2000L/min安全阀特性试验装置的研制

赵忠辉

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 检测分院，北京 100013；2.国家煤矿支护设备质量监督检验中心，北京 100013；3.煤矿采掘机械装备国家工程实验室，北京 100013；4.煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室，北京 100013)



2000L/min安全阀特性试验装置的研制

赵忠辉1，2，3，4

(1.煤炭科学技术研究院有限公司 检测分院，北京 100013；2.国家煤矿支护设备质量监督检验中心，北京 100013；3.煤矿采掘机械装备国家工程实验室，北京 100013；4.煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室，北京 100013)

为了满足2000L/min安全阀的试验要求，解决试验技术与装备制约大流量安全阀技术进步的难题，在500L/min，1000L/min安全阀试验技术的基础上，研究了额定流量稳定输出时间控制、压力梯度控制等关键技术，研制了液压支架用安全阀特性试验装置，系统输出流量2000L/min以上，满足了GB25974.3-2010关于压力-流量特性试验的要求，填补行业空白。

2000L/min安全阀；特性试验；公称流量；压力梯度

安全阀是液压支架等煤矿支护设备高压保护的重要液压元件，通常公称流量大于100L/min就称之为大流量安全阀[1-2]。但随着国内综采技术的发展，液压支架用安全阀流量从40L/min的小流量、100L/min大流量，发展到500L/min及1000L/min的更大流量[3-5]。尤其是近年来在大采高综放、一次采全高综采工艺的发展和应用的背景下，液压支架的支撑高度和工作阻力不断增大，与之配套的安全阀公称流量也随之增大，出现了工作阻力26000kN、支撑高度8.8m的超大采高液压支架，与之配套的安全阀公称流量要求高达2000L/min，但目前安全阀产品最大流量为1000L/min，采用2个1000L/min安全阀并联的代替方案，可见公称流量2000L/min安全阀已有现实需求。在此背景下，北煤机、郑煤机等大型煤机企业也正在积极研制流量2000L/min的安全阀，样品已问世，但目前国内外的最大试验能力仅为1000L/min[6-7]。由于试验技术和装备的缺失，无法对其公称流量条件下的压力-流量特性进行试验验证，试验技术与装备已成为制约大流量安全阀技术提高的难题。

因此，亟需进行2000L/min安全阀试验技术的研究，开发配套试验装置，填补行业空白。

1　总体方案设计

在500L/min安全阀试验台基础上，针对实际应用发现的不足，2000L/min安全阀试验装置进行了全新设计。系统由蓄能器、快速加载缸、大流量控制阀组及安全防护等组成。以蓄能器作为流量源，通过自主研发的大流量快速加载组合液压缸，实现被试安全阀所需的2000L/min流量源，通过蓄能器组的开关控制实现500～2000L/min各种规格大流量阀的公称流量压力特性试验。

系统液压原理如图1所示，液压油泵站8为蓄能器组6充液，使其达到设定的工作压力；启动乳化液泵站1，控制电磁换向阀3，导通单向阀组2，对组合功能液压缸10的小腔充液，直至柱塞完全复位；单向阀组2中的单向阀主要用于回油截止，阻断加载过程中乳化液的反向冲击与回液，起到加载回路与充液回路的隔离作业；液控单向阀为中小流量阀，用于开启充液与输出油缸卸荷，其控制口均通过电磁换向阀3由油液系统控制。

1—乳化液泵站；2—单向阀组；3—三位四通电磁换向阀； 4—两位两通电磁换向阀；5—压力传感器；6—蓄能器组； 7—液控单向阀；8—液压油泵站；9—电磁开关阀； 10—组合功能液压缸；11—位移传感器图1　液压系统原理

充液完成后，给定信号，导通两位两通电磁换向阀4，高压液压油充满组合功能液压缸的环形腔，此时液压力作用于柱塞柱面，端面处于密封状态，柱塞处于静止状态；当导通电磁开关阀9，高压油液从控制口进入柱塞端面，使得柱塞产生运动，端面密封状态解除，环形腔大流量高压油液作用于柱塞端面，推动小腔乳化液，形成增压效果，实现了被试安全阀的高压快速加载。利用位移传感器11测量油缸一定时间内的位移，采用容积法间接计算出被试安全阀的流量。

2000L/min安全阀装置试验系统满足GB25974.3-2010关于公称流量-压力特性试验的要求，总体参数见表1。

表1　总体参数

2　组合功能快速加载缸设计

2.1结构设计

组合功能油缸专利技术(专利号200710000543.3)集成了开关阀和增加加载功能[8]。在结构设计方面，进行了重新结构优化设计，结构图如图2所示。

图2　组合功能快速加载缸结构

组合功能快速加载缸结构型式采用“伸缩式柱塞缸”结构，在同样缸径、行程的条件下，减小了液压缸的长度。缸体的大腔液压油推动小腔乳化液，实现增压；并通过先导设计实现了油缸的快速开启。

2.2组合缸参数的确定

输出液体体积：以2000L/min平均流量计算，设定延续试验时间为T=1s，则所需要的乳化液液体体积V=33.3L。

综合考虑加工工艺等因素，确定乳化液柱塞缸径d=300mm，则所需行程L至少为708mm，取行程为720mm。

3　蓄能器加载系统设计

3.1蓄能器组容积的确定

对于本系统，蓄能器所需油液输出体积为Q=33.3×2.78=92.6(L)，预留一定的余量取其为120L。蓄能器额定压力31.5MPa，系统稳定工作压力取29.5MPa。

气体方程公式为：PVn=C

有P0V0n=P1V1n

P0V0n=P2V2n

式中，P0为蓄能器组充气压力，其值取20MPa；V0为蓄能器组容积；P1为蓄能器组最大充液压力，其值取29.5MPa；V1为最大充液压力下的气体体积；P2为柱塞缸完全伸出后蓄能器的压力，其值取25MPa；V2为柱塞缸完全伸出蓄能器组的气体体积；气体压缩指数n=1.4。

由于蓄能器组排出液体的体积就是蓄能器组的气体体积的变化量[10]，故有：

ΔV0=V2-V1

即：

求得：V0=1263.2L，即需要蓄能器组的总容积为1263.2L，取蓄能器组的总容积为1280L。

3.2蓄能器组的设计

对于1280L的总容积，蓄能器组的构成可以有多种组合：160L，8个；80L，16个；40L，32个。

综合考虑系统稳定性和蓄能器压力输出特性，本系统选取16个容积为80L，额定压力为31.5MPa的蓄能器，集成蓄能器组。

蓄能器组采用模块化设计，分为4组，每组4个蓄能器，通过控制每组蓄能器的通断，实现额定流量稳定输出时间的控制。

4　CAT系统

4.1流量的测定

安全阀的溢流量只需测定压力与流量2个参数，其中压力参数通过压力传感器直接测得。

而流量参数的测量有直接和间接测量两种方法：直接测量即采用流量传感器，但目前其最高耐受压力小于75MPa，且有响应有迟滞(惯性环节)；间接测量即采用容积法间接计算，利用位移传感器测量油缸一定时间内的位移，再乘以液压缸横截面积即得出流量。由于位移传感器与油缸刚性连接，对位置的变化响应是实时同步，无惯性环节影响。故本系统采用位移传感器容积法间接测量流量。

4.2系统设计

通过传感器将压力、位移等系统参数实时传输至计算机系统，通过计算机对数据进行采集和处理，并能自动绘制和打印试验曲线。

CAT系统主要由硬件和软件两部分组成。硬件包括操作台、工控机、智能显示仪表、压力传感器、位移传感器、高速数据采集卡、开关电源、连接线等电气元件组成。软件主要由数据库、数据采集子程序、界面显示子程序、数据处理子程序、打印查询子程序等组成[11-12]。

4.3采样频率的确定

位移传感器选用非接触式磁致伸缩式，其输出模拟信号响应时间最小为0.5ms，即频响为2kHz；而信号分配器输出模拟信号响应时间最小为0.2ms，即频响为5kHz；采集卡的最高采集频率为125kHz(8通道时)，综合考虑系统的采样频率最高为2kHz，如果系统采样频率高于2kHz，则传感器在采样间隔小于0.5ms内，输出模拟信号不会有变化，所以大于2kHz的采样频率对于数据处理没有太大意义。

5　试验应用与效果分析

该试验技术已成功应用于煤科院和北煤机的大流量安全阀试验台。

按照相关标准要求，对FAD2000/50安全阀的大流量阀进行了公称流量启溢闭特性试验，该阀的公称流量为2000L/min，额定工作压力50MPa，启溢闭特性曲线如图3所示。

图3　2000L/min安全阀公称流量启溢闭特性试验曲线

从图3可以看出，在0.1～0.2s内压力达到了62.5MPa，压力上升梯度312.5MPa/s，满足GB 25974.3-2010关于压力上升梯度大于120MPa/s的要求；在平均流量2127L/min的条件下，开启压力为62.4MPa，关闭压力为58.3MPa，平均流量达到2127 L/min，稳定溢流时间0.6s，实现了2000L/min公称流量下安全阀的公称流量启溢闭特性的检测，满足了标准关于启溢闭压力最大值应不大于工作压力的125%即62.5MPa，最小值应不小于工作压力的90%即45MPa的要求，模拟了被试阀的使用工况。

通过图4的压力-时间曲线可以看出，在0.08～0.1s内阀芯完全开启，达到了峰值流量2680L/min，0.1s后进入稳态流量，安全阀动态响应特性良好。

图4　2000L/min安全阀瞬态响应特性试验曲线

6　结束语

(1)2000L/min安全阀试验装置的成功研制，填补了行业空白，满足了2000L/min安全阀公称流量压力特性的检测要求。

(2)以500L/min，1000L/min安全阀试验台为基础，对组合加载缸的结构进行优化设计，解决了之前密封损坏泄漏、体积大等问题，形成了安全阀试验台系列化产品，促进了大流量安全阀技术的发展。

(3)试验装置作为矿山支护设备安全准入分析验证实验室的重要设备，为行业科研、设计、制造提供了科学工具和试验手段，为我国液压支架用阀的研发、性能检测、质量监管监察提供技术支撑和服务。

[1]煤炭科学研究总院.MT 419 -1995 液压支架用阀[S].北京：煤炭工业出版社，1995.

[2]中国煤炭工业协会.GB 25974.3 -2010液压控制系统及阀[S].北京：中国标准出版社，2010.

[3]吴波，赵忠辉.液压支架用阀安标检测检验现状及分析[J].矿山机械，2013，41(8)：7-9.

[4]李小国，张守祥.国产高端综采支护技术及设备的发展现状[J].矿山机械，2009，37(13)：39-43.

[5]王国法，等.液压支架控制技术[M].北京：煤炭工业出版社，2010.

[6]赵忠辉.液压支架用方向阀特性试验技术及装置研究[J].液压与气动，2015(11)：59-62.

[7]王国法，等.高端液压支架及先进制造技术[M].北京：煤炭工业出版社，2010.

[8]赵忠辉，王勇，姜金球，等.一种组合功能液压缸的专利及其应用分析[J].液压与气动，2010(1)：29-31.

[9]王勇.基于蓄能器和组合功能加载油缸的安全阀试验技术研究[D].北京：中国矿业大学(北京)，2011.

[10]沈宏明.一种煤炭机械化采样机断电保护装置的研究与应用[J].煤矿机电，2015(4)：68-70.

[11]翟京.小流量电磁先导阀综合性能试验装置设计[J].工矿自动化，2014，40(8)：104-106.

[12]赵忠辉，刘欣科，刘金国.30000kN强力液压支架检测技术及装备研究[J].煤炭科学技术，2013，41(6)：80-84.

[责任编辑：徐亚军]

2000L/min Safety Valve Characteristic Test Apparatus Development

ZHAO Zhong-hui1,2,3,4

(1.Mine Detection Technology Branch of China Coal Research Institute，Beijing 100013，China；2.National Coal Mine Support Equipment Quality Supervision and Inspection Center，Beijing 100013，China；3.State Engineer Laboratory of Coal Mining Equipment，Beijing 100013，China；4.State Key Laboratory of Coal Resources Mining and Environment Protection，Beijing 100013，China)

In order to meet experimental requirements of 2000L/min safety valve and solve the difficulty problems of large flow rate safety valve technical progress that restricted by experimental technique and equipment，based on experiment techniques of 500L/min and 1000L/min safety valve，and then some key techniques was studied，such rated flow steady，output time control and pressure gradient control，and safety valve characteristic test apparatus of hydraulic support was developed，system output flow was more than 2000L/min，it satisfied for pressure-flow characters test requirements and fill up industry gap.

2000L/min safety valve；characteristic test；nominal flow rate；pressure gradient

2016-03-24

2000L/min安全阀试验装置(发改委投资[2014]744-09)；煤科院技术创新基金(2014CX13)

赵忠辉(1980-)，男，辽宁昌图人，硕士，副研究员，从事矿山机械设计及支护设备的相关试验方法研究和设备开发工作。

TD355.41；TH137.52

A

1006-6225(2016)05-0036-04

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.05.011

[引用格式]赵忠辉.2000L/min安全阀特性试验装置的研制[J].煤矿开采，2016，21(5)：36-39.