，對(duì)組合功能液壓缸 4 的小腔充液，直至柱塞完全復(fù)位；液控單向閥 7 用于開(kāi)啟充液與輸出油缸的卸荷，其控制口通過(guò)電磁換向閥 6 由油液系統(tǒng)控制；單向閥 8 用于回油截止，阻斷加載過(guò)程中乳化液的反向沖擊與回液，將加載回路與充液回路的隔離。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)液壓原理Fig.2 Working principle of hydraulic system of test system

充液完成后，沖擊加載缸的環(huán)形腔充滿了高壓油液，但此時(shí)液壓力僅作用于柱塞柱面，柱塞端面處于密封狀態(tài)，柱塞處于靜止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)導(dǎo)通電磁開(kāi)關(guān)閥5，高壓油液從控制口進(jìn)入柱塞端面，先導(dǎo)控制使得柱塞產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，端面密封狀態(tài)解除，環(huán)形腔大流量高壓油液作用于柱塞端面，推動(dòng)小腔乳化液，形成增壓效果，實(shí)現(xiàn)了被試安全閥的快速?zèng)_擊加載[10]。

通過(guò)調(diào)整蓄能器的充液壓力，可實(shí)現(xiàn)不同閥前沖擊壓力幅值的輸出控制；通過(guò)先導(dǎo)，可實(shí)現(xiàn)大壓力梯度的快速加載。

2.3 沖擊加載缸設(shè)計(jì)

2.3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

沖擊加載缸采用了自有專利技術(shù)[11]，集成了開(kāi)關(guān)閥和增壓功能，采用柱塞伸縮結(jié)構(gòu)型式，在同樣缸徑、行程的條件下，減小了液壓缸的長(zhǎng)度，結(jié)構(gòu)更緊湊[12-13]。增壓方式采用油水混合增壓模式，即大腔液壓油推動(dòng)小腔乳化液，并通過(guò)先導(dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了液壓缸的快速開(kāi)啟，同時(shí)滿足了壓力幅值和壓力梯度的要求?？紤]高壓設(shè)備安全性和過(guò)程控制，通過(guò)內(nèi)置位移傳感器的方式，監(jiān)測(cè)活塞位置。

如圖 3 所示，沖擊加載缸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)：一是結(jié)構(gòu)上增加了導(dǎo)向設(shè)計(jì)，在加載缸底部增加周向支撐點(diǎn)，保證了柱塞順利復(fù)位；二是采用端面密封、斜面定位技術(shù)，顯著提升了密封壽命和系統(tǒng)可靠性。

圖3 沖擊加載缸結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structural sketch of impact loading cylinder

2.3.2 參數(shù)確定

根據(jù)表 1 可知，目前被試安全閥的公稱壓力最大為 50 MPa，流量為 1 000 L/min。不同流量所需的沖擊壓力不同，1 000 L/min 流量的安全閥沖擊壓力為65 MPa，而160 L/min 及以下流量的安全閥沖擊壓力為 75 MPa。試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)流量無(wú)要求。

為滿足不同流量安全閥的試驗(yàn)要求，試驗(yàn)系統(tǒng)最高試驗(yàn)壓力須大于 75 MPa，而液壓泵的額定工作壓力一般最高為 31.5 MPa，工作壓力一般為最高壓力的80%，約為 25.2 MPa，因此系統(tǒng)增壓比取k=3。

綜合權(quán)衡當(dāng)前機(jī)械加工能力和經(jīng)濟(jì)成本，確定油液活動(dòng)柱塞缸徑D=200 mm，乳化液固定柱塞缸徑d=115 mm，即可保證增壓比k=(D/d)2≈3，滿足設(shè)計(jì)要求。雖然試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)流量無(wú)要求，但需綜合考慮試驗(yàn)的可觀察性和功能裕度，加載行程設(shè)定為 300 mm。

3 蓄能器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 蓄能器工作的基本原理

氣囊式蓄能器利用充液液體壓縮其內(nèi)部預(yù)充氣體來(lái)蓄能，工作時(shí)，在高壓氣體的推動(dòng)下輸出高壓液體。隨著氣囊體積增大，輸出壓力逐漸降低。

由蓄能器輸出壓力特性可知，蓄能器的容積越大，輸出壓降越小。

3.2 蓄能器容積的確定

蓄能器工作的特性決定了其輸出壓力隨著液體的輸出而下降，蓄能器的容積對(duì)于輸出壓力的衰減率有著重要影響。

根據(jù)安全閥沖擊試驗(yàn)的要求，試驗(yàn)系統(tǒng)須同時(shí)保證沖擊壓力的幅值和梯度，對(duì)流量無(wú)要求。對(duì)于額定壓力為 50 MPa、公稱流量為 1 000 L/min 的安全閥 (型號(hào) FAT1000/50)，沖擊壓力為 1.3 倍額定壓力，即65 MPa；對(duì)于額定壓力為 50 MPa、公稱流量為 160 L/min(型號(hào)為 FAT160/50) 以下的安全閥，沖擊壓力為 1.5 倍額定壓力，即75 MPa。

液體壓縮公式為

式中：h為液柱高度，mm；β為缸內(nèi)介質(zhì)的容積壓縮系數(shù)，對(duì)于濃度為 5% 乳化液，β=55×10-11m2/N；Δp為壓強(qiáng)差，MPa。

對(duì)于柱塞缸內(nèi)的已知液柱，計(jì)算得出壓縮位移量為 19.8 mm，因此蓄能器輸出油液體積Vout=0.36 L，系統(tǒng)終端輸出壓力需保持在 75 MPa 以上。

由于系統(tǒng)增壓比k=3，設(shè)定試驗(yàn)允許壓差為 3 MPa，那么蓄能器輸出壓力允許壓差即為 1 MPa，蓄能器最小輸出壓力為 25 MPa，蓄能器初始工作壓力即為 26 MPa。

氣體壓力公式為

式中：p0為蓄能器組充氣壓力，取p0=18 MPa；V0為蓄能器容積；n為氣體壓縮指數(shù)，n=1.4；p1為蓄能器最大充液壓力，取p1=26 MPa；V1為最大充液壓力下的氣體體積；p2為柱塞缸完全伸出后蓄能器的壓力，取p2=25 MPa；V2為柱塞缸完全伸出蓄能器組的氣體體積。

根據(jù)蓄能器組輸出液體的體積等于蓄能器的氣體體積的變化量，

計(jì)算得V0=16.5 L，即蓄能器理論所需最小容積為16.5 L，綜合考慮誤差、系統(tǒng)裕度和功能擴(kuò)展性，確定配置 2 個(gè)單體容積為 40 L、額定工作壓力為 31.5 MPa 的蓄能器。

3.3 沖擊壓力衰減核算

對(duì)于型號(hào)為 FAT1000/50 的安全閥，將初始參數(shù)p0=18 MPa，p2=25 MPa，V0=80 L，Vout=0.32 L 代入式 (1)～ (3) 得p1=25.16 MPa，Δp=0.16 MPa，即完成該試驗(yàn)，蓄能器排液 0.32 L，試驗(yàn)壓力從 25.16 MPa 降至 25.00 MPa，衰減幅值為 0.16 MPa。

同理，對(duì)于型號(hào)為 FAD160/50 的安全閥，初始參數(shù)p0=18 MPa，p2=25 MPa，V0=80 L，Vout=0.36 L，計(jì)算得p1=25.20 MPa，Δp=0.20 MPa，即完成該試驗(yàn)，蓄能器排液 0.36 L，試驗(yàn)壓力從 25.20 MPa 降至 25.00 MPa，衰減幅值為 0.20 MPa。

4 計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試系統(tǒng) (CAT)

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安全閥沖擊安全性只需測(cè)定 1 個(gè)主參數(shù)沖擊壓力和 1 個(gè)輔助參數(shù)位移，位移參數(shù)用于試驗(yàn)設(shè)備調(diào)試和過(guò)程控制。

系統(tǒng)將壓力傳感器、位移傳感器的參數(shù)實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)高速采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，自動(dòng)形成試驗(yàn)曲線。

CAT 系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件包括操作臺(tái)、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)采集卡等電氣元件；軟件包括數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)采集與處理、UI 界面、打印查詢等模塊組成。CAT 系統(tǒng)軟件界面如圖 4 所示。

圖4 CAT 系統(tǒng)軟件界面Fig.4 Interface of CAT system software

4.2 關(guān)鍵參數(shù)的確定

沖擊壓力采用壓阻式壓力傳感器直接測(cè)量，其輸出信號(hào)頻響為 2 kHz，供電 DC 24 V；信號(hào)分配器輸出信號(hào)頻響為 5 kHz；采集卡為 8 通道，最高采集頻率為 125 kHz。根據(jù)三者的最低頻響，確定采樣頻率為 2 kHz。

位移參數(shù)采用磁致伸縮式位移傳感器直接測(cè)量，其頻響與壓力傳感器相同。位移數(shù)據(jù)直接用于試驗(yàn)設(shè)備調(diào)試和過(guò)程控制中監(jiān)測(cè)柱塞加載的位置，間接測(cè)量系統(tǒng)流量，即位移傳感器測(cè)量液壓缸一定時(shí)間內(nèi)的位移，再乘以液壓缸橫截面積即得出流量，為試驗(yàn)功能的擴(kuò)充預(yù)留接口。

5 試驗(yàn)應(yīng)用與效果分析

新研發(fā)的安全閥沖擊安全性試驗(yàn)裝置如圖 5 所示，該技術(shù)已成功應(yīng)用于 20 余家煤機(jī)企業(yè)和閥類(lèi)生產(chǎn)企業(yè)的安全閥沖擊試驗(yàn)設(shè)備。

圖5 安全閥沖擊安全性試驗(yàn)裝置Fig.5 Impact safety test device prototype for yield valve

通過(guò)對(duì)輸出端加裝堵頭，封鎖壓力，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的沖擊加載能力進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果如圖 6 所示。

圖6 沖擊安全性特性試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證曲線Fig.6 Capability verification curve of impact safety characteristic test

從圖 6 可以看出，從30 MPa 開(kāi)始快速加載，23.6 ms 達(dá)到 75 MPa 的沖擊壓力，沖擊加載能力滿足了標(biāo)準(zhǔn)中 25 ms 達(dá)到 1.5pn的要求，具備了模擬沖擊地壓工況的環(huán)境。

依據(jù) GB 25974.3 標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)FAT1000/50 安全閥的 2 個(gè)樣品進(jìn)行了沖擊特性試驗(yàn)，沖擊特性曲線如圖 7 所示。

圖7 安全閥沖擊安全性特性試驗(yàn)曲線Fig.7 Curve of impact safety characteristic test for yield valve

從圖 7(a) 可以看出，樣品 1 從 30 MPa 開(kāi)始快速加載，11 ms 時(shí)安全閥開(kāi)啟，開(kāi)啟壓力為 59.25 MPa，開(kāi)啟時(shí)間小于 25 ms，開(kāi)啟壓力小于 1.3pn(62.5 MPa)，安全閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性良好，合格；從圖 7(b)可以看出，樣品 2 從 30 MPa 開(kāi)始快速加載，13 ms 時(shí)安全閥開(kāi)啟，開(kāi)啟壓力為 66.75 MPa，開(kāi)啟時(shí)間未超過(guò) 25 ms，但開(kāi)啟壓力超過(guò)了 1.3pn(62.5 MPa)，卸荷能力不足。

6 結(jié)語(yǔ)

安全閥沖擊安全性試驗(yàn)裝置的成功研制，填補(bǔ)了行業(yè)空白，滿足了安全閥沖擊安全性的檢測(cè)要求；同時(shí)也為安全閥產(chǎn)品的研發(fā)制造、性能檢測(cè)、質(zhì)量監(jiān)管監(jiān)察提供試驗(yàn)手段和技術(shù)支撐。