時連君

(山東科技大學機械電子工程學院，山東青島 266590)

產學研協同創(chuàng)新成為科技創(chuàng)新發(fā)展的一種重要形式，很多科技創(chuàng)新已經不是單一主體的活動，而是由多個創(chuàng)新主體參與，也是協同創(chuàng)新是否成功的關鍵因素。某校一直與科研單位聯合共同完成一些科研項目。安全閥的試驗與研究就是其中的研究項目之一。安全閥是液壓支架對頂板保持恒阻讓壓的工作特性和可縮性的重要元件，和液控單向閥一樣，長期工作于高壓狀態(tài)。因為支架支護頂板時，經常處于頂板壓力逐漸增強和頂板巖石緩慢下沉狀態(tài)，如果安全閥的密封性不好，就不能保證支架達到設計的工作阻力和穩(wěn)定的工作狀態(tài)。因此要求安全閥動作靈敏、密封可靠、工作穩(wěn)定，沒有震動現象，有較長的使用壽命，因此設計一套安全閥試驗測試系統來保證其質量就非常有必要。

1 設計依據

為保證液壓支架閥件的質量，國家相關部門制定標準GB25974.3-2010《煤礦用液壓支架第3部分:液壓控制系統及閥》，這標準以國內液壓支架閥件的設計、試驗和使用研究成果為基礎，參考了世界各主要產煤國家和國際組織的相關標準，以實用性和先進性相結合的原則來制定的，以此推動我國液壓支架液壓控制技術的發(fā)展。因此，此試驗系統的設計主要結合國家標準進行，涉及到安全閥的試驗主要內容如下:

(1)安全閥的啟溢特性;(2)安全閥的密封試驗:①高壓密封;②低壓密封;(3)強度試驗［1］。

2 測試系統設計

測試系統的設計以現場提供的安全閥的技術參數為依據，具體見表1，通過表格可以看出安全閥的壓力達到40 MPa，按照上述國家標準的要求進行試驗，一般液壓泵很難滿足試驗壓力60 MPa的試驗要求，因此在此試驗測試系統中采用增壓缸為安全閥提供超高壓液體。

表1 安全閥的型號與主要參數

2.1 增壓系統的設計

2.1.1 增壓系統的組成及設計要求

根據國家標準的要求，安全閥的試驗系統中由于對液壓源供液壓力要求比較高，一般液壓泵不滿足試驗要求，所以在系統中設計一套增壓系統，利用增壓缸增壓為試驗系統供液。增壓缸工作時，增壓回路通過高壓油液的控制作用，把壓力較低的乳化液介質通過增壓缸的增壓作用轉換成超高壓的乳化液介質。增壓系統中采用高壓油泵來控制實現增壓、三柱塞低壓乳化液泵來提供低壓乳化液，電磁換向閥來控制雙向增壓缸的運動方向、單向閥閥組控制增壓缸吸排液，增壓系統輸出的乳化液介質的額定壓力值可以到60 MPa以上。液壓原理圖如圖1所示。

圖1 增壓系統液壓原理圖

2.1.2 雙向增壓缸的結構設計

(1)雙向增壓缸尺寸計算

如果增壓系統輸出最高壓力值為75 MPa，則油泵出口溢流閥的調定壓力為:

如果增壓系統輸出的額定壓力值為60 MPa，則高壓油泵出口溢流閥調定的壓力值為11.43 MPa即可。

(2)按照強度條件校核增壓缸

由于增壓缸增壓腔活塞較短，所以應該按照強度條件校核增壓缸增壓腔活塞的直徑d:

式中:F1為增壓腔的最大推力;［σ］為增壓腔活塞的直徑許用應力 (Pa)，［σ］ =σs/ns，σs為材料的屈服極限 (Pa)，ns為材料的屈服安全系數，一般取ns=1.4～2。

經過計算可得d=3.85 cm，滿足要求。

這樣設計的雙向增壓液壓缸的結構如圖2所示。

圖2 雙向增壓缸結構圖

2.2 控制與測試系統的設計

根據試驗項目的要求設計出控制與測試系統框圖，如圖3所示。

圖3 控制與測試系統的框圖

3 安全閥的試驗測試

安全閥是保證液壓支架恒阻讓壓特性的關鍵元件，質量好的安全閥，應該密封可靠，啟閉靈敏［3，5］;使用壽命應該保證采煤工作面推進800～1 000 m不更換。

3.1 安全閥試驗軟件設計

系統的軟件以VB語言開發(fā)，它是一種功能強大的編程語言，也是最迅速、最簡單的編程語言，可以擺脫復雜的編程界面，取而代之的是一種非?？捎H的所謂“可視化”界面。無需自己編寫代碼去設計一些界面元素，是面向對象和采集事件驅動方式的結構化高級程序設計語言，是基于Windows環(huán)境的，在現場中操作很方便。

3.2 安全閥試驗數據與特性曲線

(1)閥的啟溢特性試驗

根據國家標準安全閥的啟溢特性試驗要求，開啟增壓系統調節(jié)其輸出壓力，使試驗系統壓力高于安全閥公稱壓力的1.5倍以上，試驗時系統壓力上升梯度為 120 MPa/s，使安全閥開啟，持續(xù)溢流0.5 s以上，然后迅速切斷系統的供液，至安全閥壓力值穩(wěn)定為止。經過計算機處理后的安全閥的啟溢特性曲線如圖4所示。

圖4 安全閥的啟溢特性曲線

(2)閥的低壓密封特性試驗

根據標準安全閥的低壓密封試驗要求向被試安全閥供2 MPa的壓力，切斷供液，穩(wěn)壓2 min，然后記錄壓力值的大小。試驗標準要求，2 min后壓力不得降低。安全閥的低壓密封試驗曲線如圖5所示，當然國家標準中還規(guī)定了安全閥的其他試驗項目，這里就不介紹了。

圖5 安全閥低壓密封特性曲線

4 結論

圖6 生產的試驗測試系統

二十幾年來，通過令學研協同創(chuàng)新先后為國內多家液壓支架的閥件生產制造企業(yè)和維修企業(yè)設計制造了多種液壓支架閥件的試驗測試系統，如圖6所示。試驗測試系統實現了全部數據由計算機自動采集處理與曲線的繪制，消除了人為因素的影響［6］，提高了閥件的質量，從而保證了液壓支架正常工作，提高了企業(yè)的經濟效益。

［1］中國煤炭工業(yè)協會.GB25974.3-2010煤礦用液壓支架:第3部分:液壓控制系統及閥［M］.北京:中國標準出版社，2011:11－20.

［2］張利平，鄧鐘明.液壓氣動系統設計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1997:74－78.

［3］陶馳東.采掘機械［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1993:137－138.

［4］張玉國.綜放支架液壓系統可靠性實測分析［J］.礦山壓力與頂板管理，2000(6):23－27.

［5］程居山.礦山機械［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，2006:169.

［6］宋志安，李新平.12MN外加載液壓支架整架試驗技術［J］.礦業(yè)工程研究，2010，25(2):56－59.