液壓支架用大流量安全閥性能分析

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(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024； 2.太原理工大學(xué) 煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

引言

液壓支架是機(jī)械化綜采工作面的核心設(shè)備之一，安裝于立柱的安全閥是液壓支架的重要組成部分，它被用來限制液壓支架實(shí)際的工作阻力使其不超過允許值。液壓支架上的安全閥位置如圖1所示，在采煤過程中，當(dāng)頂板破斷后沖擊液壓支架時(shí)，立柱承受巨大的載荷，包括動載荷和靜載荷，當(dāng)立柱的工作壓力超出安全閥的調(diào)定壓力時(shí)，安全閥打開，從頂板傳遞給液壓支架的大部分沖擊能量將從安全閥消散，所以很有必要了解安全閥的工作特性，特別是動態(tài)特性。安全閥的主要參數(shù)是開啟時(shí)間和通流能力，在礦震引起的動載荷下，PYTLIK A[1]分析了安裝有溢流閥和額外的安全閥的液壓立柱、液壓支架和單體支柱的工作過程；LEKONTSEV Y M等[2]和KLISHIN V I等[3]分析了在動載下液壓立柱和安全閥的運(yùn)行過程,他們采用的實(shí)驗(yàn)裝置均為自由落體的重錘沖擊立柱。暢軍亮等[4]建立了一種以蓄能器為動力源，采用插裝閥快速開啟來對大流量安全閥快速加載的安全閥沖擊試驗(yàn)臺，然后通過沖擊試驗(yàn)臺得到安全閥的動態(tài)性能。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD (Computational Fluid Dynamics)技術(shù)越來越多的用于液壓閥的產(chǎn)品開發(fā)和實(shí)驗(yàn)，Chattopadhyay H等[5]利用CFD技術(shù)研究壓力調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的流動過程。

圖1 液壓支架

基于綜采工作面開采后上覆巖層形成的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，本研究提出一種基于蓄能器和氣體爆炸組合加載的安全閥沖擊試驗(yàn)臺。通過沖擊試驗(yàn)得到安全閥動作過程中的壓力-時(shí)間曲線，分析得到安全閥的動態(tài)特性，聯(lián)合高速攝像機(jī)和CFD軟件對安全閥的溢流情況進(jìn)行分析。本試驗(yàn)所選用的被試安全閥結(jié)構(gòu)如圖2所示，安全閥具體參數(shù)：公稱壓力為50 MPa,流量1000 L/min,安全閥調(diào)定壓力45 MPa。

圖2 1000 L/min安全閥

1 實(shí)驗(yàn)裝置

基于綜采工作面上覆巖層的“砌體梁”結(jié)構(gòu)力學(xué)模型[6-7]，王國法等[8]對液壓支架承受的頂板載荷進(jìn)行了分類，液壓支架上的載荷是動態(tài)載荷和靜態(tài)載荷的總和，綜采工作面的砌體梁結(jié)構(gòu)如圖3所示。

I,II,II分別為彎曲下沉帶、裂縫帶及垮落帶A.煤壁支撐影響區(qū) B.支架影響區(qū) C.已冒落矸石的支撐區(qū)圖3 “砌體梁”結(jié)構(gòu)模型

基于來壓期間液壓支架承受動靜載荷疊加的作用，本研究提出一種安全閥動靜組合加載試驗(yàn)臺?；跉怏w爆炸和蓄能器組合的安全閥動靜組合加載試驗(yàn)臺(其中蓄能器加載模擬靜載荷，氣體爆炸模擬動載荷)如圖4所示，試驗(yàn)裝置主要由位于上部的爆炸缸6和下部的液壓缸7兩部分組成，其中A室為氣體爆炸腔，壓縮空氣由空氣壓縮機(jī)4通過氣動截止閥3供應(yīng)，可燃?xì)怏w由儲氣罐5通過氣動截止閥3供應(yīng)，因LPG (Liquefied Petroleum Gas)的爆炸特性[9]，且應(yīng)用廣泛易于取得，因此本研究使用LPG作為可燃?xì)怏w。A腔內(nèi)的混合氣體由點(diǎn)火裝置2點(diǎn)燃，B室與蓄能器組16直接相連。為保證試驗(yàn)順利進(jìn)行，蓄能器組由10個100 L的蓄能器并聯(lián)組成。C腔是工作腔，與被試安全閥直接相連。A，B，C腔與壓力傳感器直接相連，試驗(yàn)過程中可以直接得到A，B，C腔壓力變化。

使用壓力傳感器CY301(成都泰斯特，中國,量程3 MPa,精度0.1%FS)直接測量混合氣體爆炸前和氣體供應(yīng)過程中的壓力。使用壓力傳感器CYG1508(昆山雙橋傳感器控制技術(shù)有限公司，中國,量程30 MPa,精度0.5%FS)記錄爆炸過程中A腔的壓力。使用壓力傳感器CYG1401(昆山雙橋傳感器控制技術(shù)有限公司，中國，量程60 MPa和100 MPa,精度1%FS)記錄爆炸過程中B腔和C腔的壓力。使用位移傳感器RH(MTS系統(tǒng)公司，USA)記錄試驗(yàn)過程中組合活塞的位移，位移傳感器同時(shí)具有速度輸出功能。這些信號直接連接到數(shù)據(jù)采集儀INV3062C(北京東方噪聲與振動研究所，中國，采樣頻率為2048 Hz)。使用高速攝像機(jī)HX-5E(NAC公司，日本)獲取被試安全閥的溢流照片，圖像以25000 fps的速度拍攝，圖像分辨率為640×368 PPI。

試驗(yàn)開始前的準(zhǔn)備工作：首先，關(guān)閉所有閥門，用乳化液泵10為蓄壓器組16充至31.5 MPa的乳化液；隨后打開閥門11和12，由乳化液泵10為C腔供應(yīng)乳化液，液壓缸7的活塞移動至頂部，C腔的壓力為31.5 MPa，然后閥門11和12關(guān)閉。接著打開閥門14，組合活塞在B腔和C腔的乳化液壓力作用下處于平衡狀態(tài)；此時(shí)，由于與1000 L蓄能器組相比，B腔的體積非常小，所以假設(shè)B腔的乳化液壓力和蓄能器組的壓力相同均為31.5 MPa；由于B腔和C腔的活塞面積存在差異，C腔的乳化液壓力約為40 MPa。

1.壓力傳感器 2.點(diǎn)火裝置 3.氣動截止閥 4.空壓機(jī) 5.儲氣罐 6.爆炸缸 7.液壓缸 8.位移傳感器 9.被試安全閥 10.液壓泵 11.液壓截止閥1 12.液壓截止閥2 13.液箱 14.液壓截止閥3 15.單向閥 16.蓄能器組 A.爆炸腔 B.蓄能器加載腔 C.工作腔圖4 安全閥試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)的工作流程如圖5所示：首先，打開連接到空氣壓縮機(jī)4的氣動截止閥3，使用來自空氣壓縮機(jī)4的壓縮空氣清潔A腔大約5 min，以確保氣體混合物中不存在雜質(zhì)；隨后，通過分壓法制備LPG-空氣混合物。首先，A腔含有初始空氣(在大氣壓力下)。隨后供應(yīng)LPG，最后是壓縮空氣。在A腔的混合氣體被點(diǎn)燃之前靜置5 min，使LPG與空氣完全混合。

圖5 試驗(yàn)流程圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 動態(tài)特性

1) 壓力超調(diào)量

壓力超調(diào)是被試安全閥的峰值壓力和調(diào)定壓力之間的差值，被試安全閥的峰值壓力為50 MPa，如圖6所示。因此被試安全閥的壓力超調(diào)量為5 MPa，壓力超調(diào)約為安全閥調(diào)定壓力的11%。

圖6 壓力-時(shí)間曲線和安全閥閥芯位移曲線

2) 壓力穩(wěn)定時(shí)間

壓力穩(wěn)定時(shí)間是安全閥首次由調(diào)定壓力變化到壓力穩(wěn)定的時(shí)間。壓力穩(wěn)定時(shí)間為0.017 s，如圖6所示。安全閥第一次達(dá)到調(diào)定壓力時(shí)間為11.319 s，壓力穩(wěn)定時(shí)間為11.336 s。

2.2 流場分析

根據(jù)圖6所示，當(dāng)t為11.346 s時(shí)，安全閥的壓力為45.4 MPa，相應(yīng)安全閥閥芯位移為5.35 mm。此時(shí)，通過CFD軟件ANSYS Fluent得到安全閥閥芯位移為5.35 mm的流場，獲得安全閥閥芯位移為5.35 mm的速度分布。同時(shí)通過高速攝像機(jī)得到安全閥溢流的照片。安全閥流場的3D速度分布(閥芯的位移為5.35 mm)如圖7所示；安全閥流場的2D速度分布和由高速攝像機(jī)拍攝的安全閥溢流照片如圖8所示。

圖7 安全閥的3D速度分布(閥芯位移為5.35 mm)

圖8 安全閥的2D速度分布和溢流照片(閥芯位移為5.35 mm)

3 結(jié)論

(1) 基于液壓支架上的載荷是靜載荷和動載荷疊加的事實(shí)，建立了基于氣體爆炸與蓄能器同時(shí)加載的安全閥組合加載試驗(yàn)臺(其中蓄能器的加載模擬靜載荷，氣體爆炸載荷模擬動載荷)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，安全閥的工作特性可以通過該試驗(yàn)裝置進(jìn)行測試。

(2) 氣體爆炸前LPG-空氣混合氣壓力為1.6 MPa，被試安全閥調(diào)定壓力為45 MPa。在以上試驗(yàn)條件下，得到安全閥的壓力超調(diào)量為5 MPa，約為安全閥調(diào)定壓力的11%，安全閥的壓力穩(wěn)定時(shí)間為0.017 s。