液壓支架用安全閥沖擊安全性試驗技術及裝置研究

王利紅

1煤炭科學技術研究院有限公司礦用材料分院 北京 100013

2煤礦采掘機械裝備國家工程實驗室 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液壓系統的重要元件，主要用于保護立柱及支撐千斤頂等承載液壓缸，其性能直接影響液壓支架的支護性能[1-2]。隨著煤炭開采強度和深度的不斷增加，采深超過 1 000 m，沖擊地壓顯現明顯，對安全閥性能，尤其是抗沖擊性能的要求越來越高[3-4]。在此背景下，各大煤機公司和閥類生產企業積極進行了安全閥產品及其配套試驗裝置的研制，安全閥最大流量已達到 1 250 L/min、壓力高達 50 MPa，并具有一定的抗沖擊性，但配套試驗裝置一般僅能進行高低壓密封、強度等常規試驗，沖擊安全性等動態試驗無法進行。安全閥的試驗技術，尤其是沖擊性動態試驗技術已嚴重滯后于安全閥產品的技術發展和應用。

因此，研究安全閥沖擊安全性試驗技術和開發配套試驗裝置，對于提高行業檢測檢驗能力、安全閥技術水平和促進煤礦安全高效生產具有重要意義。筆者以蓄能器作為高壓流量源，基于專利技術，開發了沖擊加載缸，實現了安全閥沖擊安全性能的測試，且具有非常良好的經濟性。

1 國內外研究概況及發展趨勢

1.1 安全閥發展概況

液壓支架的支撐高度和工作阻力不斷增大，高壓、大流量已成為液壓支架用安全閥的發展方向[5]，隨著煤炭開采強度和深度的不斷增加，抗沖擊也將成為液壓支架用安全閥的重要發展趨勢。

國內生產的安全閥流量已經從 20 世紀的 80 L/min 發展到當前的 1 250 L/min，壓力從 40 MPa 提高至 50 MPa[6]。其中，直動式結構的安全閥典型產品為 FAD1000/50，最大流量為 1 000 L/min、壓力為50 MPa。隨著抗沖擊性能需求日益增加，出現了充氣式結構的安全閥，其體積更小，卸載更快，典型產品為天地瑪珂公司生產的 FAC1250/50 安全閥，最大流量為 1 250 L/min、壓力為 50 MPa。

德國 DAMS 公司研發的 FAD1250/50 安全閥，公稱流量為 1 250 L/min，結構形式為直動式；捷克OSTROJ 公司研發的 VR7100 安全閥，瞬時流量為 7 000 L/min，但對應國標 GB 25974.3 的公稱流量仍需進一步標定。雙級結構等新形式的安全閥也不斷涌現，其中德國瑪珂公司生產的具有先導功能的安全閥在西安重裝銅川煤機產品上有過應用。

國內外安全閥產品已形成了不同流量、不同結構的系列化、個性化產品，尤其是抗沖擊性能已成為不可或缺的性能指標。

1.2 沖擊試驗技術及裝置發展概況

煤炭科學研究總院于 20 世紀 70 年代引進了德國生產的沖擊試驗臺，采用伺服液壓加載沖擊方式，可對立柱的抗沖擊性能進行分析和評價，其結構復雜，元器件均須進口，維護困難，目前已廢棄。當前德國、波蘭、俄羅斯等國外主要采煤國家普遍采用落錘沖擊加載方式，通過將安全閥安裝于立柱下腔，直接沖擊立柱進而檢測安全閥的抗沖擊性能。但該方式需配套緩沖阻尼基礎，造價昂貴，投資在幾百萬元以上[7]。

鄭煤機集團以多泵并聯的方式研發了 500 L/min的大流量閥試驗裝置，但僅能實現高低壓密封及強度等常規試驗；浙江豐隆和天地瑪珂公司以蓄能器組方式研發了 1 000 L/min 大流量閥的試驗裝置，但也僅能進行安全閥公稱流量啟溢閉特性試驗。國內各大煤機公司和閥類生產企業尚不具備安全閥沖擊安全性動態試驗能力[8]。

2 總體設計

2.1 安全閥沖擊過程分析及試驗要求

液壓支架安全閥液壓系統工作原理如圖 1 所示。安全閥與立柱下腔相通，通常工況處于常閉狀態，立柱下腔的壓力p低于安全閥額定壓力pn。當工作面頂板突然來壓時，在沖擊載荷F的作用下，立柱下腔壓力迅速上升，達到pn時安全閥迅速開啟，高壓乳化液從安全閥排出，立柱讓縮，實現卸荷，直到立柱下腔壓力低于pn，安全閥關閉。

圖1 液壓支架安全閥液壓系統Fig.1 Yield valve hydraulic system of hydraulic support

在動態響應過程中，要求安全閥在一定壓力條件下排出液體的速度 (安全閥流量) 不小于立柱讓縮導致的立柱下腔容積的變化率，同時保證頂板下降過程中立柱下腔保持恒定的工作阻力，從而控制立柱及支架結構件承載在安全范圍內。安全閥動態響應包括及時開啟與關閉，一方面，在工作面來壓時安全閥要迅速開啟，保證立柱下腔壓力不會過高；另一方面，開啟泄壓后，安全閥也要及時關閉，保證立柱下腔壓力不會過低。

國標和歐標對安全閥的沖擊試驗系統規定如下：安全閥的快速加載試驗系統應使安全閥閥前壓力在 25 ms 內由安全閥設定壓力pn的 60% 增加到沖擊壓力，且在達到沖擊壓力之前，安全閥應開啟[9]。

不同流量的安全閥所需適應的沖擊壓力如表 1 所列。

表1 安全閥流量與沖擊壓力對照Tab.1 Comparison of flow and impact pressure of yield valve

2.2 沖擊試驗系統設計

安全閥沖擊試驗系統由蓄能器及輔助泵站、控制閥組、沖擊加載缸等組成。

以蓄能器作為沖擊加載源，通過先導沖擊加載缸實現增壓和快速加載，模擬動載沖擊工況，實現被試安全閥的沖擊安全性試驗。

試驗系統液壓原理如圖 2 所示，液壓油泵站 1為蓄能器組 3 充液，使其達到設定的工作壓力；啟動乳化液泵站 2，對組合功能液壓缸 4 的小腔充液，直至柱塞完全復位；液控單向閥 7 用于開啟充液與輸出油缸的卸荷，其控制口通過電磁換向閥 6 由油液系統控制；單向閥 8 用于回油截止，阻斷加載過程中乳化液的反向沖擊與回液，將加載回路與充液回路的隔離。

圖2 試驗系統液壓原理Fig.2 Working principle of hydraulic system of test system

充液完成后，沖擊加載缸的環形腔充滿了高壓油液，但此時液壓力僅作用于柱塞柱面，柱塞端面處于密封狀態，柱塞處于靜止狀態；當導通電磁開關閥5，高壓油液從控制口進入柱塞端面，先導控制使得柱塞產生運動，端面密封狀態解除，環形腔大流量高壓油液作用于柱塞端面，推動小腔乳化液，形成增壓效果，實現了被試安全閥的快速沖擊加載[10]。

通過調整蓄能器的充液壓力，可實現不同閥前沖擊壓力幅值的輸出控制；通過先導，可實現大壓力梯度的快速加載。

2.3 沖擊加載缸設計

2.3.1 結構設計

沖擊加載缸采用了自有專利技術[11]，集成了開關閥和增壓功能，采用柱塞伸縮結構型式，在同樣缸徑、行程的條件下，減小了液壓缸的長度，結構更緊湊[12-13]。增壓方式采用油水混合增壓模式，即大腔液壓油推動小腔乳化液，并通過先導設計實現了液壓缸的快速開啟，同時滿足了壓力幅值和壓力梯度的要求。考慮高壓設備安全性和過程控制，通過內置位移傳感器的方式，監測活塞位置。

如圖 3 所示，沖擊加載缸結構進行了改進：一是結構上增加了導向設計，在加載缸底部增加周向支撐點，保證了柱塞順利復位；二是采用端面密封、斜面定位技術，顯著提升了密封壽命和系統可靠性。

圖3 沖擊加載缸結構示意Fig.3 Structural sketch of impact loading cylinder

2.3.2 參數確定

根據表 1 可知，目前被試安全閥的公稱壓力最大為 50 MPa，流量為 1 000 L/min。不同流量所需的沖擊壓力不同，1 000 L/min 流量的安全閥沖擊壓力為65 MPa，而160 L/min 及以下流量的安全閥沖擊壓力為 75 MPa。試驗系統對流量無要求。

為滿足不同流量安全閥的試驗要求，試驗系統最高試驗壓力須大于 75 MPa，而液壓泵的額定工作壓力一般最高為 31.5 MPa，工作壓力一般為最高壓力的80%，約為 25.2 MPa，因此系統增壓比取k=3。

綜合權衡當前機械加工能力和經濟成本，確定油液活動柱塞缸徑D=200 mm，乳化液固定柱塞缸徑d=115 mm，即可保證增壓比k=(D/d)2≈3，滿足設計要求。雖然試驗系統對流量無要求，但需綜合考慮試驗的可觀察性和功能裕度，加載行程設定為 300 mm。

3 蓄能器系統設計

3.1 蓄能器工作的基本原理

氣囊式蓄能器利用充液液體壓縮其內部預充氣體來蓄能，工作時，在高壓氣體的推動下輸出高壓液體。隨著氣囊體積增大，輸出壓力逐漸降低。

由蓄能器輸出壓力特性可知，蓄能器的容積越大，輸出壓降越小。

3.2 蓄能器容積的確定

蓄能器工作的特性決定了其輸出壓力隨著液體的輸出而下降，蓄能器的容積對于輸出壓力的衰減率有著重要影響。

根據安全閥沖擊試驗的要求，試驗系統須同時保證沖擊壓力的幅值和梯度，對流量無要求。對于額定壓力為 50 MPa、公稱流量為 1 000 L/min 的安全閥 (型號 FAT1000/50)，沖擊壓力為 1.3 倍額定壓力，即65 MPa；對于額定壓力為 50 MPa、公稱流量為 160 L/min(型號為 FAT160/50) 以下的安全閥，沖擊壓力為 1.5 倍額定壓力，即75 MPa。

液體壓縮公式為

式中：h為液柱高度，mm；β為缸內介質的容積壓縮系數，對于濃度為 5% 乳化液，β=55×10-11m2/N；Δp為壓強差，MPa。

對于柱塞缸內的已知液柱，計算得出壓縮位移量為 19.8 mm，因此蓄能器輸出油液體積Vout=0.36 L，系統終端輸出壓力需保持在 75 MPa 以上。

由于系統增壓比k=3，設定試驗允許壓差為 3 MPa，那么蓄能器輸出壓力允許壓差即為 1 MPa，蓄能器最小輸出壓力為 25 MPa，蓄能器初始工作壓力即為 26 MPa。

氣體壓力公式為

式中：p0為蓄能器組充氣壓力，取p0=18 MPa；V0為蓄能器容積；n為氣體壓縮指數，n=1.4；p1為蓄能器最大充液壓力，取p1=26 MPa；V1為最大充液壓力下的氣體體積；p2為柱塞缸完全伸出后蓄能器的壓力，取p2=25 MPa；V2為柱塞缸完全伸出蓄能器組的氣體體積。

根據蓄能器組輸出液體的體積等于蓄能器的氣體體積的變化量，

計算得V0=16.5 L，即蓄能器理論所需最小容積為16.5 L，綜合考慮誤差、系統裕度和功能擴展性，確定配置 2 個單體容積為 40 L、額定工作壓力為 31.5 MPa 的蓄能器。

3.3 沖擊壓力衰減核算

對于型號為 FAT1000/50 的安全閥，將初始參數p0=18 MPa，p2=25 MPa，V0=80 L，Vout=0.32 L 代入式 (1)～ (3) 得p1=25.16 MPa，Δp=0.16 MPa，即完成該試驗，蓄能器排液 0.32 L，試驗壓力從 25.16 MPa 降至 25.00 MPa，衰減幅值為 0.16 MPa。

同理，對于型號為 FAD160/50 的安全閥，初始參數p0=18 MPa，p2=25 MPa，V0=80 L，Vout=0.36 L，計算得p1=25.20 MPa，Δp=0.20 MPa，即完成該試驗，蓄能器排液 0.36 L，試驗壓力從 25.20 MPa 降至 25.00 MPa，衰減幅值為 0.20 MPa。

4 計算機輔助測試系統 (CAT)

4.1 系統設計

安全閥沖擊安全性只需測定 1 個主參數沖擊壓力和 1 個輔助參數位移，位移參數用于試驗設備調試和過程控制。

系統將壓力傳感器、位移傳感器的參數實時傳輸至計算機系統，通過高速采集卡進行數據采集和處理，自動形成試驗曲線。

CAT 系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件包括操作臺、工控機、智能顯示儀表、壓力傳感器、位移傳感器、高速數據采集卡等電氣元件；軟件包括數據庫、數據采集與處理、UI 界面、打印查詢等模塊組成。CAT 系統軟件界面如圖 4 所示。

圖4 CAT 系統軟件界面Fig.4 Interface of CAT system software

4.2 關鍵參數的確定

沖擊壓力采用壓阻式壓力傳感器直接測量，其輸出信號頻響為 2 kHz，供電 DC 24 V；信號分配器輸出信號頻響為 5 kHz；采集卡為 8 通道，最高采集頻率為 125 kHz。根據三者的最低頻響，確定采樣頻率為 2 kHz。

位移參數采用磁致伸縮式位移傳感器直接測量，其頻響與壓力傳感器相同。位移數據直接用于試驗設備調試和過程控制中監測柱塞加載的位置，間接測量系統流量，即位移傳感器測量液壓缸一定時間內的位移，再乘以液壓缸橫截面積即得出流量，為試驗功能的擴充預留接口。

5 試驗應用與效果分析

新研發的安全閥沖擊安全性試驗裝置如圖 5 所示，該技術已成功應用于 20 余家煤機企業和閥類生產企業的安全閥沖擊試驗設備。

圖5 安全閥沖擊安全性試驗裝置Fig.5 Impact safety test device prototype for yield valve

通過對輸出端加裝堵頭，封鎖壓力，對試驗臺的沖擊加載能力進行了驗證，結果如圖 6 所示。

圖6 沖擊安全性特性試驗能力驗證曲線Fig.6 Capability verification curve of impact safety characteristic test

從圖 6 可以看出，從30 MPa 開始快速加載，23.6 ms 達到 75 MPa 的沖擊壓力，沖擊加載能力滿足了標準中 25 ms 達到 1.5pn的要求，具備了模擬沖擊地壓工況的環境。

依據 GB 25974.3 標準要求，對FAT1000/50 安全閥的 2 個樣品進行了沖擊特性試驗，沖擊特性曲線如圖 7 所示。

圖7 安全閥沖擊安全性特性試驗曲線Fig.7 Curve of impact safety characteristic test for yield valve

從圖 7(a) 可以看出，樣品 1 從 30 MPa 開始快速加載，11 ms 時安全閥開啟，開啟壓力為 59.25 MPa，開啟時間小于 25 ms，開啟壓力小于 1.3pn(62.5 MPa)，安全閥動態響應特性良好，合格；從圖 7(b)可以看出，樣品 2 從 30 MPa 開始快速加載，13 ms 時安全閥開啟，開啟壓力為 66.75 MPa，開啟時間未超過 25 ms，但開啟壓力超過了 1.3pn(62.5 MPa)，卸荷能力不足。

6 結語

安全閥沖擊安全性試驗裝置的成功研制，填補了行業空白，滿足了安全閥沖擊安全性的檢測要求；同時也為安全閥產品的研發制造、性能檢測、質量監管監察提供試驗手段和技術支撐。