液壓支架用高壓大流量液壓元件綜合性能試驗臺的設(shè)計

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(華中科技大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院液壓氣動技術(shù)研究中心， 湖北 武漢 430074)

引言

液壓閥是煤礦液壓支架中十分關(guān)鍵的控制元件，其性能好壞直接影響著采煤機械的工作性能、安全性及可靠性。因此，每種液壓支架用閥必須經(jīng)過相應(yīng)的型式試驗和出廠試驗且取得煤安標(biāo)認(rèn)證后方能投放市場。為適應(yīng)我國加入世界貿(mào)易組織后對標(biāo)準(zhǔn)化工作要求，促進國際貿(mào)易和交流，提高我國液壓支架液壓技術(shù)水平， 2011年中國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布了液壓支架用閥的新標(biāo)準(zhǔn)[1]。與1995年制定的MT419-1995《液壓支架用閥》舊標(biāo)準(zhǔn)相比，新標(biāo)準(zhǔn)增加了新的實驗內(nèi)容且要求更加嚴(yán)格。與此同時，國內(nèi)液壓支架用閥的壓力等級和流量規(guī)格也在最近幾年迅速提升。因此，國內(nèi)對既能滿足新標(biāo)準(zhǔn)要求、又能勝任高壓大流量液壓支架用閥試驗要求的試驗臺有十分迫切需求。

國外對于高壓大流量液壓支架用閥試驗臺的研究報道較少；國內(nèi)的一些高校和研究所已設(shè)計開發(fā)了不同類型的液壓支架用閥試驗臺。例如焦作工學(xué)院研制的試驗臺利用增壓缸為系統(tǒng)提供高壓，但不能測試高壓大流量閥[3]；中煤科工集團上海研究院研制的試驗臺最大流量只有200 L/min[4]。2007年某大學(xué)按照MT419-1995標(biāo)準(zhǔn)的要求，為某公司研制了壓力56 MPa、流量500 L/min的液壓支架用閥綜合性能試驗臺，該試驗臺直接采用高壓泵做動力源[5]。

為了滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求及提升試驗臺的流量規(guī)格，設(shè)計了額定壓力為56 MPa，最大流量為1000 L/min高壓大流量液壓元件綜合性試驗臺，通過對系統(tǒng)中關(guān)鍵液壓元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化來減小試驗臺的振動和噪聲，利用基于板卡采集的方式設(shè)計了該試驗臺的測控系統(tǒng)。

1 試驗臺液壓系統(tǒng)設(shè)計

試驗臺的液壓系統(tǒng)原理如圖1所示，該試驗臺按

照模塊化思想進行設(shè)計，根據(jù)試驗標(biāo)準(zhǔn)的要求將試驗臺分為強度試驗臺1、強度試驗臺2和型式試驗臺3個子試驗臺，其中型式試驗臺中包括4個模塊。該試驗臺涵蓋了高壓大流量安全閥(35～50 MPa、0～500 L/min)和大流量液控單向閥、截止閥與換向閥(0～1000 L/min)所有測試項目。

該試驗臺的介質(zhì)為乳化液，按照水：油=95∶5配置而成；動力單元由7臺額定壓力為56 MPa和2臺額定壓力為31.5 MPa的三柱塞泵組成，系統(tǒng)最大壓力56 MPa，系統(tǒng)最大流量為1085 L/min。強度試驗臺1和2主要對成熟產(chǎn)品進行出廠檢驗項目，不做流量要求。其中，自主研制的雙向增壓缸可以滿足壓力超出了泵站額定輸出壓力的試驗項目(如各類閥的強度試驗)；為使高低壓密封試驗項目可分時進行且不發(fā)生相互干擾，設(shè)計了具有兩級調(diào)壓的調(diào)壓單元，第一級調(diào)壓由額定壓力為25 MPa的溢流閥構(gòu)成，第二級調(diào)壓由二位二通電磁換向閥和低壓溢流閥組成。型式試驗臺主要用于完成新開發(fā)產(chǎn)品的型式試驗中一定流量和壓力的試驗。其中，流量控制單元硬件由PLC、變頻器、流量傳感器和電氣控制回路組成，軟件是按照自適應(yīng)模糊PID控制算法設(shè)計的控制系統(tǒng)， 用其來控制1個泵的流量，通過泵之間的組合達(dá)到不同測試項目的不同流量要求。上述3個子實驗臺具有相同的卸載單元和測控系統(tǒng)，卸載單元分為局部回路卸載和泵站卸載兩種，分別由帶尾部減振槽閥芯的插裝閥和帶緩沖閥的卸荷溢流閥組成；測控系統(tǒng)采用基于板卡的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，可以完成液壓系統(tǒng)的控制、信號的檢測和數(shù)據(jù)的采集與后處理。

1.乳化液池 2.過濾器 3.液壓泵站 4.安全閥 5.單向閥 6.蓄能器組 7.二位二通電磁換向閥 8.截止閥 9.卸荷溢流閥10.節(jié)流閥 11.壓力傳感器 12.溢流閥 13.二位三通電液閥 14.二位二通電液閥 15.三位四通電磁換向閥 16.雙向增壓缸17.單向節(jié)流閥 18.液控單向閥 19.穩(wěn)壓罐 20.被試閥 21.立柱支架 22.流量傳感器圖1 煤礦支架用高壓大流量液壓元件綜合性能試驗臺液壓系統(tǒng)原理圖

2 試驗系統(tǒng)關(guān)鍵元件設(shè)計

對于高壓大流量試驗臺而言，在系統(tǒng)加載和卸載過程中會存在較大的液壓沖擊和振動，為此，設(shè)計了帶尾部減振槽閥芯的插裝閥和帶緩沖閥的卸荷溢流閥。

2.1 插裝閥的設(shè)計與優(yōu)化仿真

本設(shè)計的高壓大流量液壓換向閥采用了先導(dǎo)控制式的插裝閥結(jié)構(gòu)，其先導(dǎo)閥采用HAWA小通徑高壓電磁球閥，插裝閥主閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。在插裝閥主閥芯上設(shè)置了減振尾及減振槽，通過減振槽過流面積的變化，控制插裝閥出口封閉容腔(加載過程)或入口封閉容腔(卸載過程)壓力變化的梯度，進而達(dá)到減小沖擊和振動的目的。

圖2 插裝閥主閥的結(jié)構(gòu)原理圖

采用遺傳算法以及AMESim和MATLAB聯(lián)合仿真，在保持四種減振槽長度一致的情況下，分別對U形槽、三角槽、矩形槽和三角矩形槽四種閥芯尾部開槽結(jié)構(gòu)的槽子寬度和深度等幾何尺寸進行了優(yōu)化。圖3是經(jīng)過優(yōu)化后具有不同減振槽的插裝閥所對應(yīng)的被試閥入口壓力梯度曲線。圖3的仿真結(jié)果表明，U形槽對應(yīng)的壓力梯度曲線的極值大大低于其他幾種減振槽，且其曲線平緩，故減振效果是最好的。這是因為與其他幾種減振槽相比，U形槽閥口的過流面積開始變化相對緩慢，慢慢趨于穩(wěn)定，當(dāng)閥口完全打開后再快速變化，導(dǎo)致U形槽的壓力梯度上升較緩慢且極值較小；而矩形槽的過流面積開始變化比較劇烈，導(dǎo)致壓力梯度上升過快，三角矩形槽和三角槽的過流面積開始階段變化較小而閥口完全打開后過急劇增加導(dǎo)致壓力梯度急劇上升。基于理論分析結(jié)果，插裝閥尾部采用了U形減振槽的結(jié)構(gòu)。

圖3 不同減振槽的插裝閥所對應(yīng)被試閥入口壓力梯度曲線

2.2 帶緩沖閥的卸荷溢流閥的設(shè)計與仿真

圖4為帶有緩沖閥的卸荷溢流閥，其公稱壓力為60 MPa，公稱流量為1000 L/min。它由先導(dǎo)溢流閥、二位二通電磁先導(dǎo)閥、緩沖閥和主閥組成。

1.主閥體 2.主閥套 3.先導(dǎo)閥座 4.先導(dǎo)閥芯 5.緩沖閥體6.緩沖閥芯 7.緩沖閥彈簧 8.先導(dǎo)閥彈簧 9.先導(dǎo)閥彈簧座10.先導(dǎo)閥閥體 11.先導(dǎo)閥導(dǎo)向套 12.主閥閥芯 13.主閥彈簧14.主閥阻尼孔圖4 帶緩沖閥的卸荷溢流閥結(jié)構(gòu)圖

先導(dǎo)閥用于設(shè)定和調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作壓力，與傳統(tǒng)的先導(dǎo)溢流閥相比，其先導(dǎo)閥芯和先導(dǎo)閥彈簧座能夠隨著導(dǎo)向套移動，這樣在先導(dǎo)閥芯的末端將形成了一個阻尼腔，它能增加先導(dǎo)閥的運動阻尼并改善動態(tài)穩(wěn)定性。

電磁閥和緩沖閥主要用于泵站低壓啟動和對系統(tǒng)卸載的控制。當(dāng)電磁閥失電時，緩沖閥閥芯被彈簧座和緩沖閥調(diào)節(jié)螺釘限位，此時系統(tǒng)在溢流閥的設(shè)定壓力下工作；當(dāng)電磁閥得電時，P口和T口接通，緩沖閥左端面的壓力被卸掉，閥芯在彈簧的作用下左移，受錐閥閥口和閥芯上的溝槽的節(jié)流作用而形成緩沖過程，可以減小因突然泄壓而造成的沖擊和振動，調(diào)節(jié)緩沖閥的調(diào)節(jié)螺釘可以改變緩沖閥閥芯行程和彈簧壓縮力，從而改變卸荷時間以及緩沖效果。

基于AMESim的建模仿真，得到如圖5所示的卸荷溢流閥在有緩沖閥和無緩沖閥時的入口壓力梯度對比曲線。與不帶緩沖閥的溢流閥比較，帶緩沖閥的溢流閥在卸載過程中，閥入口壓力梯度絕對值的極值從12490 MPa/s下降到2745 MPa/s。顯而易見，緩沖閥能夠有效地減少卸荷過程中的沖擊振動。

圖5 有無緩沖閥的卸荷溢流閥入口壓力梯度曲線

3 測控系統(tǒng)設(shè)計與測試

該試驗臺的測控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，3個子試驗臺的硬件結(jié)構(gòu)相同，且相互獨立以減少控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，同時可使個試驗臺能夠同時工作。每個子系統(tǒng)的測控軟件均采用下拉菜單式結(jié)構(gòu)，用戶可選擇相應(yīng)的測試項目及其測控界面。下面以型式試驗臺為例進行介紹說明。

3.1 測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)介紹

圖6為型式試驗臺的測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，測控系統(tǒng)采用工控機、數(shù)據(jù)采集卡和繼電器輸出卡組合的方式。硬件選擇上，依據(jù)測控系統(tǒng)的精度和模擬量輸入要求，采用12位分辨率和16路A/D通道的PCL-818HG多功能數(shù)據(jù)采集卡；開關(guān)量控制采用8路繼電器輸出的PCL-725繼電器輸出卡。

各類傳感器采集的模擬量一方面?zhèn)鬟f給二次儀表，供現(xiàn)場人員監(jiān)視；另一方面，經(jīng)濾波之后輸送到數(shù)據(jù)采集卡，并傳輸給工控機進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理和曲線繪制，進行數(shù)據(jù)動態(tài)顯示。工控機輸出的數(shù)字信號經(jīng)繼電器輸出卡通過接線端子板控制電磁鐵的動作順序，實現(xiàn)對液壓回路的時序控制，以完成不同的測試項目。

圖6 型式試驗臺測控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 測試系統(tǒng)的軟件設(shè)計及應(yīng)用

圖7為型式試驗臺中液控單向閥沖擊壓力試驗測試界面，其他項目的測試界面大體相同。試驗前首先要填寫基本信息和采樣設(shè)置，然后進行試驗調(diào)試，之后進入正式試驗階段。測控軟件將數(shù)據(jù)采集卡所采集數(shù)據(jù)進行軟件濾波處理和曲線繪制，并可以對圖形和數(shù)據(jù)進行后處理。軟件中提供了緊急停止、傳感器標(biāo)定和卸載等功能，并可以對已保存數(shù)據(jù)進行曲線繪制和打印等后處理。

利用該試驗臺對試驗要求項目進行了調(diào)試和實驗，其中圖7中給出了液控單向閥沖擊壓力的實驗曲線。被試閥的公稱壓力為35 MPa，由測試結(jié)果與試驗標(biāo)準(zhǔn)進行比較可知，最大沖擊壓力滿足不超過公稱壓力的115%的標(biāo)準(zhǔn)，實際卸載時間為1.4 s，滿足卸載時間不大于2 s的標(biāo)準(zhǔn)， 說明被試液控單向閥在卸載

圖7 液控單向閥沖擊壓力試驗測試界面和測試結(jié)果

過程的沖擊壓力特性滿足要求。實驗結(jié)果表明，所研制的試驗臺及其測控系統(tǒng)能夠滿足預(yù)期的設(shè)計要求。

4 結(jié)論

研制的煤礦液壓支架用高壓大流量液壓元件綜合性能試驗臺能夠完成安全閥、換向閥、截止閥和液控單向閥的型式試驗和出廠試驗。對該試驗系統(tǒng)的插裝閥和卸荷溢流閥等主要元件進行了仿真和優(yōu)化，以降低系統(tǒng)加載和卸載時的壓力沖擊和振動。實驗結(jié)果表明，該測控系統(tǒng)可以滿足該試驗臺的需求。該試驗臺的研制不僅為煤礦液壓支架用閥的型式試驗和出廠試驗提供了有效的試驗手段，而且促進了該類液壓閥質(zhì)量的提高。

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