趙銳

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 檢測分院，北京 100013；2.國家煤礦支護設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，北京 100013；3.煤炭資源開采與環(huán)境保護國家重點實驗室，北京 100013)

0 引言

液壓支架是煤礦井下三機配套的重要組成部分[1-2]，其依靠立柱、平衡千斤頂、護幫千斤頂?shù)葓?zhí)行液壓油缸動作及相互協(xié)作實現(xiàn)安全支撐作用[3-5]。這些動作由安裝在液壓支架主進液壓回路上的各組換向閥改變高壓液體流向來實現(xiàn)。液壓支架手動換向閥是控制液壓支架執(zhí)行油缸動作的關(guān)鍵部件[6-7]，其工作性能直接影響液壓支架支護的可靠性。因此，對液壓支架手動換向閥質(zhì)量的檢測檢驗非常有必要。耐久性試驗是標(biāo)準(zhǔn)要求測試的重要檢測項目，與手動換向閥井下頻繁換向工況最為貼近，對手動換向閥綜合性能的評定至關(guān)重要。

目前，我國對手動換向閥檢測裝置的研究較少。在用的檢測裝置是多年前開發(fā)的簡易測試裝置，采用氣缸為動力源，通過齒輪、鏈條傳動方式帶動固定在手動換向閥手柄上的工裝左右運動，達到耐久性試驗的目的。由于手動換向閥手柄在換向過程中以手柄固定端為圓心做圓周運動，導(dǎo)致鏈條軌跡不在一個平面上，經(jīng)常造成別卡，嚴重影響試驗進度，測試效率低。根據(jù)GB 25974.3—2010《煤礦用液壓支架 第3部分：液壓控制系統(tǒng)及閥》的要求，液壓支架A類換向閥耐久性試驗次數(shù)為30 000次，此外，還要進行換向性能、操作力(控制壓力、啟動電壓)測定、壓力流量特性、背壓安全性、密封性能、強度等試驗[8-9]。根據(jù)當(dāng)前試驗?zāi)芰y(tǒng)計，每個手動換向閥僅耐久性項目試驗時間就需165.6 h，測試周期較長。

國外方面，隨著歐美國家能源結(jié)構(gòu)的改革與升級，越來越多的國家減少了煤炭的開采和使用。美國、澳大利亞等國家已將煤炭作為國家戰(zhàn)略資源進行保護，限制開采[10-11]。在此背景下，國外液壓支架用閥檢測裝置研究也較少，鮮有報道。

鑒此，本文設(shè)計了一種手動換向閥耐久性試驗自動化裝置。該裝置采用液壓油缸作為動力，通過其往復(fù)運動，結(jié)合使用被試手動換向閥手柄推拉專用工裝，實現(xiàn)被試換向閥手柄隨油缸左右擺動，達到自動換向目的。同時，利用專門開發(fā)的測控系統(tǒng)軟件采集被試手動換向閥工作口的壓力信號，自動判定是否完成了換向，通過邏輯判定后，記為1次換向試驗，計數(shù)器逐次累加，并重復(fù)上述操作，直到完成試驗規(guī)定的次數(shù)，從而實現(xiàn)自動測試。

1 手動換向閥結(jié)構(gòu)及試驗原理

1.1 手動換向閥結(jié)構(gòu)

液壓支架用手動換向閥大多采用插裝式結(jié)構(gòu)，采用2 個兩位三通式閥芯集成在1片閥體內(nèi)部，形成三位四通式結(jié)構(gòu)。三通即進液口P、回液口T和工作口A，通過控制不同的工作口來控制相應(yīng)的液壓缸動作[12]。圖1為一種常規(guī)型號手動換向閥的其中1個兩位三通式閥芯結(jié)構(gòu)。圖1的上半部分對應(yīng)于操作手柄處于中位，此時工作口A與回液口T相通；下半部分表示手柄頂桿被壓下時，工作口A與回液口T切斷，來自供液系統(tǒng)的高壓乳化液經(jīng)進液口P，由閥芯上均勻分布的徑向小孔流向工作口A，引導(dǎo)高壓液體流向相應(yīng)的液壓缸，產(chǎn)生執(zhí)行動作。

1-操作手柄頂桿；2-閥套；3-閥座；4-壓緊螺帽；5-閥芯。

1.2 手動換向閥耐久性試驗原理

手動換向閥耐久性試驗需要使用油源、定量油缸(容積為3 L)、壓力傳感器等，詳細試驗原理如圖2所示。

1-油源；2-1—2-4-壓力傳感器；3-被試手動換向閥；4-背壓閥；5-定量油缸。

具體試驗步驟：調(diào)節(jié)油源1，以被試手動換向閥3的公稱流量和公稱壓力向其供液，定量油缸5的容積為3 L(本試驗僅考核換向性能，不需要測試流量參數(shù)，選用3 L定量油缸)，被試手動換向閥3換向至工作位A口，通過3 L液體后，壓力傳感器2-3達到公稱壓力，證明A口性能正常；操作被試手動換向閥3返回中間位置并換向至另一工作位B口，通過3 L液體后，壓力傳感器2-4達到公稱壓力，證明B口性能正常；操作被試手動換向閥3返回中間位置。以上過程為1次工作循環(huán)，進行15 000次工作循環(huán)，其中A類換向閥進行30 000次工作循環(huán)[8]。只有通過規(guī)定次數(shù)的耐久性試驗后，其各項性能均正常，才能判定該換向閥的可靠性滿足使用要求。

2 裝置設(shè)計

根據(jù)手動換向閥的結(jié)構(gòu)特點，充分考慮其手柄在換向過程中做圓周運動的特點，設(shè)計了手動換向閥耐久性試驗自動化裝置，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。試驗時，先將被試手動換向閥1安裝在夾緊裝置2中，并通過調(diào)節(jié)螺母5調(diào)整手動換向閥的位置，使之與加載油缸7近似在一條直線上。再將手動換向閥手柄推拉專用工裝8的手柄套筒802套在被試手動換向閥1的手柄上，完成試驗準(zhǔn)備工作(根據(jù)需要，可在專用工裝8上增加磁吸式配重)。最后啟動加載油缸7帶動被試手動換向閥在左右2個工作口來回切換，并通過專門開發(fā)的測控軟件采集被試手動換向閥工作口的壓力信號進行換向與否的自動判斷。

1-被試手動換向閥；2-夾緊裝置固定塊；3-夾緊裝置移動塊；4-夾緊裝置移動軌道;5-調(diào)節(jié)螺母；6-測試支撐架；7-加載油缸；801-推拉專用工裝的邊框；802-推拉專用工裝的手柄套筒；803-推拉專用工裝尾部連接桿；804-推拉專用工裝端部連接桿。

3 手動換向力矩的計算與校核

根據(jù)GB 25974.3—2010《煤礦用液壓支架 第3部分：液壓控制系統(tǒng)及閥》的要求，手動換向閥的操作力應(yīng)為10～130 N，即要求手動換向閥的手柄操作力最大為130 N。以缸徑φ40 mm、桿徑φ20 mm的加載油缸為例，在5 MPa供液壓力下進行加載油缸推拉力計算。加載油缸推力為6.28 kN，拉力為4.71 kN，均遠大于手動換向閥的操作力矩。因此，正常情況下，加載油缸的換向加載力滿足手動換向閥耐久性試驗的要求。

為精確計算手動換向閥換向手柄換向所需的換向力矩，對其進行受力分析計算，具體如圖4所示。

圖4 換向力分析

手動換向閥的換向力Fh為加載油缸的推力Ft的分力，它們之間的關(guān)系如下：

Fh=Ftcosαsin(β-α)

(1)

式中：α為加載油缸加載力與推拉工裝的夾角，(°)；β為手動換向閥手柄與閥體上表面夾角，(°)。

當(dāng)α、β夾角相等時，裝置處于臨界位置，即加載油缸的加載力對被試手動換向閥的換向不起作用，其位置關(guān)系如圖5所示。

圖5 試驗裝置臨界位置

為了解決該問題，在圖3所示的專用工裝8上施加磁吸式配重，依靠磁吸式配重的重力完成換向，根據(jù)受力分析，經(jīng)計算得到重塊的最大質(zhì)量為36.7 kg。由于手動換向閥的操作力矩一般不超過30 N，所以，現(xiàn)場重塊質(zhì)量設(shè)置為8 kg，試驗過程非常順暢。

4 裝置液壓系統(tǒng)設(shè)計

裝置的液壓系統(tǒng)分為油液系統(tǒng)和乳化液系統(tǒng)。油液系統(tǒng)主要用于加載油缸推拉手動換向閥手柄，乳化液系統(tǒng)提供被試手動換向閥耐久性測試所需的壓力和流量。油液回路設(shè)置了比例流量閥，可無級調(diào)整加載油缸的加載速度，以適應(yīng)不同公稱流量手動換向閥的試驗要求。液壓系統(tǒng)原理如圖6所示。

SQ1，SQ 2-加載油缸行程開關(guān)；YA0-遠程卸載閥電磁鐵；YA1，YA2-加載油缸換向閥電磁鐵；YA3，YA4-被試手動換向閥電磁鐵；YD1-比例流量閥電磁鐵。

5 裝置測控系統(tǒng)設(shè)計

裝置測控系統(tǒng)軟件采用基于以太網(wǎng)的Visual Basic測控軟件編程，通過集成在測控柜上的計算機控制加載、試驗啟動、換向等動作,即由計算機發(fā)出動作指令模擬信號傳輸至執(zhí)行閥組，控制液壓油缸往復(fù)動作，帶動被試手動換向閥的手柄左右擺動,以實現(xiàn)換向。通過采集定量油缸兩端壓力傳感器(2-3、2-4)的試驗壓力信號，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后，由計算機判斷是否完成一次換向試驗，并實時在計算機上顯示測試數(shù)據(jù)曲線及被試手動換向閥的型號、公稱流量、公稱壓力、試驗次數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，利用組態(tài)軟件建立人機交互系統(tǒng)，如圖7所示。利用測控軟件進行測試控制，先進行試驗參數(shù)設(shè)置，再通過壓力傳感器采集被試手動換向閥工作口的壓力信號進行比較判定，邏輯判定通過后，試驗次數(shù)計數(shù)累加并進行循環(huán)。測試工作流程如圖8所示。圖8中的DMA為直接存儲器存取(Direct Memory Access)。

圖7 人機交互系統(tǒng)

圖8 測試工作流程

6 裝置應(yīng)用

液壓支架手動換向閥耐久性試驗自動化裝置于2019年1月完成樣機試制，并進行安裝、調(diào)試、試運行。對FHS80/31.5、FHS125/31.5、FHS250/31.5、FHSA500/31.5Z等不同公稱流量的手動換向閥樣品進行了測試，測試界面如圖9所示。測試結(jié)果表明，該裝置耐久性試驗過程平穩(wěn)、流暢。由耐久性試驗曲線可知，平均每次循環(huán)試驗時間約為3.8 s，以A類手動換向閥30 000次耐久性試驗次數(shù)計算，可得試驗時長為31.2 h，試驗效率有了很大提高。

圖9 測試界面

7 結(jié)語

液壓支架手動換向閥耐久性試驗自動化裝置以加載油缸的往復(fù)運動方式實現(xiàn)被試手動換向閥的換向，結(jié)合配套開發(fā)的液壓系統(tǒng)、測控系統(tǒng)軟件控制裝置啟動、換向、采集壓力、判斷計數(shù)等動作，進而實現(xiàn)被試手動換向閥耐久性試驗的自動化。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、加載速度可調(diào)、試驗效率高的特點，解決了手動換向閥耐久性試驗周期長和效率低的問題，試驗周期由原來的165.6 h縮短至31.2 h。