侯剛

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

高性能大流量抗沖擊安全閥試驗(yàn)裝置研制

侯剛

(天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

針對(duì)目前國內(nèi)高性能抗沖擊大流量安全閥檢測(cè)裝置空白的問題，研制了可有效模擬煤礦井下液壓支架立柱在頂板瞬間沖擊來壓立柱全動(dòng)態(tài)過程的試驗(yàn)臺(tái)，采用NI多功能DAQ模塊和LabVIEW軟件開發(fā)了試驗(yàn)臺(tái)控制與采集處理系統(tǒng)，解決了大流量安全閥檢測(cè)難題。

高性能;大流量安全閥;試驗(yàn)裝置

1 概述

隨著煤礦井下液壓支架逐步向大噸位、大缸徑方向發(fā)展，安全閥也在向大流量時(shí)代轉(zhuǎn)變，通常所說的大流量安全閥是指工作流量在1000L/min以上的安全閥［1］。大流量安全閥工作過程具有短時(shí)瞬變性、動(dòng)作時(shí)間短、動(dòng)作壓力高、動(dòng)作流量大等特點(diǎn)。其主要技術(shù)參數(shù)是流量和工作壓力。

安全閥的卸載流量越大對(duì)液壓支架的保護(hù)作用就越好［2］，隨著高性能大流量安全閥流量的不斷增大，對(duì)安全閥的性能的試驗(yàn)和檢測(cè)裝置就顯得尤為重要。目前國內(nèi)對(duì)大流量安全閥的檢測(cè)和試驗(yàn)基本屬于空白［3］，國外也僅有極個(gè)別國家具備基本的試驗(yàn)和檢測(cè)能力。因此，研制高性能抗沖擊大流量安全閥試驗(yàn)裝置尤為重要，該裝置可以廣泛應(yīng)用于煤礦大流量安全閥出廠試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)裝置的工作原理

對(duì)小流量安全閥的性能測(cè)試是與工作面頂板緩慢下沉相適應(yīng)的，整個(gè)過程比較緩慢，基本上是靜態(tài)的;大流量安全閥是針對(duì)液壓支架瞬間沖擊卸載而設(shè)計(jì)的，是動(dòng)態(tài)的性能測(cè)試，要能測(cè)出液壓支架在沖擊荷載下立柱安全閥從開啟、溢流到關(guān)閉的全過程，這個(gè)過程一般在2～3s內(nèi)全部完成。

本次研制的試驗(yàn)裝置能有效地模擬煤礦井下頂板快速下沉及大面積垮落所具有的能量，能在短時(shí)間內(nèi)釋放。隨著能量的釋放，壓力應(yīng)呈下降的趨勢(shì)與井下液壓支架實(shí)際工況相符合。試驗(yàn)裝置主要由乳化液箱、增壓泵、精密過濾器、電磁閥組、蓄能器［4］、液源集配器、液控裝置、增壓器、安全閥、傳感器、采集器和工控機(jī)等幾部分組成，試驗(yàn)裝置組成框圖如圖1所示。

本試驗(yàn)裝置采用了9個(gè)100L、31.5MPa的蓄能器組成高壓源，分成2組能量集中到液源集配器，再由液控裝置來完成大流量安全閥在沖擊狀態(tài)下測(cè)試的全過程。被測(cè)安全閥接在增壓器的高壓腔，試驗(yàn)開始時(shí)開啟增壓泵，液控裝置使增壓器復(fù)位，打開電磁閥向蓄能器充液和增壓缸高壓腔加壓到安全閥的預(yù)設(shè)壓力，一般在60%左右調(diào)定壓力，當(dāng)蓄能器和被試閥達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，打開快速開關(guān)閥向增壓器供液，給被試安全閥快速加載，完成安全閥的開啟－溢流－關(guān)閉的全過程，同時(shí)采集器實(shí)時(shí)采集各類傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)并將信號(hào)傳送至工控機(jī)完成數(shù)據(jù)處理。最后測(cè)出安全閥調(diào)定壓力、最高壓力、開啟壓力、關(guān)閉壓力、最大流量、平均流量、開啟響應(yīng)時(shí)間等參數(shù)。同時(shí)研制了液壓控制裝置活塞技術(shù)，解決了蓄能器能量瞬間釋放，并將高壓液體接到增壓器給安全閥瞬間加載，實(shí)現(xiàn)了安全閥的快速開啟及最小的阻力損失。考慮到實(shí)驗(yàn)過程壓力高、流量大，采取了一定的安全措施，提高了試驗(yàn)裝置的耐壓能力，并在液壓系統(tǒng)中加了起保護(hù)作用的超高安全閥，防止安全閥不能開啟時(shí)造成系統(tǒng)的壓力過載。

圖1 試驗(yàn)裝置組成

3 試驗(yàn)裝置控制與采集系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)裝置檢測(cè)的數(shù)據(jù)

安全閥的沖擊試驗(yàn)是在動(dòng)態(tài)中完成的，配置測(cè)試的傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具有良好的動(dòng)態(tài)特性。高性能大流量抗沖擊安全閥試驗(yàn)裝置需要測(cè)試的數(shù)據(jù)是壓力和流量。壓力需要測(cè)得安全閥的實(shí)時(shí)壓力、增壓缸壓力和儲(chǔ)能器壓力，選用3個(gè)量程0～80MPa、精度0.5%FS、輸出信號(hào)為0～5V的壓力傳感器。流量的測(cè)量是通過測(cè)得立柱內(nèi)活塞位移量獲得的，流量計(jì)算公式:

式中，L為流量，L/min;R為立柱半徑，mm;r為位移傳感器桿半徑，mm;h為活塞移動(dòng)位移，mm;t為活塞移動(dòng)時(shí)間，s。

由式中可以看出R，r為衡量，只要測(cè)得活塞的位移量和對(duì)應(yīng)的時(shí)間即可算得流量的大小，選用量程0～800mm、精度0.1%FS、輸出信號(hào)0～5V的位移傳感器。

3.2 下位機(jī)的選擇

大流量安全閥的工作過程非常短，一般在幾百毫秒內(nèi)即可完成整個(gè)卸壓過程，要求采集裝置具有采樣精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。本次試驗(yàn)裝置需高精度快速采集3個(gè)壓力模擬量信號(hào)和1個(gè)位移模擬量信號(hào)，同時(shí)需要輸出4個(gè)數(shù)字量信號(hào)去控制電磁閥。本次試驗(yàn)裝置選用美國國家儀器 (NI)有限公司產(chǎn)品USB－6210多功能DAQ模塊，該模塊擁有16路模擬量輸入 (16位，250ks/s)，可以滿足對(duì)4路模擬量信號(hào)的高速精確采集，該模塊擁有4路數(shù)字量輸出，可以滿足對(duì)4個(gè)電磁閥的及時(shí)控制，同時(shí)擁有2個(gè)32位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，采用靈活移動(dòng)的USB總線供電方式，同時(shí)USB－6210多功能DAQ模塊能與上位機(jī)LabVIEW軟件完美兼容。

4 試驗(yàn)裝置控制與采集系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

4.1 LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介

上位機(jī)選用 LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，Lab-VIEW是基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)字化測(cè)量測(cè)試儀器，其利用數(shù)據(jù)采集模塊完成一般測(cè)量測(cè)試儀器的數(shù)據(jù)采集功能，利用上位機(jī)系統(tǒng)完成對(duì)所獲得數(shù)據(jù)的分析、處理、顯示和打印等功能。

4.2 LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制及顯示界面設(shè)計(jì)

為了方便對(duì)試驗(yàn)參數(shù)和控制過程的設(shè)定，上位機(jī)采用了壓力和時(shí)間2種控制方式，對(duì)立柱、增壓缸、儲(chǔ)能器既可分別設(shè)定壓力也可以分別設(shè)定充液時(shí)間，當(dāng)檢測(cè)壓力值或者充液時(shí)間有一個(gè)達(dá)到設(shè)定值時(shí)即執(zhí)行相應(yīng)控制動(dòng)作，考慮到電磁閥動(dòng)作需要時(shí)間，上位機(jī)分別對(duì)立柱、增壓缸、儲(chǔ)能器設(shè)計(jì)了等待時(shí)間設(shè)定窗口，為了便于觀察紀(jì)錄曲線，設(shè)計(jì)了采集及采樣時(shí)間設(shè)定窗口，上位機(jī)可以對(duì)采樣頻率、采樣最大壓力及最小壓力進(jìn)行設(shè)定。為了方便數(shù)據(jù)歸類存儲(chǔ)，上位機(jī)設(shè)計(jì)了生成文件名的窗口，以及對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程的參數(shù)修改、開始、退出等功能按鈕。

4.3 報(bào)表的設(shè)計(jì)

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)將自動(dòng)生成報(bào)表，報(bào)表將以Word形式保存，在試驗(yàn)開始前通過上位機(jī)輸入報(bào)告編號(hào)、樣品名稱、樣品型號(hào)、試驗(yàn)次數(shù)、樣品編號(hào)、公稱壓力、公稱流量、調(diào)節(jié)壓力、試驗(yàn)人員、審核等相關(guān)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)報(bào)表除了上述基本數(shù)據(jù)外，在對(duì)試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到最大壓力、開啟壓力、關(guān)閉壓力、最大流量及其對(duì)應(yīng)位移和對(duì)應(yīng)時(shí)間，以及平均流量及其對(duì)應(yīng)位移和對(duì)應(yīng)時(shí)間、開啟 相應(yīng)時(shí)間等。報(bào)表如圖2所示。

圖2 性能試驗(yàn)報(bào)表

4.4 數(shù)據(jù)的保存

試驗(yàn)測(cè)得所有數(shù)據(jù)自動(dòng)生成Excel表格形式進(jìn)行保存，試驗(yàn)測(cè)得圖像以自動(dòng)生成圖像形式進(jìn)行保存，通過對(duì)保存文件名的設(shè)定即可生成對(duì)本次試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)表格和圖像的命名。

5 結(jié)論

高性能大流量抗沖擊安全閥試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)安全閥0～60MPa壓力的任意供給及對(duì)其相關(guān)數(shù)據(jù)的采集處理工作，為我國大流量安全閥技術(shù)和產(chǎn)品的進(jìn)步提供了可靠的檢測(cè)保障，為高性能大流量安全閥趕上世界水平提供了必備的基礎(chǔ)設(shè)施條件。

［1］王國法.液壓支架技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1999.

［2］王國法.液壓支架控制技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2010.

［3］趙麗娟，李鴻巖.液壓支架用大流量安全閥發(fā)展綜述［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2009，1(1):17－21.

［4］王 勇.一種大流量安全閥試驗(yàn)系統(tǒng)可行性分析［J］.煤礦開采，2007，12(5):5－7.

［5］李新淼，張 建.基于FLUENT的大流量安全閥流場(chǎng)數(shù)值模擬［J］.煤礦機(jī)械，2009，30(8):44－46.

［責(zé)任編輯:徐亞軍］

Development of Test Device for Anti-impact Safety
Valve with High Performance and Large Flow

HOU Gang

(Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

At present，there is no test device for safety-valve with high performance and large flow in China.A test platform could simulate prop’s whole dynamic process of underground powered support at impact instant was developed.NI multi-function DAQ module and LabVIEW software were adopted to develop controlling and collecting system of test platform，which solved difficult problem of detecting safety-valve with large flow.

high performance;large-flow safety valve;test device

TH137.52

A

1006-6225(2012)04-0041-03

2012－04－13

侯 剛 (1982－)，男，遼寧丹東人，助理工程師，主要從事煤礦自動(dòng)化研究。