高性能大流量抗冲击安全阀试验装置研制

侯刚

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

高性能大流量抗冲击安全阀试验装置研制

侯刚

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

针对目前国内高性能抗冲击大流量安全阀检测装置空白的问题，研制了可有效模拟煤矿井下液压支架立柱在顶板瞬间冲击来压立柱全动态过程的试验台，采用NI多功能DAQ模块和LabVIEW软件开发了试验台控制与采集处理系统，解决了大流量安全阀检测难题。

高性能;大流量安全阀;试验装置

1 概述

随着煤矿井下液压支架逐步向大吨位、大缸径方向发展，安全阀也在向大流量时代转变，通常所说的大流量安全阀是指工作流量在1000L/min以上的安全阀［1］。大流量安全阀工作过程具有短时瞬变性、动作时间短、动作压力高、动作流量大等特点。其主要技术参数是流量和工作压力。

安全阀的卸载流量越大对液压支架的保护作用就越好［2］，随着高性能大流量安全阀流量的不断增大，对安全阀的性能的试验和检测装置就显得尤为重要。目前国内对大流量安全阀的检测和试验基本属于空白［3］，国外也仅有极个别国家具备基本的试验和检测能力。因此，研制高性能抗冲击大流量安全阀试验装置尤为重要，该装置可以广泛应用于煤矿大流量安全阀出厂试验。

2 试验装置的工作原理

对小流量安全阀的性能测试是与工作面顶板缓慢下沉相适应的，整个过程比较缓慢，基本上是静态的;大流量安全阀是针对液压支架瞬间冲击卸载而设计的，是动态的性能测试，要能测出液压支架在冲击荷载下立柱安全阀从开启、溢流到关闭的全过程，这个过程一般在2～3s内全部完成。

本次研制的试验装置能有效地模拟煤矿井下顶板快速下沉及大面积垮落所具有的能量，能在短时间内释放。随着能量的释放，压力应呈下降的趋势与井下液压支架实际工况相符合。试验装置主要由乳化液箱、增压泵、精密过滤器、电磁阀组、蓄能器［4］、液源集配器、液控装置、增压器、安全阀、传感器、采集器和工控机等几部分组成，试验装置组成框图如图1所示。

本试验装置采用了9个100L、31.5MPa的蓄能器组成高压源，分成2组能量集中到液源集配器，再由液控装置来完成大流量安全阀在冲击状态下测试的全过程。被测安全阀接在增压器的高压腔，试验开始时开启增压泵，液控装置使增压器复位，打开电磁阀向蓄能器充液和增压缸高压腔加压到安全阀的预设压力，一般在60%左右调定压力，当蓄能器和被试阀达到设定压力时，打开快速开关阀向增压器供液，给被试安全阀快速加载，完成安全阀的开启－溢流－关闭的全过程，同时采集器实时采集各类传感器的实时信号并将信号传送至工控机完成数据处理。最后测出安全阀调定压力、最高压力、开启压力、关闭压力、最大流量、平均流量、开启响应时间等参数。同时研制了液压控制装置活塞技术，解决了蓄能器能量瞬间释放，并将高压液体接到增压器给安全阀瞬间加载，实现了安全阀的快速开启及最小的阻力损失。考虑到实验过程压力高、流量大，采取了一定的安全措施，提高了试验装置的耐压能力，并在液压系统中加了起保护作用的超高安全阀，防止安全阀不能开启时造成系统的压力过载。

图1 试验装置组成

3 试验装置控制与采集系统下位机设计

3.1 试验装置检测的数据

安全阀的冲击试验是在动态中完成的，配置测试的传感器及数据采集系统，具有良好的动态特性。高性能大流量抗冲击安全阀试验装置需要测试的数据是压力和流量。压力需要测得安全阀的实时压力、增压缸压力和储能器压力，选用3个量程0～80MPa、精度0.5%FS、输出信号为0～5V的压力传感器。流量的测量是通过测得立柱内活塞位移量获得的，流量计算公式:

式中，L为流量，L/min;R为立柱半径，mm;r为位移传感器杆半径，mm;h为活塞移动位移，mm;t为活塞移动时间，s。

由式中可以看出R，r为衡量，只要测得活塞的位移量和对应的时间即可算得流量的大小，选用量程0～800mm、精度0.1%FS、输出信号0～5V的位移传感器。

3.2 下位机的选择

大流量安全阀的工作过程非常短，一般在几百毫秒内即可完成整个卸压过程，要求采集装置具有采样精度高、响应速度快等特点。本次试验装置需高精度快速采集3个压力模拟量信号和1个位移模拟量信号，同时需要输出4个数字量信号去控制电磁阀。本次试验装置选用美国国家仪器 (NI)有限公司产品USB－6210多功能DAQ模块，该模块拥有16路模拟量输入 (16位，250ks/s)，可以满足对4路模拟量信号的高速精确采集，该模块拥有4路数字量输出，可以满足对4个电磁阀的及时控制，同时拥有2个32位计数器/定时器，采用灵活移动的USB总线供电方式，同时USB－6210多功能DAQ模块能与上位机LabVIEW软件完美兼容。

4 试验装置控制与采集系统上位机设计

4.1 LabVIEW数据采集系统简介

上位机选用 LabVIEW数据采集系统，Lab-VIEW是基于计算机系统的数字化测量测试仪器，其利用数据采集模块完成一般测量测试仪器的数据采集功能，利用上位机系统完成对所获得数据的分析、处理、显示和打印等功能。

4.2 LabVIEW数据采集系统控制及显示界面设计

为了方便对试验参数和控制过程的设定，上位机采用了压力和时间2种控制方式，对立柱、增压缸、储能器既可分别设定压力也可以分别设定充液时间，当检测压力值或者充液时间有一个达到设定值时即执行相应控制动作，考虑到电磁阀动作需要时间，上位机分别对立柱、增压缸、储能器设计了等待时间设定窗口，为了便于观察纪录曲线，设计了采集及采样时间设定窗口，上位机可以对采样频率、采样最大压力及最小压力进行设定。为了方便数据归类存储，上位机设计了生成文件名的窗口，以及对系统运行过程的参数修改、开始、退出等功能按钮。

4.3 报表的设计

试验结束时将自动生成报表，报表将以Word形式保存，在试验开始前通过上位机输入报告编号、样品名称、样品型号、试验次数、样品编号、公称压力、公称流量、调节压力、试验人员、审核等相关数据。试验报表除了上述基本数据外，在对试验测得数据进行处理后得到最大压力、开启压力、关闭压力、最大流量及其对应位移和对应时间，以及平均流量及其对应位移和对应时间、开启 相应时间等。报表如图2所示。

图2 性能试验报表

4.4 数据的保存

试验测得所有数据自动生成Excel表格形式进行保存，试验测得图像以自动生成图像形式进行保存，通过对保存文件名的设定即可生成对本次试验所得数据表格和图像的命名。

5 结论

高性能大流量抗冲击安全阀试验装置，实现了对安全阀0～60MPa压力的任意供给及对其相关数据的采集处理工作，为我国大流量安全阀技术和产品的进步提供了可靠的检测保障，为高性能大流量安全阀赶上世界水平提供了必备的基础设施条件。

［1］王国法.液压支架技术［M］.北京:煤炭工业出版社，1999.

［2］王国法.液压支架控制技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2010.

［3］赵丽娟，李鸿岩.液压支架用大流量安全阀发展综述［J］.现代制造技术与装备，2009，1(1):17－21.

［4］王 勇.一种大流量安全阀试验系统可行性分析［J］.煤矿开采，2007，12(5):5－7.

［5］李新淼，张 建.基于FLUENT的大流量安全阀流场数值模拟［J］.煤矿机械，2009，30(8):44－46.

［责任编辑:徐亚军］

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 刚 (1982－)，男，辽宁丹东人，助理工程师，主要从事煤矿自动化研究。