跑道形卸油孔高壓大流量安全閥設計及性能分析

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(中國礦業大學， 江蘇 徐州 221116)

引言

高壓大流量安全閥是煤礦用液壓支架的主要基礎件和關鍵控制件，在工作中用于立柱液壓回路中，主要功能是防止立柱過載。在煤礦井下，經常遇到突然來壓的危急工況，要求安全閥能夠迅速卸載支架立柱下腔的高壓大流量液體，因此高壓大流量安全閥工作是一個瞬間的沖擊過程[1,2]。

高壓大流量安全閥主要由閥體、閥芯、彈簧、密封件等主要部件組成，其中閥芯是安全閥最重要的部件[3]。目前從市場搜集以及查閱相關資料總結發現安全閥閥芯的卸油孔主要采用單排、雙排或者是四排圓孔組成。由于工作性能要求安全閥具有較強的卸載能力，且安全閥的卸載能力與安全閥卸油面積正相關，因此安全閥卸油孔的形狀、布局以及卸油總面積對安全閥的卸載性能起著關鍵作用。通過設計新型泄油孔來提升泄油總面積，進而提升安全閥的卸載能力。

1 高壓大流量安全閥工作原理

高壓大流量安全閥在液壓支架回路系統中的工作原理如圖1所示。當液壓支架的立柱5下腔工作壓力低于高壓大流量安全閥3的開啟壓力時，安全閥處于關閉狀態；當工作面頂板7產生沖擊載荷時，壓力會迅速傳遞到立柱內腔，造成立柱內腔的壓力迅速上升，直至達到大流量安全閥的開啟壓力時，安全閥迅速開啟，立柱中被壓縮的高壓液體從閥口流出，立柱活塞向下滑動，支架迅速卸載并且讓壓，使立柱和液壓支架免受沖擊載荷的破壞；立柱下腔的壓力低于開啟壓力時，大流量安全閥關閉，確保立柱下腔有一定壓力實現對頂板的支護作用。

1.液壓泵 2.換向閥 3.大流量安全閥 4.液控單向閥 5.液壓支架的立柱 6.壓力表 7.頂梁 8.底座圖1 安全閥在液壓支架系統中的簡化回路

2 跑道形卸油孔安全閥設計

本研究擬設計的高壓大流量安全閥參數和性能指標如下：

額定流量：1000 L/min；

工作壓力：40～55 MPa；

工作介質：高水機乳化液，95%中性水，5%乳化油。

根據小孔節流公式(1)、(2)求出卸油總面積，結合閥芯的密封布局和總體結構尺寸，設計了跑道形卸油孔閥芯。

(1)

(2)

式中,Cd—— 流量系數

d—— 進油口直徑，mm

x—— 開口量，mm

Δp—— 進出口壓差，MPa

ρ—— 高水基密度，kg/m3

A—— 有效過流面積，mm2

由于高壓大流量安全閥的結構和工況特殊性，閥芯的入口處有較大壓力損失，且在穩定卸載時，閥芯排油孔處由于溢流的原因，閥芯內部壓降也較大，因此，在入口壓力為40 MPa時，閥的進口壓力和出口壓力之差Δp的實際值并非為40 MPa，依據經驗預估壓力損失為25 MPa[4]。當Cd取0.6，q取值1000 L/min時，計算得有效卸油面積A=124.2 mm2。根據計算結果，取閥芯內徑d1= 9mm，閥芯外徑d2= 13 mm，設計卸油孔形狀為跑道形狀，具體如圖2所示，卸油孔共2排，每排10個，卸油孔圓形部分直徑為2 mm，兩圓心距離為3 mm，總卸油面積為182.8 mm2。該跑道型卸油孔閥芯與同類閥芯相比，在閥芯整體尺寸相同的情況下，具有較大的卸油面積。

圖2 閥芯結構簡圖

根據閥芯結構尺寸，設計了直動式高壓大流量安全閥，該閥主要由閥套1、閥芯2、密封圈3、彈簧座4、彈簧5、調壓堵6和閥體7等組成，具體實物如圖3所示。該閥采用動靜密封相結合的密封方式，閥前端設有帶有阻尼性質的過渡孔，接口方式采用螺紋連接。

1.閥套 2.閥芯 3.密封圈 4.彈簧座 5.彈簧 6.調壓堵 7.閥體圖3 高壓大流量安全閥實物圖

3 蓄能器-增壓缸實驗臺

本研究采用蓄能器-增壓缸快速加載實驗臺對設計的高壓大流量安全閥進行性能實驗，該實驗臺現場布局如圖4所示，主要由泵站、操作臺、蓄能器、插裝閥組、控制柜組成。實驗過程主要分為充液和沖擊加載兩個階段，在這兩個階段中，可以通過油泵、乳化液泵、

圖4 實驗臺現場布局

蓄能器以及增壓缸的壓力表進行實時監控，此外，被試安全閥的壓力和流量等關鍵參數通過數據采集卡進行數據采集，并在工控機上顯示、處理和保存。

4 高壓大流量安全閥性能實驗

根據新的液壓支架大流量安全閥實驗標準GB 25974.3-2010《煤礦用液壓支架 第3部分：液壓控制系統及閥》的實驗要求，分別對跑道形卸油孔高壓大流量安全閥進行沖擊壓力安全性、公稱流量啟溢閉、小流量啟溢閉、密封性能實驗，以檢驗設計的安全閥各方面性能[5,6]。

1) 沖擊壓力安全性能實驗

沖擊壓力安全性能實驗設置如下：調定公稱流量為1000 L/min，開啟壓力為40 MPa，實驗臺所需蓄能器體積V=120 L，充液壓力p0=23.9 MPa，系統壓力上升梯度為120 MPa/s以上。各指標調定完畢后，開始沖擊試驗，沖擊瞬間壓力流量曲線如圖5所示。由圖可以看出，沖擊前安全閥閥前壓力為22.1 MPa，從安全閥閥前壓力上升開始計時，經過12 ms達到峰值壓力53.9 MPa，此時的瞬時流量為1205 L/min，隨著蓄能器內液體的排放，壓力呈震蕩衰減。同時可以看出，流量曲線先于壓力曲線開始升高，這是由于油液的可壓縮性導致油缸運動先于安全閥開啟，進而會造成流量上升具有一定時間的提前，產生虛假流量。系統流量經過40 ms升至流量峰值1260 L/min，接著逐漸衰減，歷時110 ms左右后流量迅速衰減直至為零。整個過程可分成三個階段，具體如表1所示。

圖5 沖擊瞬間壓力流量曲線

通過卸載流量、穩定性和靈敏度三個參數來衡量安全閥的沖擊性能指標[7]。

卸載流量：

表1 大流量安全閥沖擊實驗過程特征

與普通安全閥的實驗指標不同，由于此實驗系統是由蓄能器加載，其供液壓力隨乳化液的溢流而下降，并沒有穩定的壓力和流量，但從圖5可以看出，在沖擊之后的穩定階段內，安全閥的壓力、流量曲線幾乎圍繞一條直線上下波動，即為穩定溢流階段，為了消除蓄能器壓力、流量下降對實驗分析的影響，定義峰值壓力、峰值流量對應時刻在此直線上的壓力值為穩態壓力和穩態流量。由圖可知，安全閥的穩態壓力為48.57 MPa，穩態流量為1059 L/min。穩態流量在很大程度上反應了安全閥的卸載流量，即穩態流量越大卸載能力越強。

穩定性：穩定性可由壓力超調量和流量超調量衡量，數值越小說明閥的穩定性能越好。根據下列公式可分別求出壓力超調量為10.9%、流量超調量為18.9%，從壓力超調量上可以看出該閥的穩定性是非常好的，從流量超調量可以看出該閥釋放的流量較大。

靈敏度：靈敏度可由壓力上升時間和流量上升時間衡量。由圖5中數據可以得到壓力上升時間、流量上升時間分別為18 ms、24 ms。

2) 公稱流量啟溢閉實驗

公稱流量啟溢閉實驗設置如下：調節油源壓力為高壓大流量安全閥公稱壓力的1.5倍，系統壓力上升梯度為120 MPa/s以上，沖擊安全閥，使其溢流并在公稱流量(油源提供通過安全閥的流量為公稱流量)下溢流持續0.5 s，關閉系統油源，停止供液，直至壓力穩定為止[4]。

實驗結果如圖6所示，可以計算出系統的壓力上升梯度為693.3 MPa/s，即點(4181 ms，1.09 MPa)到點(4882 ms，45.46 MPa)的斜率，滿足GB 25974.3-2010規定“系統壓力上升梯度為120 MPa/s以上”的公稱流量啟溢閉特性的實驗要求。由試驗結果可知，在壓力達到峰值后，會出現900 ms左右的強烈振蕩，并逐漸衰減，波動范圍在36.5～47 MPa，之后進入穩定溢流，波動很小(±1 MPa之間)，可見該閥啟溢閉壓力也滿足GB 25974.3-2010中的規定“公稱流量大于100 L/min的安全閥，啟溢壓力最大值應不大于工作壓力的125%，最小值應不小于工作壓力的90%”的具體要求。

圖6 公稱流量啟溢閉實驗曲線

3) 小流量啟溢閉實驗

小流量啟溢閉實驗設置如下：調節油源工作壓力為安全閥工作壓力的1.2倍，向安全閥提供流量為0.04 L/min的乳化液，調定安全閥壓力至工作壓力。不斷調節油泵的工作壓力直到安全閥開啟，安全閥達到開啟3 min時，關閉系統油源，直至壓力穩定為止[4]。

圖7為小流量啟溢閉實驗結果，當大流量安全閥達到開啟壓力后，由4個比較明顯的壓力波動周期，波動在38～42 MPa，分析其產生的原因，主要是因為在開啟的過程中，閥芯要克服彈簧力和自身的慣性力，導致存在一定的壓力震蕩，但震蕩幅值小于壓力的10%，也滿足GB 25874.3-2010規定“公稱流量小于或等于16 L/min的安全閥類，啟溢壓力最大值應不大于工作壓力的115%，最小值應不小于工作壓力的90%”。

圖7 小流量啟溢閉實驗曲線

4) 密封實驗

密封實驗設置如下：高壓密封時，調節油源系統壓力為安全閥90%的公稱壓力向被試安全閥供液，達到壓力時停止供液，直至壓力穩定，記錄相應的壓力值[7]。低壓密封時，向安全閥供液2 MPa壓力，切斷供液，待壓力計穩定后記錄相應壓力值。高低壓密封相應都持續3 min，實驗要求被試安全閥不應有壓降，經實驗驗證，該安全閥密封性能理想，被試過程中壓力保持較好，沒有壓降。

5 結論

設計了一種跑道形卸油孔高壓大流量安全閥，該安全閥閥芯采用了跑道形狀的泄油孔，在整體尺寸不變的情況下，提升了安全閥的泄油面積。采用蓄能器-增加缸加載實驗臺對設計的安全閥分別進行了沖擊性能、公稱流量啟溢閉、小流量啟溢閉、高低壓密封性能實驗。通過實驗驗證，該安全閥具有卸載能力強的特點，同時，該安全閥各項性能都較好地滿足GB 25874.3-2010 的性能指標，綜合性能出色。

參考文獻：

[1] 王國法,等.高端液壓支架及先進制造技術[M]. 北京：煤炭工業出版社，2010.

[2] 戴紹誠，李世文，李芬. 高產高效綜合機械化采煤技術與裝備[M]. 北京: 煤炭工業出版社, 1998.

[3] 舒鳳翔. 高端液壓支架液壓系統及關鍵元件研究[D].徐州：中國礦業大學,2009.

[4] 黃飛.高水基高壓大流量安全閥研究[D].鄭州：河南科技大學,2012.

[5] 王溫銳.液壓支架大流量安全閥設計方法研究[D].徐州：中國礦業大學,2011.

[6] 謝騰飛,趙繼云,王溫銳,等.液壓支架大流量安全閥動態性能試驗方法研究[J].液壓與氣動,2010,(12):17-19.

[7] 付盼娣.液壓支架用高水基高壓大流量安全閥的研究與開發[D].鄭州：鄭州大學，2010.