一種煤礦用液壓閥試驗臺的液壓系統(tǒng)設(shè)計*

王 松

(中國煤炭科工集團 北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013)

0 引言

液壓閥的質(zhì)量決定了其應(yīng)用價值及產(chǎn)品的核心競爭力，因此，測試系統(tǒng)對產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)具有重要作用。本文基于現(xiàn)有試驗系統(tǒng)，提出了一種更加安全可靠且更智能化的多功能測試系統(tǒng)設(shè)計思路，并以此進行測試系統(tǒng)改造，以提升產(chǎn)品的測試能力，為產(chǎn)品研發(fā)提供重要依據(jù)。

行業(yè)內(nèi)液壓測試系統(tǒng)各不相同，主要以能夠測試國標要求項目為主，大多較為簡單，需進入高壓測試區(qū)域手動操作調(diào)節(jié)，效率低且存在安全隱患。本文結(jié)合計算機輔助測試技術(shù)，利用壓力、流量等各類傳感器對測試過程進行PID控制，主要實現(xiàn)壓力、流量的遠程調(diào)定，并對測試數(shù)據(jù)進行分析，以提高測試效率、提升安全等級為目的，設(shè)計一種更加智能、安全的測試系統(tǒng)。

1 整體設(shè)計

液壓系統(tǒng)是液壓閥類測試系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其設(shè)計需要考慮實際工況，滿足主要的功能、性能技術(shù)要求[1]。測試系統(tǒng)的設(shè)計方案流程如圖1所示。

圖1 液壓閥測試系統(tǒng)的設(shè)計方案流程

由于液壓支架設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，對支架用閥的流量、壓力要求越來越高，根據(jù)實際測試需求本試驗系統(tǒng)應(yīng)具備2 000 L/min、37.5 MPa的試驗?zāi)芰Α４_定測試系統(tǒng)重要組成部分，草擬液壓系統(tǒng)原理圖，使其能夠按照設(shè)計方案進行工作。圖2為液壓閥測試系統(tǒng)液壓原理圖。

選擇和設(shè)計測試系統(tǒng)的泵站、液箱、管路、蓄能器等重要部分，并對其性能進行核算，驗證是否能夠滿足設(shè)計要求。

2 設(shè)計方案

2.1 測試平臺

現(xiàn)有測試平臺如圖3所示，因設(shè)計較早已無法滿足流量、壓力的測試要求。利用原有平臺進行改造，主要工作為擴大管路通徑、配備多種管路接口、增加油缸及各類傳感器等。

圖3 現(xiàn)有測試平臺

設(shè)計一種能滿足公稱流量的柔性測試平臺，配備不同規(guī)格進、回接口，以減小系統(tǒng)的阻力損失。根據(jù)GB 25974.3—2010對煤礦用液壓閥的測試要求，為覆蓋安全閥的測試需求，需要在原有測試系統(tǒng)中增加液壓千斤頂。如圖2所示，當被測閥8為安全閥時，需接入油缸9對安全閥進行增壓。

為滿足測試系統(tǒng)的總體設(shè)計要求，此測試平臺接入壓力表、壓力傳感器、流量傳感器、噪聲傳感器、振動傳感器等對被測閥進行監(jiān)控。

2.2 動力源

被測液壓產(chǎn)品公稱壓力為37.5 MPa，根據(jù)經(jīng)驗管路損失取1 MPa，最大工作壓力為38.5 MPa。現(xiàn)研發(fā)階段的產(chǎn)品流量達2 000 L/min，管路維護良好情況下，泄漏系數(shù)取1.1，最大工作流量為2 200 L/min。測試系統(tǒng)泵站公稱流量應(yīng)與計算所需流量相當，但泵站的公稱壓力應(yīng)該比系統(tǒng)工作壓力高25%，有利于泵站的工作穩(wěn)定性和壽命[2，3]。

1-泵站；2-遠程調(diào)壓閥；3-高壓過濾站；4-蓄能器；5-分流控制閥；6-流量傳感器；7-壓力傳感器；8-被測閥；9-油缸；10-三位四通閥；11-液位計;12-冷卻塔

確定動力源為3臺公稱流量630 L/min、公稱壓力40 MPa的泵和1臺公稱流量200 L/min、公稱壓力45 MPa的泵組成的泵站。

2.3 液箱

按照經(jīng)驗公式確定液箱容積，確定最終設(shè)計方案后，再按照散熱的需要進行校驗[4，5]。

液箱容量V(m3)的經(jīng)驗計算公式為:

V=aqv.

(1)

其中：qv為泵每分鐘排出液體容積，m3；a為經(jīng)驗系數(shù)。

泵站最大流量為2 090 L/min，經(jīng)驗系數(shù)a取7，參考液箱標準容積確定測試系統(tǒng)液箱容積為15 m3。

液壓系統(tǒng)工作過程中，除液壓閥輸出部分有效功外，其余功率損失絕大部分都轉(zhuǎn)化為熱能，使液體溫度升高[6]。

如果達到熱平衡，乳化液溫度不再上升，此時，最大溫度差Δθ(℃)為：

(2)

其中：K1為液箱的散熱系數(shù)；K2為管道的散熱系數(shù)；A1為液箱散熱面積，m2；A2為管路散熱面積，m2；H為系統(tǒng)的發(fā)熱功率，W。

泵站功率損失H(W)為:

H=P(1-η).

(3)

其中：P為液壓泵的輸入功率，W；η為液壓泵的總效率，一般取0.8。

液壓泵的輸入總功率為1 700 kW，在考慮散熱時，系統(tǒng)管路可忽略不計。液箱通風(fēng)好，K1取17，液箱散熱面積A1為38m2。

環(huán)境溫度為θ0，則乳化液溫度θ=θ0+Δθ。計算所得乳化液溫差遠大于設(shè)備所允許最高溫度，故需要安裝冷卻設(shè)備。

根據(jù)使用工況，確定采用閉式冷卻塔。其優(yōu)點為介質(zhì)不會受噴淋水影響清潔度，能夠有效保護設(shè)備的運行狀態(tài)，延長設(shè)備使用周期，當環(huán)境溫度低時，不使用風(fēng)扇也可降溫，甚至無需使用噴淋水，可有效減少能量損耗[7]。

2.4 管路

管道內(nèi)徑d(mm)由下式計算：

(4)

其中：Q為通過管道內(nèi)的流量，L/min；v為管道允許流速，m/s。

選擇標準系列管路，高壓管路v取7，計算得內(nèi)徑為80 mm；回液管路v取3，計算得內(nèi)徑為125 mm；主吸液管路v取2，計算得內(nèi)徑為150 mm。

根據(jù)GB/T 8163—2008中流體輸送用無縫鋼管的力學(xué)性能選擇Q460牌號鋼管，其抗拉強度為550 MPa～720 MPa，下面計算液壓管道的壁厚。

管道壁厚δ(mm)的計算公式為:

(5)

(6)

其中：p為管道內(nèi)最高工作壓力，MPa；σp為管道材料的許用應(yīng)力，Pa；σb為管道材料的抗拉強度，Pa；n為安全系數(shù)，對鋼管來說，p<7 MPa時取n=8，7 MPa≤p≤17.5 MPa時取n=6，p>17.5 MPa時取n=4。

選擇標準系列確定測試系統(tǒng)鋼管壁厚，45 MPa高壓管路鋼管安全系數(shù)取4，計算得壁厚為14 mm；6 MPa回液管路鋼管安全系數(shù)取8，計算得壁厚為5.5 mm；2 MPa主吸液管路鋼管安全系數(shù)取8，計算得壁厚為2.2 mm。

為有效減小系統(tǒng)管路振動，根據(jù)經(jīng)驗采用蜂窩型阻尼器，其特殊結(jié)構(gòu)可以使沖擊動能迅速轉(zhuǎn)化為熱能釋放，在所有自由度上都可以實現(xiàn)無延遲減振、無空行程，適用范圍廣，易于安裝，無磨損件，使用壽命長，維護成本低。

2.5 蓄能器

蓄能器在工作時其總?cè)莘e計算公式為：

(7)

其中：p0為蓄能器充氣壓力，MPa；V0為相應(yīng)p0時的氣體容積，L；p1為蓄能器最小工作壓力，MPa；p2為蓄能器最大工作壓力，MPa；m為指數(shù)，絕熱過程m=1.4;Vw為蓄能器有效容積，L。

在蓄能器總?cè)莘eV0最小、單位容積儲存能量最大的條件下，絕熱過程時：

p0=0.471p2.

(8)

蓄能器設(shè)計使用最大壓力p2=37.5 MPa，計算充氣壓力p0=17.66 MPa，設(shè)計使用最小壓力6 MPa。

蓄能器在本系統(tǒng)的作用為當液壓執(zhí)行元件短時間快速運動時補充供液，根據(jù)系統(tǒng)流量，Vw取310 L，計算得蓄能器總?cè)莘e為197 L。根據(jù)實際工況和推薦的標準容積，選擇2支100 L皮囊蓄能器。

2.6 過濾站

過濾器流量計算公式為：

(9)

其中：Q0為過濾器的流量，m3/s；A為有效過濾面積，m2；x為濾芯的個數(shù)；Δp為壓力差，MPa；Cv為流量系數(shù)，取0.098；η0為液體的動力黏度，MPa·s，25 ℃乳化液的動力黏度為0.893 7 MPa·s。

濾芯的過濾面積越大，過濾能力越強。現(xiàn)單個濾筒的過濾面積為0.18 m2，根據(jù)流量(即泵站總流量2 090 L/min)計算所需濾筒個數(shù)。濾芯前后的壓力差取0.25 MPa，計算得出需要8個濾筒即可滿足流量的設(shè)計要求。

選用2 500 L自動反沖洗高壓過濾站，此過濾站有8個濾筒，公稱壓力45 MPa，使用25 μm過濾精度濾芯，能夠有效過濾雜質(zhì)。同理，通過計算亦可求得系統(tǒng)中其他類型的過濾裝置。

3 結(jié)論

本文完成了測試系統(tǒng)的液壓部分設(shè)計和組成元部件選型，能夠滿足設(shè)計需求，為今后的測試系統(tǒng)建設(shè)奠定了理論基礎(chǔ)。