液压支架安全阀的科学改进

赵忠刚　曹广贵

【摘 要】本文论述了原设计的安全阀在使用中存在诸多不便的详细情况，进一步分析了更换阀芯密封圈所带来的弊端，并详细论证了安全阀结构改进的要点和厉害关系。

【关键词】安全阀；密封圈；环形台阶；推力

0 引言

液压支架在井下使用过程中，必须要在支柱上配置安全阀。由于安全阀在使用中一致受到液压支架液压系统的高频冲击，其阀芯便一致在发生高频的往复滑动，导致了阀芯处的密封圈比较容易损坏，使安全阀发哈，我看看确定位，导致更换密封圈后的安全阀必须重新整定公称压力。由于井下没有压力试验台，在井下无法重新调整其公称压力，需要运回公司在试验台上重新整定公称压力。致使公司造成了人力物力的严重浪费，加大了成本投入和售后服务费用的开支；同时，也给客户带来了许多不便。为此，公司迫切需要对安全阀设计结构进行科学改进。

1 原安全阀的设计结构及原理剖析

图1 安全阀原设计结构示意图

安全阀原设计结构如图1所示。接头1紧固在阀壳7上，压紧螺帽4将安装好阀芯2的阀套3压紧在接头1内，阀芯与阀套和压紧螺帽之间有4个阀芯O型密封圈12，阀壳内的调压螺塞8将弹簧6顶在弹簧座5上，同时，弹簧座5将弹簧的压力加在阀芯上，起到稳压保护的作用。使用时卸下防尘套9，将安全阀接头插入液压支架支柱通液管处并卡紧，通常情况下阀芯在弹簧的作用下其卸荷孔向接头的接口处偏移一定距离，阀芯在支柱内的液压交变压力的条件下只是发生频繁的往复移动，但不卸荷。当井下工作面顶板来压较大致使液压支架顶梁对支柱的冲击压力使支柱内的液提压力大于安全阀的公称压力时，阀芯就快速向弹簧侧移动直到其卸荷孔到达阀套和压紧螺帽的排液孔处，随即发生卸荷，起到安全保护液压支架作用。

2 原安全阀的阀芯密封圈损坏过程论述

通过上述对安全阀原设计结构及原理剖析可知，安全阀在使用过程中其阀芯是在液压系统高频的交变压力下始终在进行高频的往复运动，这就导致了阀芯与阀套及压紧螺帽内的密封圈在不断的摩擦。当其运动幅度过大并造成阀芯的卸荷孔与密封圈摩擦时，很容易导致阀芯密封圈的损坏，这是正常的现象。在图1所示的结构中，损坏最厉害的密封圈是由阀芯左端向其右端数的第一个和第三个，因为其它两个始终无法与阀芯的卸荷孔发生摩擦。

当密封圈摩擦损坏到其弹性变量无法有效密封的时候，液压系统的液体就会通过磨损的密封圈由图1中的防尘帽11处流出，这就导致了液压系统的压力发生损失，安全阀失去了安全稳压的作用，最终导致液压支架支柱的活塞杆下滑。当然，液压支架维护人员会及时发现并更换安全阀的。

3 更换原安全阀损坏密封圈存在的弊端

安全阀更换后，就要更换其阀芯密封圈，通过图1可以看出，更换阀芯密封圈时，要将接头与阀壳拧开，再拧开压紧螺帽，拆下阀套与阀芯，最后更换阀芯密封圈。更换完成后再按拆卸接头部分的逆次序将各件依次装入在接头中。但此时，弹簧在卸下阀壳左端接头后，会在阀壳中向卸下接头端伸长，占满了阀壳左端拧紧接头的螺纹部分，使安装完阀芯密封圈的接头很难再拧入阀壳，即便强力拧入阀壳，也无法保证接头拧入的原始位置，这就导致弹簧对阀芯的压力发生了变化，从而使安全阀的公称压力发生了无法预知的改变。当然，通常是卸下阀壳右端的调压螺塞后再拧入接头，最后安装弹簧并拧入调压螺塞。不论是更换阀芯密封圈后怎样组装安全阀，目前都无法保证其组装后的弹簧压推力是否符合安全阀阀芯需要的正常的弹簧压力，这就必须要在试验台上对更换阀芯密封圈后的安全阀重新整定其公称压力。从而造成了安全阀生产成本及调试费用的大量增加、售后服务费用及往来运费的额外浪费，同时，还给矿方带来储存安全阀及上、下井携带安全阀和安全阀旧件回退等诸多麻烦。

4 安全阀设计结构改进方案论述

如果在卸下安全阀的接头后，弹簧所在区间是一个稳定区，接头安装有限定位置，重新组装接头时其弹簧压力是一个恒定压力，那么，更换密封圈后重新安装接头到其限定位置，安全阀的公称压力就不会发生变化。因此，可以在阀壳中增加一个通过定位弹簧座限制弹簧并同时能定位接头的共用限位台阶即可。

由于图1所示的原安全阀已经满足使用要求，说明其尺寸及材质都符合要求。为此，可以在原安全阀图1的结构基础上，在其阀壳中适当增加一台阶，并将弹簧座左端增加一段直径小于台阶孔直径的补偿整体阀组长度的凸台即可。为此，安全阀改进方案可按照图2所示结构进行改进。

图2 安全阀改进后结构示意图

5 安全阀设计结构改进方案计算

在图2中，阀壳左端增加了一个定位弹簧座和接头的环形台阶。为了使弹簧、弹簧座和环形台阶受力线一致而不发生使弹簧座滑移和凸变，其内孔尺寸小于弹簧内径并通过弹簧座增设的凸台即可，其厚度尺寸要大于弹簧的推力并且要有结构稳定性。安全阀开启时，阀芯受到液压的推力f=pπr2，，p为安全阀公称压力，单位MPa；r为阀芯外圆半径，单位mm；f单位为N。弹簧的推力与阀芯受到公称压力时相等，但其对阀壳中的环形台阶的直接推力要小于阀芯受到液体的推力f，因为，安全阀开启时，弹簧要向右移动一段距离，此时弹簧的推力在使用中达到最大值。如果卸下接头等之后，弹簧靠就紧阀壳的环形台阶，此时，弹簧对阀壳环形台阶的推力要小于安全阀开启时阀芯受到液压的推力f。为安全可靠，可以按照弹簧对阀壳环形台阶的推力等于安全阀开启时阀芯受到液压的推力f进行设计。那么，环形台阶受到弹簧的推力F=σ0.2×L×H，σ0.2为1Cr18Ni9的屈服强度，L为环形台阶与阀壳连接处的周长，单位mm；H为环形台阶的厚度，单位mm；F单位为N。

已知，该型安全阀公称压力p为50MPa，阀芯外圆半径r为6.5mm，阀壳内孔直径φ为46.5mm，阀壳材料为1Cr18Ni9，通过查看机械设计手册可知1Cr18Ni9不锈钢的屈服强度σ0.2为205MPa。那么，f=pπr2，=50×3.14×6.52，=6633.25N。如果取环形台阶受到弹簧的推力F等于阀芯受到液压的推力f，即F=f，也即σ0.2×L×H=f，由于阀壳直径φ为46.5mm，可以推测阀壳内径的周长L=πφ=3.14×46.5=146.01mm。那么，H=f÷（σ0.2×L）=6633.25N÷（205×146.01）≈0.2216mm，该尺寸是环形台阶与阀壳连接处的尺寸，环形台阶受到弹簧座的推力并非在它们的连接处，而是在弹簧座最大直径的边缘处（已知弹簧座最大处直径φ为44mm），弹簧座在弹簧的推力下将使环形台阶扭曲，显然该厚度偏小，最起码要0.5mm。但加工时容易造成退火，为了便于加工和使台阶结构稳定、强度足够，环形台阶可取3mm，随之而增加的弹簧座左边的凸台高度也要取3mm，安全阀的其它尺寸一律不变。

6 结语

通过改进安全阀的结构，在接头卸下后，使其弹簧有了一个固定区间，接头有了固定的限位台阶，方便了井下更换阀芯密封圈，杜绝了原安全阀更换阀芯密封圈后所带来的各类弊端。该安全阀的设计改进在安全阀设计应用中有较好的参考价值和推广意义。

【参考文献】

[1]陆一心，主编.液压阀使用手册[M].北京：化学工业出版社，2009.

[2]成大先，主编.机械设计手册（第五版第1卷）[M].北京：化学工业出版社，2010.

[责任编辑：汤静]

【摘 要】本文论述了原设计的安全阀在使用中存在诸多不便的详细情况，进一步分析了更换阀芯密封圈所带来的弊端，并详细论证了安全阀结构改进的要点和厉害关系。

【关键词】安全阀；密封圈；环形台阶；推力

0 引言

液压支架在井下使用过程中，必须要在支柱上配置安全阀。由于安全阀在使用中一致受到液压支架液压系统的高频冲击，其阀芯便一致在发生高频的往复滑动，导致了阀芯处的密封圈比较容易损坏，使安全阀发哈，我看看确定位，导致更换密封圈后的安全阀必须重新整定公称压力。由于井下没有压力试验台，在井下无法重新调整其公称压力，需要运回公司在试验台上重新整定公称压力。致使公司造成了人力物力的严重浪费，加大了成本投入和售后服务费用的开支；同时，也给客户带来了许多不便。为此，公司迫切需要对安全阀设计结构进行科学改进。

1 原安全阀的设计结构及原理剖析

图1 安全阀原设计结构示意图

安全阀原设计结构如图1所示。接头1紧固在阀壳7上，压紧螺帽4将安装好阀芯2的阀套3压紧在接头1内，阀芯与阀套和压紧螺帽之间有4个阀芯O型密封圈12，阀壳内的调压螺塞8将弹簧6顶在弹簧座5上，同时，弹簧座5将弹簧的压力加在阀芯上，起到稳压保护的作用。使用时卸下防尘套9，将安全阀接头插入液压支架支柱通液管处并卡紧，通常情况下阀芯在弹簧的作用下其卸荷孔向接头的接口处偏移一定距离，阀芯在支柱内的液压交变压力的条件下只是发生频繁的往复移动，但不卸荷。当井下工作面顶板来压较大致使液压支架顶梁对支柱的冲击压力使支柱内的液提压力大于安全阀的公称压力时，阀芯就快速向弹簧侧移动直到其卸荷孔到达阀套和压紧螺帽的排液孔处，随即发生卸荷，起到安全保护液压支架作用。

2 原安全阀的阀芯密封圈损坏过程论述

通过上述对安全阀原设计结构及原理剖析可知，安全阀在使用过程中其阀芯是在液压系统高频的交变压力下始终在进行高频的往复运动，这就导致了阀芯与阀套及压紧螺帽内的密封圈在不断的摩擦。当其运动幅度过大并造成阀芯的卸荷孔与密封圈摩擦时，很容易导致阀芯密封圈的损坏，这是正常的现象。在图1所示的结构中，损坏最厉害的密封圈是由阀芯左端向其右端数的第一个和第三个，因为其它两个始终无法与阀芯的卸荷孔发生摩擦。

当密封圈摩擦损坏到其弹性变量无法有效密封的时候，液压系统的液体就会通过磨损的密封圈由图1中的防尘帽11处流出，这就导致了液压系统的压力发生损失，安全阀失去了安全稳压的作用，最终导致液压支架支柱的活塞杆下滑。当然，液压支架维护人员会及时发现并更换安全阀的。

3 更换原安全阀损坏密封圈存在的弊端

安全阀更换后，就要更换其阀芯密封圈，通过图1可以看出，更换阀芯密封圈时，要将接头与阀壳拧开，再拧开压紧螺帽，拆下阀套与阀芯，最后更换阀芯密封圈。更换完成后再按拆卸接头部分的逆次序将各件依次装入在接头中。但此时，弹簧在卸下阀壳左端接头后，会在阀壳中向卸下接头端伸长，占满了阀壳左端拧紧接头的螺纹部分，使安装完阀芯密封圈的接头很难再拧入阀壳，即便强力拧入阀壳，也无法保证接头拧入的原始位置，这就导致弹簧对阀芯的压力发生了变化，从而使安全阀的公称压力发生了无法预知的改变。当然，通常是卸下阀壳右端的调压螺塞后再拧入接头，最后安装弹簧并拧入调压螺塞。不论是更换阀芯密封圈后怎样组装安全阀，目前都无法保证其组装后的弹簧压推力是否符合安全阀阀芯需要的正常的弹簧压力，这就必须要在试验台上对更换阀芯密封圈后的安全阀重新整定其公称压力。从而造成了安全阀生产成本及调试费用的大量增加、售后服务费用及往来运费的额外浪费，同时，还给矿方带来储存安全阀及上、下井携带安全阀和安全阀旧件回退等诸多麻烦。

4 安全阀设计结构改进方案论述

如果在卸下安全阀的接头后，弹簧所在区间是一个稳定区，接头安装有限定位置，重新组装接头时其弹簧压力是一个恒定压力，那么，更换密封圈后重新安装接头到其限定位置，安全阀的公称压力就不会发生变化。因此，可以在阀壳中增加一个通过定位弹簧座限制弹簧并同时能定位接头的共用限位台阶即可。

由于图1所示的原安全阀已经满足使用要求，说明其尺寸及材质都符合要求。为此，可以在原安全阀图1的结构基础上，在其阀壳中适当增加一台阶，并将弹簧座左端增加一段直径小于台阶孔直径的补偿整体阀组长度的凸台即可。为此，安全阀改进方案可按照图2所示结构进行改进。

图2 安全阀改进后结构示意图

5 安全阀设计结构改进方案计算

在图2中，阀壳左端增加了一个定位弹簧座和接头的环形台阶。为了使弹簧、弹簧座和环形台阶受力线一致而不发生使弹簧座滑移和凸变，其内孔尺寸小于弹簧内径并通过弹簧座增设的凸台即可，其厚度尺寸要大于弹簧的推力并且要有结构稳定性。安全阀开启时，阀芯受到液压的推力f=pπr2，，p为安全阀公称压力，单位MPa；r为阀芯外圆半径，单位mm；f单位为N。弹簧的推力与阀芯受到公称压力时相等，但其对阀壳中的环形台阶的直接推力要小于阀芯受到液体的推力f，因为，安全阀开启时，弹簧要向右移动一段距离，此时弹簧的推力在使用中达到最大值。如果卸下接头等之后，弹簧靠就紧阀壳的环形台阶，此时，弹簧对阀壳环形台阶的推力要小于安全阀开启时阀芯受到液压的推力f。为安全可靠，可以按照弹簧对阀壳环形台阶的推力等于安全阀开启时阀芯受到液压的推力f进行设计。那么，环形台阶受到弹簧的推力F=σ0.2×L×H，σ0.2为1Cr18Ni9的屈服强度，L为环形台阶与阀壳连接处的周长，单位mm；H为环形台阶的厚度，单位mm；F单位为N。

已知，该型安全阀公称压力p为50MPa，阀芯外圆半径r为6.5mm，阀壳内孔直径φ为46.5mm，阀壳材料为1Cr18Ni9，通过查看机械设计手册可知1Cr18Ni9不锈钢的屈服强度σ0.2为205MPa。那么，f=pπr2，=50×3.14×6.52，=6633.25N。如果取环形台阶受到弹簧的推力F等于阀芯受到液压的推力f，即F=f，也即σ0.2×L×H=f，由于阀壳直径φ为46.5mm，可以推测阀壳内径的周长L=πφ=3.14×46.5=146.01mm。那么，H=f÷（σ0.2×L）=6633.25N÷（205×146.01）≈0.2216mm，该尺寸是环形台阶与阀壳连接处的尺寸，环形台阶受到弹簧座的推力并非在它们的连接处，而是在弹簧座最大直径的边缘处（已知弹簧座最大处直径φ为44mm），弹簧座在弹簧的推力下将使环形台阶扭曲，显然该厚度偏小，最起码要0.5mm。但加工时容易造成退火，为了便于加工和使台阶结构稳定、强度足够，环形台阶可取3mm，随之而增加的弹簧座左边的凸台高度也要取3mm，安全阀的其它尺寸一律不变。

6 结语

通过改进安全阀的结构，在接头卸下后，使其弹簧有了一个固定区间，接头有了固定的限位台阶，方便了井下更换阀芯密封圈，杜绝了原安全阀更换阀芯密封圈后所带来的各类弊端。该安全阀的设计改进在安全阀设计应用中有较好的参考价值和推广意义。

【参考文献】

[1]陆一心，主编.液压阀使用手册[M].北京：化学工业出版社，2009.

[2]成大先，主编.机械设计手册（第五版第1卷）[M].北京：化学工业出版社，2010.

[责任编辑：汤静]

【摘 要】本文论述了原设计的安全阀在使用中存在诸多不便的详细情况，进一步分析了更换阀芯密封圈所带来的弊端，并详细论证了安全阀结构改进的要点和厉害关系。

【关键词】安全阀；密封圈；环形台阶；推力

0 引言

液压支架在井下使用过程中，必须要在支柱上配置安全阀。由于安全阀在使用中一致受到液压支架液压系统的高频冲击，其阀芯便一致在发生高频的往复滑动，导致了阀芯处的密封圈比较容易损坏，使安全阀发哈，我看看确定位，导致更换密封圈后的安全阀必须重新整定公称压力。由于井下没有压力试验台，在井下无法重新调整其公称压力，需要运回公司在试验台上重新整定公称压力。致使公司造成了人力物力的严重浪费，加大了成本投入和售后服务费用的开支；同时，也给客户带来了许多不便。为此，公司迫切需要对安全阀设计结构进行科学改进。

1 原安全阀的设计结构及原理剖析

图1 安全阀原设计结构示意图

安全阀原设计结构如图1所示。接头1紧固在阀壳7上，压紧螺帽4将安装好阀芯2的阀套3压紧在接头1内，阀芯与阀套和压紧螺帽之间有4个阀芯O型密封圈12，阀壳内的调压螺塞8将弹簧6顶在弹簧座5上，同时，弹簧座5将弹簧的压力加在阀芯上，起到稳压保护的作用。使用时卸下防尘套9，将安全阀接头插入液压支架支柱通液管处并卡紧，通常情况下阀芯在弹簧的作用下其卸荷孔向接头的接口处偏移一定距离，阀芯在支柱内的液压交变压力的条件下只是发生频繁的往复移动，但不卸荷。当井下工作面顶板来压较大致使液压支架顶梁对支柱的冲击压力使支柱内的液提压力大于安全阀的公称压力时，阀芯就快速向弹簧侧移动直到其卸荷孔到达阀套和压紧螺帽的排液孔处，随即发生卸荷，起到安全保护液压支架作用。

2 原安全阀的阀芯密封圈损坏过程论述

通过上述对安全阀原设计结构及原理剖析可知，安全阀在使用过程中其阀芯是在液压系统高频的交变压力下始终在进行高频的往复运动，这就导致了阀芯与阀套及压紧螺帽内的密封圈在不断的摩擦。当其运动幅度过大并造成阀芯的卸荷孔与密封圈摩擦时，很容易导致阀芯密封圈的损坏，这是正常的现象。在图1所示的结构中，损坏最厉害的密封圈是由阀芯左端向其右端数的第一个和第三个，因为其它两个始终无法与阀芯的卸荷孔发生摩擦。

当密封圈摩擦损坏到其弹性变量无法有效密封的时候，液压系统的液体就会通过磨损的密封圈由图1中的防尘帽11处流出，这就导致了液压系统的压力发生损失，安全阀失去了安全稳压的作用，最终导致液压支架支柱的活塞杆下滑。当然，液压支架维护人员会及时发现并更换安全阀的。

3 更换原安全阀损坏密封圈存在的弊端

安全阀更换后，就要更换其阀芯密封圈，通过图1可以看出，更换阀芯密封圈时，要将接头与阀壳拧开，再拧开压紧螺帽，拆下阀套与阀芯，最后更换阀芯密封圈。更换完成后再按拆卸接头部分的逆次序将各件依次装入在接头中。但此时，弹簧在卸下阀壳左端接头后，会在阀壳中向卸下接头端伸长，占满了阀壳左端拧紧接头的螺纹部分，使安装完阀芯密封圈的接头很难再拧入阀壳，即便强力拧入阀壳，也无法保证接头拧入的原始位置，这就导致弹簧对阀芯的压力发生了变化，从而使安全阀的公称压力发生了无法预知的改变。当然，通常是卸下阀壳右端的调压螺塞后再拧入接头，最后安装弹簧并拧入调压螺塞。不论是更换阀芯密封圈后怎样组装安全阀，目前都无法保证其组装后的弹簧压推力是否符合安全阀阀芯需要的正常的弹簧压力，这就必须要在试验台上对更换阀芯密封圈后的安全阀重新整定其公称压力。从而造成了安全阀生产成本及调试费用的大量增加、售后服务费用及往来运费的额外浪费，同时，还给矿方带来储存安全阀及上、下井携带安全阀和安全阀旧件回退等诸多麻烦。

4 安全阀设计结构改进方案论述

如果在卸下安全阀的接头后，弹簧所在区间是一个稳定区，接头安装有限定位置，重新组装接头时其弹簧压力是一个恒定压力，那么，更换密封圈后重新安装接头到其限定位置，安全阀的公称压力就不会发生变化。因此，可以在阀壳中增加一个通过定位弹簧座限制弹簧并同时能定位接头的共用限位台阶即可。

由于图1所示的原安全阀已经满足使用要求，说明其尺寸及材质都符合要求。为此，可以在原安全阀图1的结构基础上，在其阀壳中适当增加一台阶，并将弹簧座左端增加一段直径小于台阶孔直径的补偿整体阀组长度的凸台即可。为此，安全阀改进方案可按照图2所示结构进行改进。

图2 安全阀改进后结构示意图

5 安全阀设计结构改进方案计算

在图2中，阀壳左端增加了一个定位弹簧座和接头的环形台阶。为了使弹簧、弹簧座和环形台阶受力线一致而不发生使弹簧座滑移和凸变，其内孔尺寸小于弹簧内径并通过弹簧座增设的凸台即可，其厚度尺寸要大于弹簧的推力并且要有结构稳定性。安全阀开启时，阀芯受到液压的推力f=pπr2，，p为安全阀公称压力，单位MPa；r为阀芯外圆半径，单位mm；f单位为N。弹簧的推力与阀芯受到公称压力时相等，但其对阀壳中的环形台阶的直接推力要小于阀芯受到液体的推力f，因为，安全阀开启时，弹簧要向右移动一段距离，此时弹簧的推力在使用中达到最大值。如果卸下接头等之后，弹簧靠就紧阀壳的环形台阶，此时，弹簧对阀壳环形台阶的推力要小于安全阀开启时阀芯受到液压的推力f。为安全可靠，可以按照弹簧对阀壳环形台阶的推力等于安全阀开启时阀芯受到液压的推力f进行设计。那么，环形台阶受到弹簧的推力F=σ0.2×L×H，σ0.2为1Cr18Ni9的屈服强度，L为环形台阶与阀壳连接处的周长，单位mm；H为环形台阶的厚度，单位mm；F单位为N。

已知，该型安全阀公称压力p为50MPa，阀芯外圆半径r为6.5mm，阀壳内孔直径φ为46.5mm，阀壳材料为1Cr18Ni9，通过查看机械设计手册可知1Cr18Ni9不锈钢的屈服强度σ0.2为205MPa。那么，f=pπr2，=50×3.14×6.52，=6633.25N。如果取环形台阶受到弹簧的推力F等于阀芯受到液压的推力f，即F=f，也即σ0.2×L×H=f，由于阀壳直径φ为46.5mm，可以推测阀壳内径的周长L=πφ=3.14×46.5=146.01mm。那么，H=f÷（σ0.2×L）=6633.25N÷（205×146.01）≈0.2216mm，该尺寸是环形台阶与阀壳连接处的尺寸，环形台阶受到弹簧座的推力并非在它们的连接处，而是在弹簧座最大直径的边缘处（已知弹簧座最大处直径φ为44mm），弹簧座在弹簧的推力下将使环形台阶扭曲，显然该厚度偏小，最起码要0.5mm。但加工时容易造成退火，为了便于加工和使台阶结构稳定、强度足够，环形台阶可取3mm，随之而增加的弹簧座左边的凸台高度也要取3mm，安全阀的其它尺寸一律不变。

6 结语

通过改进安全阀的结构，在接头卸下后，使其弹簧有了一个固定区间，接头有了固定的限位台阶，方便了井下更换阀芯密封圈，杜绝了原安全阀更换阀芯密封圈后所带来的各类弊端。该安全阀的设计改进在安全阀设计应用中有较好的参考价值和推广意义。

【参考文献】

[1]陆一心，主编.液压阀使用手册[M].北京：化学工业出版社，2009.

[2]成大先，主编.机械设计手册（第五版第1卷）[M].北京：化学工业出版社，2010.

[责任编辑：汤静]