液壓支架單向閥卸荷沖擊壓力測試方法研究*

楊建新

(1.煤炭科學技術研究院有限公司， 北京 100013；2.國家煤礦支護設備質量監督檢驗中心，北京 100013；3.煤炭資源開采與環境保護國家重點實驗室， 北京 100013)

0 引言

液壓支架是綜采工作面控制頂板的關鍵支護設備，液控單向閥作為液壓支架的核心部件，用于控制立柱工作腔的進液和有條件的回液，并在關閉后封閉工作腔的高壓液體。由于復雜、特殊的地質條件，給采煤工作面帶來許多危險因素，像頂板下沉、斷裂等情況，會導致支架產生較大形變，降架時，單向閥反向打開，大量的高壓液體瞬時通過單向閥排出，引起液壓系統振蕩，易造成設備損壞，所以單向閥的動態特性直接影響整個液壓支架系統使用壽命。而標準測試系統是剛性的，缺少液壓支架形變儲能釋放的實際工況，測試結果無法真正反映出單向閥的動態特性[1-2]。

基于此，本文通過在實驗室內液壓支架偏載工況、標準測試工況、碟簧蓄能工況下進行大量試驗，分析不同工況下卸荷沖擊壓力變化規律，結合實際工況，提出一種基于碟簧蓄能裝置模擬支架形變釋放的單向閥卸荷沖擊測試方法，為標準制修訂提供數據支撐及理論依據。

1 標準及試驗情況分析

依據標準GB 25974—2010要求[3-4]，單向閥卸荷沖擊壓力試驗流程如圖1所示，先是通過泵源給立柱進行初撐使其與頂板接觸，接頂后立柱下腔及單向閥高壓側(工作腔)壓力為供液壓力，隨著頂板下沉，立柱下腔的壓力逐漸升高至閥的工作壓力，降架時使單向閥反向打開，立柱下腔壓力降至卸荷壓力。單向閥卸荷沖擊試驗條件為供液壓力為31.5 MPa，陪試立柱缸徑280 mm，有效行程600 mm，卸荷時間t4為由公稱壓力Pe降至Pr這個時間段，依據標準要求t4≤2 s。

T-循環周期；Pe-公稱壓力；Pc-供液壓力(31.5 MPa)；Pr-卸載壓力(≤0.25Pe)；t1-初撐加壓期；t2-增壓期；t3-穩壓期；t4-卸載期。

1.1 實驗室內液壓支架偏載工況測試分析

由于液壓支架在偏載工況下，支架產生的形變最大，卸荷時對液控單向閥產生的沖擊最大，測試現場如圖2所示[5]。

圖2 液壓支架偏載測試工況

四柱式液壓支架與兩柱式相比，結構穩定，產生的形變較小，所以選擇兩柱式液壓支架進行單向閥卸荷沖擊測試，工況最苛刻，最能反映出產品的動態特性。選取了不同工作阻力、立柱缸徑均為280 mm的4臺液壓支架進行試驗，測得的卸荷時間在1.0 s左右，如表1所示。

表1 在實驗室內液壓支架偏載工況下卸荷時間

液壓支架偏載工況下，001#、002#、003#、004#液控單向閥在泵站供液壓力下卸荷沖擊壓力變化規律如圖3所示。

圖3 在液壓支架偏載工況下單向閥卸荷沖擊壓力變化規律

1.2 標準測試工況分析

實驗室工況采用缸徑280 mm的立柱放置在固定框架模型內，測試現場如圖4所示。

圖4 實驗室測試工況

通過表2可以看出在標準測試工況下卸荷時間一般較短，在0.33 s左右，卸荷時只需排出產生壓縮的液體，很快進行低壓工作狀態[6,8]。

表2 在標準測試工況下卸荷時間

4個液控單向閥卸荷沖擊壓力變化規律如圖5所示。從圖中可看出,標準測試工況下卸荷時間均較短。

圖5 在實驗室工況下單向閥卸荷沖擊壓力變化規律

1.3 蓄能工況測試分析

為改善實驗室單向閥卸荷沖試驗環境，解決卸荷形變能量不足技術難題，設計研發了碟簧蓄能裝置，如圖6所示，另外通過減少立柱活塞桿長度，保證了立柱下腔容積一致；基本實現了液壓支架單向閥卸荷沖擊能量釋放的精確模擬。

圖6 碟簧蓄能測試工況

從表3可看出,在碟簧蓄能工況下的卸荷時間。液控單向閥在碟簧蓄能工況下與支架偏載工況下進行擬合比對，變化規律如圖7所示。

表3 在碟簧蓄能工況下卸荷時間

經上述試驗分析，通過在標準測試工況中施加碟簧蓄能裝置有效增加了單向閥卸荷時間，改變壓力卸荷梯度，與液壓支架偏載工況下的變化規律基本一致，實現了本文的目的。

2 碟簧蓄能裝置設計

依據機械設計手冊(第五版)第3卷[7]中碟形彈簧的相關理論計算公式、固定框架承載、立柱高壓釋放體積、實際安裝尺寸等相關基礎參數，設計、研發專用高載荷碟簧，外觀圖及尺寸如圖8所示。

圖8 專用高載荷碟簧外形及尺寸

(a) 001#FDY320/40沖擊壓力變化規律

(b) 002#FDY400/50沖擊壓力變化規律

(c) 003#FDY400/50沖擊壓力變化規律

(d) 004#FDY400/50沖擊壓力變化規律

根據單片蝶形彈簧的載荷計算公式：

(1)

式中：F為單片碟簧載荷，N；E為彈性模量，MPa；μ為泊松比;t為彈簧厚度，mm；D為碟簧外徑，mm；h0為彈簧變形量，mm；K1、K4為計算系數，詳見機械設計手冊。

通過式(1)計算出單片碟簧載荷為1 451 kN。

根據單片蝶形彈簧的變形能計算公式：

(2)

式中：f為彈簧的變形量，mm；U為變形能，kJ。

通過式(2)計算出單片碟簧的變形能為2 148 kJ，相當于0.5 kg炸藥產生的能量。

通過理論計算，最終單片碟簧的技術參數如表4所示。

表4 單片碟簧技術參數表

由于單片碟簧的變形量和載荷值不能滿足使用要求，須采用對合(相向、同規格的一組碟簧組合)、疊合(同方向、同規格的一組碟簧組合)的組合方式，使得碟簧特性具有較大的使用范圍。經過理論計算、反復組合及大量試驗分析，最終采用的疊合和對合的組合各兩組，共4組，每組2片，共計8片。碟簧蓄能單元的最大下壓位移為27 mm，最大載荷為5 828 kN，最大儲存能量為8 594 kJ，滿足試驗要求。

3 結論

1) 在實驗室內液壓支架偏載工況的卸荷時間在1 s左右，而標準測試工況下的卸荷時間一般在0.33 s左右，兩種工況下相差0.6 s，產生的原因是支架形變，儲存了較大能量，在卸載時不僅要釋放出產生壓縮量的液體，還要釋放支架形變產生的能量。

2) 碟簧蓄能裝置較大程度上模擬了支架形變儲能，改善了實驗室內單向閥卸荷沖擊壓力的試驗環境，更加接近實際工況，提高了單向閥產品的檢測水平。