氣體彈簧對大流量安全閥動態(tài)特性的影響

徐麗霞

摘 要：本文圍繞安全閥動態(tài)特性的重要性、有關(guān)安全閥空氣彈簧模型的分析、安全閥動態(tài)開啟特征對比研究、氣體彈簧對大流量安全閥動態(tài)特性影響的實驗四個方面展開討論，對氣體彈簧對大流量安全閥動態(tài)特性的影響進行了分析，并提出了一些作者自己的拙見，希望能夠?qū)窈蟮拇罅髁堪踩y的設(shè)計工作提供一些理論建議。

關(guān)鍵詞：氣體彈簧；大流量安全閥；動態(tài)特性

中圖分類號：TH137 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）05-0032-01

液壓支架安全閥由于它所具備的直動式彈簧結(jié)構(gòu)具有高度的安全性與可靠性，且結(jié)構(gòu)簡單，因此在液壓支架領(lǐng)域中得到廣泛的使用。在本論文中，筆者使用氣體安全閥對安全閥進行建模，對其剛度以及安全閥動態(tài)響應(yīng)的影響分別進行了研究，并將其與傳統(tǒng)的矩形彈簧結(jié)構(gòu)進行對比，創(chuàng)新了一種針對于大流量安全閥的設(shè)計模式。

1 安全閥動態(tài)特性的重要性

在綜采工作面正常工作的過程中，當頂板以及周期第一次發(fā)生壓力時會釋放出大量的能量，并產(chǎn)生極大的破壞力，這個時候頂板負載會呈現(xiàn)出階躍式增加，并導(dǎo)致立柱下腔的壓力急劇增加。此時，安全閥的性能好壞對于液壓系統(tǒng)的工作效率以及安全性具有極大的影響，若安全閥可以在第一時間內(nèi)使負荷得到卸載，系統(tǒng)將會快速恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)鐘。若安全閥不能夠在第一時間內(nèi)及時將負荷進行卸載，那么很容易引起立柱下腔部分的壓力值發(fā)生急劇的增加，從而導(dǎo)致液壓相關(guān)附件被損壞，嚴重時甚至可能引起支架柱損壞并造成坍塌事故的發(fā)生，使工作面無法維持正常的工作和運轉(zhuǎn)。因此可以說，安全閥的動態(tài)特性是考核大流量安全閥設(shè)計有效性的關(guān)鍵指標之一，同時也是確保大流量安全閥正常工作的因素之一。

安全閥在公稱流量方面的要求，會隨著液壓支撐力以及立柱直徑大小的增加而不斷提升。此外，隨著預(yù)壓縮率的增加，大流量安全閥在彈簧力方面的要求也會越來越高，相應(yīng)的彈簧剛度、彈簧體積以及彈簧種類的要求也會逐漸增加，從而使大流量安全閥的設(shè)計與加工更具挑戰(zhàn)性，因此可以說，彈簧的剛度、體積以及種類是阻礙大流量安全閥設(shè)計發(fā)展的主要阻礙因素之一。

2 有關(guān)安全閥空氣彈簧模型的分析

一般情況下，在液壓支架中使用的安全閥均為直動式彈簧結(jié)構(gòu)。大流量安全閥的工作原理為，當系統(tǒng)控制壓力相比于彈簧的預(yù)壓縮力更高時，閥門會自動進入移動狀態(tài)；當統(tǒng)控制壓力相比于彈簧的預(yù)壓縮力更低時，彈簧在對閥芯施加相應(yīng)的彈力后可以使閥芯復(fù)位。在此過程中，彈簧所提供的主要是預(yù)壓縮力，在閥芯發(fā)生移動時，彈簧力與閥芯位移量之間的比值增加。

充氣式彈簧的工作原理為，在密封容器內(nèi)部裝載著一些氮氣，這些氮氣的初始壓力為Po，作用面積為A，為安全閥提供的初始張緊力為Fo。在閥芯進口處的液壓力相比于張緊力Fo更低時，安全閥處于未開啟狀態(tài)，且空氣彈簧的閥芯保持靜止狀態(tài)，空氣彈簧不會被壓縮；在閥芯進口處的液壓力相比于張緊力Fo更高時，空氣彈簧的閥芯會受到液壓力的推動作用從而對安全閥中的密閉空氣進行壓縮，因為整個壓縮周期的時間非常短暫，因此只能根據(jù)理想的氣體絕熱壓縮方程式來對這一現(xiàn)象展開分析，這個時候，壓縮空氣所形成的壓力會跟隨位置移動的變化而不斷變化，因此可以說壓縮空氣的壓力主要是由位移因素決定的，且兩者之間必須一定的關(guān)系。

3 安全閥動態(tài)開啟特征對比研究

根據(jù)《液壓支架用安全閥控制特性研究》一文中的相關(guān)研究內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，大流量安全閥系統(tǒng)主要是通過二階函數(shù)來實現(xiàn)響應(yīng)過程的。

這種安全閥在響應(yīng)過程中表現(xiàn)的特性主要由兩方面因素決定，分別為閥芯組件的等效質(zhì)量以及等效彈簧鋼度所對應(yīng)的固定頻率。在機械式彈簧結(jié)構(gòu)中，驅(qū)動力以及張緊力會隨著閥芯作用面積的增加而逐漸提高，因此對于彈簧剛度的要求也會越來越高，最終會致使彈簧外徑與高度增加，從而影響安全閥結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效性。另外，隨著彈簧質(zhì)量的不斷增加，可以逐漸忽略閥芯組件與彈簧質(zhì)量之間的比值，從而也成為了影響安全閥響應(yīng)特性的一大重要因素。

而充氣彈簧很好地避免了這一問題的發(fā)生，它可以借助對初始啟動壓力以及初始密封腔閥面積的不斷調(diào)整來確保彈簧剛度具有更高的靈活性，并且它在彈簧剛度增加的過程中并不會影響到彈簧質(zhì)量。對于充氣彈簧的設(shè)計工作來說，它所面臨的最大難點主要在于如何在確保結(jié)構(gòu)合理的基礎(chǔ)上更好地實現(xiàn)氣動密封的安全性與可靠性。筆者以市場中最常見的機械彈簧式安全閥作為例子，并基于其中的機械彈簧設(shè)計了一個彈簧剛度完全一致的充氣式彈簧結(jié)構(gòu)，這兩種彈簧設(shè)計了諸多的參數(shù)，如彈簧剛度、閥芯重量，這些參數(shù)的大小正是決定其有效性高低的重要因素。

在得到這些參數(shù)后，需要將一些主要參數(shù)導(dǎo)入到安全閥傳遞函數(shù)當中，并在此基礎(chǔ)上進一步得出動態(tài)響應(yīng)特性所形成的曲線。通過對參數(shù)的導(dǎo)入后得到的曲線進行分析可以發(fā)現(xiàn)，充氣式彈簧安全閥具有最快的響應(yīng)速度，相比于其它類型的彈簧結(jié)構(gòu)來說，充氣式彈簧安全閥具有明顯的優(yōu)勢。從數(shù)據(jù)上來看，矩形彈簧響應(yīng)時間和充氣式彈簧響應(yīng)時間分別為35ms和18ms。

4 氣體彈簧對大流量安全閥動態(tài)特性影響的實驗

筆者在安全閥動態(tài)性能試驗室中分別針對一千L矩形彈簧式安全閥以及空氣彈簧式安全閥的動態(tài)特征展測試。在測試過程中，使用的調(diào)定壓力為五十兆帕，并采用動態(tài)采集速度為3K的壓力傳感器來進行系統(tǒng)壓力的采集工作，通過蓄能器來控制液壓缸的活動，從而達到增加壓力的目的。

根據(jù)彈簧動態(tài)相應(yīng)試驗曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，空氣式彈簧安全閥在動態(tài)響應(yīng)速度上顯著高于矩形彈簧的動態(tài)響應(yīng)速度，充氣式彈簧安全閥只需要21MS的時間進行相應(yīng)，而矩形彈簧安全閥則需要30MS的時間進行相應(yīng)。表1為充氣式彈簧的與矩形式彈簧的整體特性對比一覽表。

5 結(jié)語

綜上所述，降低液壓支架大流量安全閥設(shè)計有效性的主要因素為機械式彈簧的結(jié)構(gòu)類型、體積大小以及重量大小。在本文中，筆者圍繞氣體彈簧的基本工作原理、彈簧剛度計算以及彈簧剛度對安全閥動態(tài)響應(yīng)特征的影響性幾個方面對充氣式彈簧結(jié)構(gòu)在安全閥設(shè)計過程中的有效性進行了驗證。并通過動態(tài)測試對矩形式彈簧安全閥與充氣式彈簧安全閥之間的動態(tài)響應(yīng)速度分布進行了對比和分析。在這一實驗中充分驗證，在流量完全一致的情況下，通過對充氣式彈簧參數(shù)的有效設(shè)置，可以確保充氣式彈簧安全閥的動態(tài)響應(yīng)速度遠遠高于機械式彈簧安全閥，為未來大流量安全閥的發(fā)展提供了新的研究思路及研究方向。

參考文獻

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