基于产学研协同创新的增压系统在阀试验中的应用

时连君

(山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛 266590)

产学研协同创新成为科技创新发展的一种重要形式，很多科技创新已经不是单一主体的活动，而是由多个创新主体参与，也是协同创新是否成功的关键因素。某校一直与科研单位联合共同完成一些科研项目。安全阀的试验与研究就是其中的研究项目之一。安全阀是液压支架对顶板保持恒阻让压的工作特性和可缩性的重要元件，和液控单向阀一样，长期工作于高压状态。因为支架支护顶板时，经常处于顶板压力逐渐增强和顶板岩石缓慢下沉状态，如果安全阀的密封性不好，就不能保证支架达到设计的工作阻力和稳定的工作状态。因此要求安全阀动作灵敏、密封可靠、工作稳定，没有震动现象，有较长的使用寿命，因此设计一套安全阀试验测试系统来保证其质量就非常有必要。

1 设计依据

为保证液压支架阀件的质量，国家相关部门制定标准GB25974.3-2010《煤矿用液压支架第3部分:液压控制系统及阀》，这标准以国内液压支架阀件的设计、试验和使用研究成果为基础，参考了世界各主要产煤国家和国际组织的相关标准，以实用性和先进性相结合的原则来制定的，以此推动我国液压支架液压控制技术的发展。因此，此试验系统的设计主要结合国家标准进行，涉及到安全阀的试验主要内容如下:

(1)安全阀的启溢特性;(2)安全阀的密封试验:①高压密封;②低压密封;(3)强度试验［1］。

2 测试系统设计

测试系统的设计以现场提供的安全阀的技术参数为依据，具体见表1，通过表格可以看出安全阀的压力达到40 MPa，按照上述国家标准的要求进行试验，一般液压泵很难满足试验压力60 MPa的试验要求，因此在此试验测试系统中采用增压缸为安全阀提供超高压液体。

表1 安全阀的型号与主要参数

2.1 增压系统的设计

2.1.1 增压系统的组成及设计要求

根据国家标准的要求，安全阀的试验系统中由于对液压源供液压力要求比较高，一般液压泵不满足试验要求，所以在系统中设计一套增压系统，利用增压缸增压为试验系统供液。增压缸工作时，增压回路通过高压油液的控制作用，把压力较低的乳化液介质通过增压缸的增压作用转换成超高压的乳化液介质。增压系统中采用高压油泵来控制实现增压、三柱塞低压乳化液泵来提供低压乳化液，电磁换向阀来控制双向增压缸的运动方向、单向阀阀组控制增压缸吸排液，增压系统输出的乳化液介质的额定压力值可以到60 MPa以上。液压原理图如图1所示。

图1 增压系统液压原理图

2.1.2 双向增压缸的结构设计

(1)双向增压缸尺寸计算

如果增压系统输出最高压力值为75 MPa，则油泵出口溢流阀的调定压力为:

如果增压系统输出的额定压力值为60 MPa，则高压油泵出口溢流阀调定的压力值为11.43 MPa即可。

(2)按照强度条件校核增压缸

由于增压缸增压腔活塞较短，所以应该按照强度条件校核增压缸增压腔活塞的直径d:

式中:F1为增压腔的最大推力;［σ］为增压腔活塞的直径许用应力 (Pa)，［σ］ =σs/ns，σs为材料的屈服极限 (Pa)，ns为材料的屈服安全系数，一般取ns=1.4～2。

经过计算可得d=3.85 cm，满足要求。

这样设计的双向增压液压缸的结构如图2所示。

图2 双向增压缸结构图

2.2 控制与测试系统的设计

根据试验项目的要求设计出控制与测试系统框图，如图3所示。

图3 控制与测试系统的框图

3 安全阀的试验测试

安全阀是保证液压支架恒阻让压特性的关键元件，质量好的安全阀，应该密封可靠，启闭灵敏［3，5］;使用寿命应该保证采煤工作面推进800～1 000 m不更换。

3.1 安全阀试验软件设计

系统的软件以VB语言开发，它是一种功能强大的编程语言，也是最迅速、最简单的编程语言，可以摆脱复杂的编程界面，取而代之的是一种非常可亲的所谓“可视化”界面。无需自己编写代码去设计一些界面元素，是面向对象和采集事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，是基于Windows环境的，在现场中操作很方便。

3.2 安全阀试验数据与特性曲线

(1)阀的启溢特性试验

根据国家标准安全阀的启溢特性试验要求，开启增压系统调节其输出压力，使试验系统压力高于安全阀公称压力的1.5倍以上，试验时系统压力上升梯度为 120 MPa/s，使安全阀开启，持续溢流0.5 s以上，然后迅速切断系统的供液，至安全阀压力值稳定为止。经过计算机处理后的安全阀的启溢特性曲线如图4所示。

图4 安全阀的启溢特性曲线

(2)阀的低压密封特性试验

根据标准安全阀的低压密封试验要求向被试安全阀供2 MPa的压力，切断供液，稳压2 min，然后记录压力值的大小。试验标准要求，2 min后压力不得降低。安全阀的低压密封试验曲线如图5所示，当然国家标准中还规定了安全阀的其他试验项目，这里就不介绍了。

图5 安全阀低压密封特性曲线

4 结论

图6 生产的试验测试系统

二十几年来，通过令学研协同创新先后为国内多家液压支架的阀件生产制造企业和维修企业设计制造了多种液压支架阀件的试验测试系统，如图6所示。试验测试系统实现了全部数据由计算机自动采集处理与曲线的绘制，消除了人为因素的影响［6］，提高了阀件的质量，从而保证了液压支架正常工作，提高了企业的经济效益。

［1］中国煤炭工业协会.GB25974.3-2010煤矿用液压支架:第3部分:液压控制系统及阀［M］.北京:中国标准出版社，2011:11－20.

［2］张利平，邓钟明.液压气动系统设计手册［M］.北京:机械工业出版社，1997:74－78.

［3］陶驰东.采掘机械［M］.北京:煤炭工业出版社，1993:137－138.

［4］张玉国.综放支架液压系统可靠性实测分析［J］.矿山压力与顶板管理，2000(6):23－27.

［5］程居山.矿山机械［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2006:169.

［6］宋志安，李新平.12MN外加载液压支架整架试验技术［J］.矿业工程研究，2010，25(2):56－59.