液壓支架安全閥小流量溢流耐久性能群測技術研究

崔述凱

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

液壓支架用安全閥是液壓支架系統的重要元件，其在常態下為常閉狀態，可以閉鎖立柱下腔高壓液體，使液壓支架保持一定的支撐力；當頂板來壓時，安全閥可在一定壓力范圍內開啟溢流，釋放高壓液體，既保證了液壓支架的支撐力，同時也避免了液壓支架結構件及液壓缸等的超載工作，從而確保采煤工作面的安全、可靠[1-2]。

隨著采煤技術的飛速發展，對煤礦的高產、高效提出了更高的要求，因此對液壓支架及其元部件，尤其是安全閥的可靠性 (即耐久性能) 的要求也相應提高，并且《安全生產法》中明確規定，液壓支架安全閥需取得安全標志方可下井使用。自 2017 年 9 月 1 日起，GB 25974.3—2010《煤礦用液壓支架 第 3 部分：液壓控制系統及閥》作為安全閥產品安標認證檢驗執行標準，不再執行 MT 419—1995《液壓支架用閥》標準。該標準中對安全閥小流量耐久性能的試驗方法及性能要求均作出了明確的規定[3-4]。目前，安全閥小流量耐久性能試驗方法單次循環時間約為 35 s，完成 GB 25974.3—2010 規定要求的 3 個試件的試驗周期約為146 h，制約了企業取證周期，急需研發高效率安全閥小流量耐久性能試驗技術及裝置。為此，設計了新型增壓裝置，并開發了配套液壓系統及測控系統，優化了測試流程，實現了安全閥小流量耐久性能試驗效率的大幅度提高。

1 新型增壓裝置設計

1.1 結構設計

安全閥小流量溢流耐久性能試驗要求壓力較高，因此需要提高系統輸出壓力[5-6]。為此設計了新型增壓裝置，采用機械傳力、串聯輸出結構，3 個輸出腔相對獨立，互不干擾，且運動行程相等，避免因安全閥調定壓力不同造成運動不同步。增壓裝置由行程指示桿、低壓輸入端、機械傳力桿、高壓輸出端組成，其結構如圖 1 所示。

圖1 增壓裝置結構示意Fig.1 Structural sketch of pressure booster

1.2 參數設計

(1) 輸入、輸出端缸徑及增壓比的計算

試驗壓力p1=55 MPa，輸入壓力p2＜18 MPa，由此可確定增壓比n應大于p1/p2，即n>3.05。

考慮到試驗運行效率及成熟液壓缸缸徑，選擇輸入端大缸直徑D=200 mm，行程桿直徑D1=20 mm。由增壓缸結構可知，高壓輸出端為環形腔，選擇輸出端缸徑d=100 mm，傳力桿直徑d1=80 mm。

經計算，增壓比

證明各結構尺寸選擇合理。

(2) 增壓缸行程的計算

由標準可知，安全閥試驗時，1 次溢流容積V0=0.12 L。為提高試驗效率，實現 1 次充液多次加載，并綜合考慮增壓缸的長度，設計增壓缸 1 次充液可滿足 5 次加載，即增壓缸高壓腔容積應不小于 5 次試驗排量，即V≥ 5V0=0.6 L。

增壓行程

考慮液體壓縮及增壓缸受力，選擇行程L=300 mm。

(3) 最終參數

經過上述計算，最終確定輸入端大缸直徑D=200 mm，行程桿直徑D1=20 mm，輸出端缸徑d=100 mm，傳力桿直徑d1=80 mm，增壓比n=3.7，增壓缸行程L=300 mm。

2 液壓系統設計

液壓系統由乳化液模塊、加載模塊、高壓輸出模塊、卸荷模塊等組成。其中乳化液模塊實現增壓缸復位，并為安全閥提供初始壓力；加載模塊由加載泵站及流量調節系統組成，通過采集加載缸位移，調節比例流量閥，實現加載速度閉環控制；高壓輸出模塊由液控單向閥和穩壓罐等組成，用于獨立高壓輸出，實現 3 個工位同時工作；卸荷模塊主要是通過控制安全閥前的液控單向閥，對 3 個被試安全閥卸荷。液壓原理如圖 2 所示。

圖2 液壓系統原理Fig.2 Principle of hydraulic system

進行安全閥小流量溢流壽命試驗時，將安全閥接于 3 個高壓口。DT4 帶電，啟動乳化液泵、加載油泵和控制泵，此時系統內沒有壓力。DT4 斷電，乳化液泵帶壓，同時 DT1 帶電，乳化液泵對增壓器和被試閥充液；當充液至設定位移及壓力后，DT1 斷電，DT3 帶電使加載泵帶壓，通過計算機給 DT2 一個輸入信號，該信號由數據采集卡上的 D/A 通道轉換后經過放大器控制比例流量閥的開口，進而控制增壓缸的運動，系統開始加載，3 個高壓出口同時增壓至被試閥安全閥開啟溢流；達到設定溢流時間后，DT2、DT3 斷電，停止增壓，單向閥 13 可截止高壓液體，測試被試安全閥關閉壓力。然后，DT5 帶電，將液控單向閥 17 高壓口的壓力卸壓，與此同時，增壓器靠乳化液的壓力使其復位，上腔的油液通過 DT1 回到油箱。

3 測控系統

3.1 測控系統硬件組成

測控系統硬件主要由工控機、多通道數據采集卡、多通道開關量輸出卡、位移傳感器、高頻壓力傳感器和打印機等組成，如圖 3 所示。

圖3 測控系統硬件組成Fig.3 Hardware constitution of testing system

3.2 測控軟件

測控系統軟件采用 Visual Basic 6.0 語言編制，可采集、判斷 3 個被試安全閥的壓力信號，并可根據增壓裝置位移傳感器輸出信號對比例流量閥進行控制，形成閉環反饋，達到對輸出流量的動態調整，實現計算機與采集卡、開關量輸出卡的通信和控制功能。軟件采用模塊化設計，如圖 4 所示。軟件工作流程如圖5 所示。

圖4 測控系統軟件模塊框圖Fig.4 Block diagram of software of testing system

圖5 測控系統軟件工作流程Fig.5 Process flow of software of testing system

測控系統軟件主運行界面如圖 6 所示。該界面可同時顯示 3 個工位耐久性能試驗運行情況，包括實時壓力、試驗進度等。試驗結束后可按需求打印試驗記錄。

圖6 測控系統主界面Fig.6 Main interface of testing system

4 實際應用

安全閥小流量耐久性能試驗系統建成后，進行了實際應用，分別對 FATA1000/50、FATA400/40 等不同型號液壓支架安全閥進行了測試。結果表明，該試驗系統運行穩定，3 個不同工位可實現同步加載，整套試驗系統可實現自動循環控制，試驗數據可自動采集、顯示、判斷及輸出，實現了 3 個安全閥同步測試，試驗效率提高了 2 倍。

5 結語

設計了專用液壓系統及測控系統，并研發新型增壓裝置，實現了 3 個安全閥小流量溢流壽命同步測試。安全閥小流量耐久性能試驗系統可自動循環測試，測控軟件人機交互良好，大幅提高了試驗效率，為提高安全閥小流量溢流可靠性提供了研究基礎及條件。