液壓支架高壓大流量閥綜合試驗臺設(shè)計與仿真

張嘉鷺，邵明輝

(1.江蘇師范大學(xué)科文學(xué)院，江蘇徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇徐州 221008)

0 前言

隨著煤礦大采高工作面的相繼出現(xiàn)，液壓支架也隨之向高壓大流量方向發(fā)展，這一發(fā)展趨勢也相應(yīng)影響著液壓支架用閥的研發(fā)與應(yīng)用。為促進我國煤礦液壓支架用閥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的提升，煤炭科學(xué)研究院制訂了國家標(biāo)準(zhǔn)GB 25974.3—2010《煤礦用液壓支架 第3部分：液壓控制系統(tǒng)及閥》，新標(biāo)準(zhǔn)的實施提升了我國液壓支架高壓大流量閥的研發(fā)水平，但其試驗臺的發(fā)展水平卻相對滯后。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者已針對液壓支架大流量閥試驗臺開展了相關(guān)研究。捷克煤礦研究中心研制了落錘沖擊試驗系統(tǒng)，實現(xiàn)對液壓支架立柱及支架用閥的沖擊性能試驗，但由于沖擊之后負(fù)載迅速消除，持續(xù)時間短，沖擊試驗系統(tǒng)控制難度較大，因此未能廣泛推廣。曾偉設(shè)計了液壓支架高壓大流量閥綜合試驗臺，采用七套高壓大流量柱塞泵對被試閥進行加載型式試驗，但該試驗臺不能對安全閥公稱流量啟溢閉和沖擊壓力安全性進行試驗，而上述試驗項目關(guān)系到安全閥的動態(tài)響應(yīng)特性。王勇設(shè)計了液壓支架安全閥試驗臺，該試驗臺設(shè)置有增壓大流量加載系統(tǒng)，可以對500 L/min的安全閥進行動態(tài)沖擊性能試驗，但該試驗臺同樣不能進行公稱流量啟溢閉特性試驗。

因此，本文作者擬研制一套安全可靠、節(jié)能高效的液壓支架高壓大流量閥綜合試驗臺。該試驗臺以雙蓄能器組為輔助動力源，實現(xiàn)系統(tǒng)的分時快速加載，進而提供大流量支架用閥承受沖擊時的壓力和流量，模擬液壓支架承受嚴(yán)重頂板沖擊的工況，能對液壓支架高壓大流量閥進行出廠試驗，同時滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

1 試驗臺液壓系統(tǒng)總體設(shè)計

液壓支架高壓大流量閥試驗臺液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。國家標(biāo)準(zhǔn)中所要求的液壓支架用閥各試驗項目的試驗方法如下所述。

圖1 液壓支架高壓大流量閥試驗臺液壓系統(tǒng)原理

(1)安全閥小流量啟溢閉壓力試驗

如圖1所示，安全閥進液口接1號口，關(guān)閉蓄能器用截止閥組6，大流量插裝閥組7關(guān)閉，油泵站壓力逐漸提高至被試安全閥開啟，調(diào)節(jié)流量控制閥14，使被試閥溢流流量為0.04 L/min(通過位移傳感器及增壓比可得出)，溢流3 min后，切斷供液，至1號口處壓力計穩(wěn)定為止。該過程為安全閥小流量啟溢閉壓力試驗的全過程。

(2)安全閥公稱流量啟溢閉特性試驗

如圖1所示，安全閥公稱流量啟溢閉特性試驗可分為蓄能器儲能階段、試驗階段和復(fù)位階段。蓄能器儲能階段：安全閥進液口接1號口，增壓缸9活塞處于大缸筒的左側(cè)初始端，油泵站1向蓄能器組5輸送液壓油，蓄能器組5儲能。試驗階段：當(dāng)蓄能器組5達(dá)到預(yù)設(shè)充液壓力后，油泵站溢流閥2溢流，小乳化液泵站18對被試閥進行預(yù)加壓，使增壓缸9小缸筒右側(cè)末端壓力為被試安全閥公稱壓力的60%；插裝閥組中電磁鐵YA3得電，兩位三通閥換向，插裝閥關(guān)閉，然后電磁鐵YA8得電，使插裝閥上端壓力下降，插裝閥閥芯快速開啟通流；由于公稱流量啟溢閉要求試驗時系統(tǒng)壓力上升梯度為120 MPa/s以上，使安全閥開啟，公稱流量溢流持續(xù)0.5 s以上；要求試驗過程中，電磁鐵YA2先通電，經(jīng)過0.5 s后電磁鐵YA8通電，此時插裝閥7.1主閥芯開啟，YA2開啟0.2 s后電磁鐵YA3通電，經(jīng)過0.5 s后電磁鐵YA10通電，此時插裝閥7.2主閥芯開啟，插裝閥7.1和7.2同時開啟，并向增壓缸供液；經(jīng)過0.3 s后，電磁鐵YA8、YA10同時斷電，再經(jīng)過0.5 s后電磁鐵YA2、YA3同時斷電，試驗過程結(jié)束。復(fù)位階段：操縱手動換向閥10，使換向閥10處于左邊位置，兩位四通電磁換向閥12通電，高壓油將液控單向閥11反向打開，乳化液推動增壓缸左移，到達(dá)起始位置。

(3)安全閥沖擊壓力安全性

沖擊壓力安全性試驗和公稱流量啟溢閉特性試驗基本相同，只是在試驗階段只開啟一個插裝閥，即只使用一組蓄能器，時間完全相同，只是蓄能器的充液壓力不同。

(4)安全閥密封性能試驗

密封性能試驗中被試閥被試口接2號口，通過高低壓切換閥切換高壓和低壓。

高壓密封性能：高壓可以通過增壓缸對乳化液進行加壓，達(dá)到被試閥所需高壓壓力，切斷供液，待壓力穩(wěn)定后記錄壓力值。

低壓密封性能：低壓可以通過乳化液泵站直接進行加壓，達(dá)到壓力后切斷供液，穩(wěn)定一段時間，記錄壓力值。

(5)強度試驗

被試閥被試油口接2號口，兩位四通換向閥得電，液壓油經(jīng)進入增壓缸9左腔，通過增壓缸將乳化液增壓到公稱壓力的1.5倍，穩(wěn)壓至規(guī)定時間。

(6)開啟壓力測定

被試閥進油口接2號口，將手動換向閥切換到左位，調(diào)節(jié)乳化液泵站18壓力，使被試閥開啟，記錄被試閥開啟瞬間壓力傳感器的最高讀數(shù)。

(7)關(guān)閉壓力測定

被試液控單向閥進油口接2號口，回油口接3號口，關(guān)閉3號口后面的截止閥，調(diào)節(jié)油泵站電磁溢流閥2的溢流壓力，使被試閥的壓力為公稱壓力，通過控制增壓缸前的電磁溢流閥，使系統(tǒng)迅速停止供液，被試閥進液壓力降為0，記錄壓力傳感器在整個過程中的壓力值。

(8)控制壓力測定

被試液控單向閥回液口、進液口和控制油口分別連接試驗臺的2號口、3號口和4號口，調(diào)節(jié)溢流壓力，使液控單向閥回油口壓力為公稱壓力，手動換向閥22處于右位，調(diào)節(jié)乳化液泵站24的系統(tǒng)壓力，使壓力緩慢上升到被試閥卸載，記錄被試閥卸載瞬時壓力傳感器的數(shù)值。

(9)背壓安全性

被試液控單向閥反向接4號口，進液口及控制油口接2號口，調(diào)節(jié)乳化液泵站24壓力，接口4壓力為15 MPa，調(diào)節(jié)小乳化液泵站18壓力，使進液口及控制油口壓力緩慢上升至8 MPa，進行試驗。

(10)液控單向閥密封性能

高壓密封：被試液控單向閥反向接2號口，調(diào)節(jié)泵站1壓力，通過兩位四通換向閥13、液控單向閥11及增壓缸9，使壓力逐漸升高至被試閥的公稱壓力，待穩(wěn)定后切斷供液。

低壓密封：被試液控單向閥反向接2號口，調(diào)節(jié)乳化液泵站18壓力，乳化液通過單向閥、手動換向閥10及液控?fù)Q向閥，使接口2的壓力為2 MPa，待壓力計穩(wěn)定后，切斷供液。

2 被試安全閥數(shù)學(xué)模型

選定型號為FAD1000/40(公稱流量1 000 L/min，公稱壓力42 MPa)的安全閥為被試對象，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。閥芯上鉆有兩排直徑為的通流小孔，左端小孔數(shù)目為，右端小孔數(shù)目為，當(dāng)閥前壓力小于安全閥的調(diào)定壓力時，安全閥的通流小孔未越過閥體中嵌入的O形密封圈，故溢流量為0；當(dāng)閥前壓力超過時，通流小孔越過O形密封圈，開始溢流。

圖2 大流量安全閥結(jié)構(gòu)簡圖

(1)閥芯受力平衡方程：

(1)

(2)

式中：為閥芯質(zhì)量，kg；為彈簧質(zhì)量，kg；為閥芯上腔作用面積，m；為閥芯位移，mm；為閥芯上腔壓力，Pa；為閥芯運動阻尼系數(shù)；為彈簧剛度，N/mm；為彈簧預(yù)壓縮量，mm；為閥口液動力剛度，=πsin2。

(2)閥芯的流量方程：

(3)

式中：為主閥芯溢流流量，m/s；為閥口流量系數(shù)；Δ為滑閥閥口壓力差，Pa；為滑閥閥口的過流面積，m。

(3)閥芯的流量連續(xù)性方程：

(4)

式中：為安全閥閥芯小孔溢流流量，L/min；為安全閥油口流量，L/min；為主閥芯左端容積，m；為乳化液體積模量，Pa。

3 試驗臺液壓系統(tǒng)仿真分析

3.1 仿真內(nèi)容與標(biāo)準(zhǔn)

高壓大流量安全閥的沖擊壓力安全性試驗和公稱流量啟溢閉特性試驗是現(xiàn)有試驗臺設(shè)計過程的難點，也是考量液壓支架用閥試驗臺性能的重要指標(biāo)。因此，本文作者以大流量安全閥作為仿真對象，對它進行沖擊壓力安全性和公稱流量啟溢閉特性的仿真分析。

GB 25974.3—2010標(biāo)準(zhǔn)要求該安全閥沖擊壓力安全性的試驗方法為：試驗臺提供的被試閥閥前壓力須在25 ms內(nèi)由公稱壓力的60%升至公稱壓力的1.3倍；公稱流量啟溢閉特性的試驗方法為：試驗臺提供給被試閥的開啟壓力須高于其公稱壓力的1.5倍，且壓力上升梯度大于120 MPa/s，試驗臺提供的流量為被試閥的公稱流量，且溢流時間持續(xù)0.5 s以上。

3.2 安全閥沖擊壓力安全性仿真

(1)仿真系統(tǒng)搭建

所搭建的安全閥沖擊特性試驗仿真系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)中各元件仿真參數(shù)的設(shè)置如表1所示。

圖3 FAD1000/40型安全閥沖擊安全性試驗仿真系統(tǒng)

表1 仿真模型參數(shù)設(shè)置

(2)仿真結(jié)果分析

被試安全閥FAD1000/40的公稱壓力為42 MPa。壓力、流量的仿真結(jié)果分別如圖4、圖5所示。可知：在沖擊安全性試驗開始前，被試安全閥閥前壓力呈現(xiàn)振蕩衰減態(tài)勢，最終穩(wěn)定在公稱壓力的60%，即25.2 MPa；受液壓油液體慣性和試驗臺各液壓元件響應(yīng)速度的影響，壓力和流量仿真曲線的上升出現(xiàn)延遲，直至0.643 s時，被試安全閥閥前壓力才開始上升，并在18 ms后由25.2 MPa上升至54.6 MPa。由此可以得出，被試安全閥閥前壓力由公稱壓力的60%(25.2 MPa)升至公稱壓力的1.3倍(54.6 MPa)所需的時間在25 ms以內(nèi)，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)GB 25974.3—2010的要求。

圖4 FAD1000/40型沖擊壓力安全性試驗壓力曲線 圖5 FAD1000/40型沖擊壓力安全性試驗流量曲線

3.3 安全閥公稱流量啟溢閉特性仿真

(1)仿真系統(tǒng)搭建

由安全閥沖擊壓力安全性試驗仿真曲線可知，被試安全閥在公稱流量下的溢流時間很短，單純增加蓄能器的體積不能使被試安全閥公稱流量溢流時間持續(xù)0.5 s。因此，本文作者通過增加一組蓄能器和插裝閥，并對信號源進行延時開啟，使通過安全閥的流量為公稱流量。所搭建的安全閥公稱流量啟溢閉特性試驗仿真系統(tǒng)如圖6所示，各元件仿真參數(shù)設(shè)置同沖擊安全性試驗一致。

圖6 FAD1000/40型安全閥公稱流量啟溢閉特性試驗仿真系統(tǒng)

(2)仿真結(jié)果分析

流量、壓力仿真結(jié)果分別如圖7、圖8所示。被試安全閥在公稱流量和1.5倍公稱壓力下溢流，時間為0.5 s。由圖7可知：試驗信號給定后，蓄能器開始供液，流量的最大值為1 123.7 L/min，且持續(xù)提供高于1 000 L/min的流量超過0.5 s，試驗臺提供的流量符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 FAD1000/40型安全閥公稱流量啟溢閉試驗流量曲線 圖8 FAD1000/40型安全閥公稱流量啟溢閉試驗壓力曲線

由圖8可以看出：在試驗信號給定后的25 ms內(nèi)，系統(tǒng)壓力由0 MPa升至壓力峰值70.8 MPa，大于被試閥1.5倍的公稱壓力(63 MPa)；壓力上升梯度為2 832 MPa/s，遠(yuǎn)大于120 MPa/s。因此，試驗臺提供的壓力也滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

(1)所設(shè)計的液壓支架高壓大流量閥試驗臺以雙蓄能器組為輔助動力源，配合增壓缸實現(xiàn)了系統(tǒng)的分時快速加載，可以為被試閥提供近乎階躍的短時大流量高壓沖擊，模擬液壓支架承受嚴(yán)重頂板沖擊的工況，能對液壓支架用大流量安全閥、液控單向閥、換向閥和截止閥進行性能試驗。

(2)基于AMESim軟件搭建了試驗系統(tǒng)的仿真模型，并以FAD1000/40型安全閥為試驗對象，對它進行了沖擊壓力安全性和公稱流量啟溢閉特性仿真分析。結(jié)果表明：所設(shè)計的安全閥沖擊安全性試驗系統(tǒng)能在25 ms內(nèi)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的閥前沖擊壓力；所設(shè)計的安全閥公稱流量啟溢閉特性試驗系統(tǒng)可提供最高70.8 MPa的開啟壓力和1 123.7 L/min的流量，且試驗時系統(tǒng)壓力上升梯度超過120 MPa/s、公稱流量溢流時間超過0.5 s。以上數(shù)據(jù)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，進一步驗證了試驗臺及試驗方法的合理性。

(3)以蓄能器為動力源的快速加載系統(tǒng)較之高壓大流量泵加載系統(tǒng)，具有節(jié)能、高效、成本較低的特點，可為現(xiàn)有液壓支架閥試驗臺的優(yōu)化設(shè)計提供參考。