基于產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新的增壓系統(tǒng)在閥試驗中的應(yīng)用

時連君

(山東科技大學(xué)機械電子工程學(xué)院，山東青島 266590)

產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新成為科技創(chuàng)新發(fā)展的一種重要形式，很多科技創(chuàng)新已經(jīng)不是單一主體的活動，而是由多個創(chuàng)新主體參與，也是協(xié)同創(chuàng)新是否成功的關(guān)鍵因素。某校一直與科研單位聯(lián)合共同完成一些科研項目。安全閥的試驗與研究就是其中的研究項目之一。安全閥是液壓支架對頂板保持恒阻讓壓的工作特性和可縮性的重要元件，和液控單向閥一樣，長期工作于高壓狀態(tài)。因為支架支護頂板時，經(jīng)常處于頂板壓力逐漸增強和頂板巖石緩慢下沉狀態(tài)，如果安全閥的密封性不好，就不能保證支架達到設(shè)計的工作阻力和穩(wěn)定的工作狀態(tài)。因此要求安全閥動作靈敏、密封可靠、工作穩(wěn)定，沒有震動現(xiàn)象，有較長的使用壽命，因此設(shè)計一套安全閥試驗測試系統(tǒng)來保證其質(zhì)量就非常有必要。

1 設(shè)計依據(jù)

為保證液壓支架閥件的質(zhì)量，國家相關(guān)部門制定標(biāo)準(zhǔn)GB25974.3-2010《煤礦用液壓支架第3部分:液壓控制系統(tǒng)及閥》，這標(biāo)準(zhǔn)以國內(nèi)液壓支架閥件的設(shè)計、試驗和使用研究成果為基礎(chǔ)，參考了世界各主要產(chǎn)煤國家和國際組織的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以實用性和先進性相結(jié)合的原則來制定的，以此推動我國液壓支架液壓控制技術(shù)的發(fā)展。因此，此試驗系統(tǒng)的設(shè)計主要結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)進行，涉及到安全閥的試驗主要內(nèi)容如下:

(1)安全閥的啟溢特性;(2)安全閥的密封試驗:①高壓密封;②低壓密封;(3)強度試驗［1］。

2 測試系統(tǒng)設(shè)計

測試系統(tǒng)的設(shè)計以現(xiàn)場提供的安全閥的技術(shù)參數(shù)為依據(jù)，具體見表1，通過表格可以看出安全閥的壓力達到40 MPa，按照上述國家標(biāo)準(zhǔn)的要求進行試驗，一般液壓泵很難滿足試驗壓力60 MPa的試驗要求，因此在此試驗測試系統(tǒng)中采用增壓缸為安全閥提供超高壓液體。

表1 安全閥的型號與主要參數(shù)

2.1 增壓系統(tǒng)的設(shè)計

2.1.1 增壓系統(tǒng)的組成及設(shè)計要求

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，安全閥的試驗系統(tǒng)中由于對液壓源供液壓力要求比較高，一般液壓泵不滿足試驗要求，所以在系統(tǒng)中設(shè)計一套增壓系統(tǒng)，利用增壓缸增壓為試驗系統(tǒng)供液。增壓缸工作時，增壓回路通過高壓油液的控制作用，把壓力較低的乳化液介質(zhì)通過增壓缸的增壓作用轉(zhuǎn)換成超高壓的乳化液介質(zhì)。增壓系統(tǒng)中采用高壓油泵來控制實現(xiàn)增壓、三柱塞低壓乳化液泵來提供低壓乳化液，電磁換向閥來控制雙向增壓缸的運動方向、單向閥閥組控制增壓缸吸排液，增壓系統(tǒng)輸出的乳化液介質(zhì)的額定壓力值可以到60 MPa以上。液壓原理圖如圖1所示。

圖1 增壓系統(tǒng)液壓原理圖

2.1.2 雙向增壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)雙向增壓缸尺寸計算

如果增壓系統(tǒng)輸出最高壓力值為75 MPa，則油泵出口溢流閥的調(diào)定壓力為:

如果增壓系統(tǒng)輸出的額定壓力值為60 MPa，則高壓油泵出口溢流閥調(diào)定的壓力值為11.43 MPa即可。

(2)按照強度條件校核增壓缸

由于增壓缸增壓腔活塞較短，所以應(yīng)該按照強度條件校核增壓缸增壓腔活塞的直徑d:

式中:F1為增壓腔的最大推力;［σ］為增壓腔活塞的直徑許用應(yīng)力 (Pa)，［σ］ =σs/ns，σs為材料的屈服極限 (Pa)，ns為材料的屈服安全系數(shù)，一般取ns=1.4～2。

經(jīng)過計算可得d=3.85 cm，滿足要求。

這樣設(shè)計的雙向增壓液壓缸的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙向增壓缸結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制與測試系統(tǒng)的設(shè)計

根據(jù)試驗項目的要求設(shè)計出控制與測試系統(tǒng)框圖，如圖3所示。

圖3 控制與測試系統(tǒng)的框圖

3 安全閥的試驗測試

安全閥是保證液壓支架恒阻讓壓特性的關(guān)鍵元件，質(zhì)量好的安全閥，應(yīng)該密封可靠，啟閉靈敏［3，5］;使用壽命應(yīng)該保證采煤工作面推進800～1 000 m不更換。

3.1 安全閥試驗軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件以VB語言開發(fā)，它是一種功能強大的編程語言，也是最迅速、最簡單的編程語言，可以擺脫復(fù)雜的編程界面，取而代之的是一種非常可親的所謂“可視化”界面。無需自己編寫代碼去設(shè)計一些界面元素，是面向?qū)ο蠛筒杉录?qū)動方式的結(jié)構(gòu)化高級程序設(shè)計語言，是基于Windows環(huán)境的，在現(xiàn)場中操作很方便。

3.2 安全閥試驗數(shù)據(jù)與特性曲線

(1)閥的啟溢特性試驗

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)安全閥的啟溢特性試驗要求，開啟增壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)其輸出壓力，使試驗系統(tǒng)壓力高于安全閥公稱壓力的1.5倍以上，試驗時系統(tǒng)壓力上升梯度為 120 MPa/s，使安全閥開啟，持續(xù)溢流0.5 s以上，然后迅速切斷系統(tǒng)的供液，至安全閥壓力值穩(wěn)定為止。經(jīng)過計算機處理后的安全閥的啟溢特性曲線如圖4所示。

圖4 安全閥的啟溢特性曲線

(2)閥的低壓密封特性試驗

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)安全閥的低壓密封試驗要求向被試安全閥供2 MPa的壓力，切斷供液，穩(wěn)壓2 min，然后記錄壓力值的大小。試驗標(biāo)準(zhǔn)要求，2 min后壓力不得降低。安全閥的低壓密封試驗曲線如圖5所示，當(dāng)然國家標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定了安全閥的其他試驗項目，這里就不介紹了。

圖5 安全閥低壓密封特性曲線

4 結(jié)論

圖6 生產(chǎn)的試驗測試系統(tǒng)

二十幾年來，通過令學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新先后為國內(nèi)多家液壓支架的閥件生產(chǎn)制造企業(yè)和維修企業(yè)設(shè)計制造了多種液壓支架閥件的試驗測試系統(tǒng)，如圖6所示。試驗測試系統(tǒng)實現(xiàn)了全部數(shù)據(jù)由計算機自動采集處理與曲線的繪制，消除了人為因素的影響［6］，提高了閥件的質(zhì)量，從而保證了液壓支架正常工作，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

［1］中國煤炭工業(yè)協(xié)會.GB25974.3-2010煤礦用液壓支架:第3部分:液壓控制系統(tǒng)及閥［M］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011:11－20.

［2］張利平，鄧鐘明.液壓氣動系統(tǒng)設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1997:74－78.

［3］陶馳東.采掘機械［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1993:137－138.

［4］張玉國.綜放支架液壓系統(tǒng)可靠性實測分析［J］.礦山壓力與頂板管理，2000(6):23－27.

［5］程居山.礦山機械［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2006:169.

［6］宋志安，李新平.12MN外加載液壓支架整架試驗技術(shù)［J］.礦業(yè)工程研究，2010，25(2):56－59.