基于产学研协同创新的增压系统在阀试验中的应用.pdf

２０１５ 年 １１ 月 第 ４３ 卷 第 ２２ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｎｏｖ􀆱 ２０１５ Ｖｏｌ􀆱 ４３ Ｎｏ􀆱 ２２ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１５􀆱 ２２􀆱 ０２９ 收稿日期 ２０１４－１０－１６ 作者简介 时连君 （１９６３）， 男， 硕士， 高级实验师一级， 主要从事教学与科研工作。 Ｅ－ｍａｉｌ ｓｈａｎｊｕｎ９９００＠ １６３􀆱 ｃｏｍ。 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） 摘要 通过产学研协同创新， 结合安全阀的国家试验标准， 设计一套利用增压缸进行增压的超高压安全阀试验测试系 统， 旨在满足超高压安全阀的性能试验要求。 根据国家标准规定的试验内容确定其试验方法， 利用计算机进行数据自动处 理， 最后打印出试验曲线， 完成对安全阀有关试验项目的测试， 排除人为因素的影响， 保证阀件的质量。 关键词 协同创新； 增压系统； 安全阀； 测试系统 中图分类号 ＴＤ４２１ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１５） ２２－０８８－３ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｅｓｓｕｒｉｚａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ Ｖａｌｖｅ Ｔｅｓｔ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｔｕｄｙ ａｎｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ＳＨＩ Ｌｉａｎｊｕｎ （Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ， Ｓｈａｎｄｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｑｉｎｇｄａｏ Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２６６５９０， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂｙ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ， ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｎａｔｉｏｎａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ｏｆ ｓａｆｅ⁃ ｔｙ ｖａｌｖｅ， ａｎ ｕｌｔｒａ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓａｆｅｔｙ ｖａｌｖｅ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｗｉｔｈ ｕｓｅ ｏｆ ｂｏｏｓｔｅｒ ｃｙｌｉｎｄｅｒ ｔｕｒｂｏｃｈａｒｇｅｄ， ａｉｍｅｄ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅ⁃ ｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｉｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔ ｏｆ ｈｉｇｈ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓａｆｅｔｙ ｖａｌｖｅ． Ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｅｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｎａｔｉｏｎａｌ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｃｏｎｔｅｎｔ， ｄａｔａ ｗｅｒｅ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ， ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｃｕｒｖｅ ｗａｓ ｐｒｉｎｔｅｄ ｏｕｔ ｂｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｔｏ ｃｏｍｐｌｅｔｅ ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｔｅｓｔ ｉｔｅｍ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ｖａｌｖｅ． Ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｈｕｍａｎ ｆａｃｔｏｒｓ ｗａｓ ｅｘｃｌｕｄｅｄ ｓｏ ａｓ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｌｖｅ ｍｅｍｂｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ； Ｐｒｅｓｓｕｒｉｚａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ； Ｓａｆｅｔｙ ｖａｌｖｅ； Ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ 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 名称型号 安全阀ＦＡＤ２００／４０， ｐ＝３７􀆱 ３ ＭＰａ 安全阀ＦＡＺ３２／４０， ｐ＝３７􀆱 ３ ＭＰａ 安全阀ＦＡＤ１２５／４０， ｐ＝４０ ＭＰａ 安全阀ＤＡＦ， ｐ＝３５ ＭＰａ 安全阀ＤＡＦ， ｐ＝３８ ＭＰａ 安全阀ＺＨＹＦ１Ａ， ｐ＝３９􀆱 ２ ＭＰａ 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 增压系统的工作原理如图 １ 所示， 若系统中高压 油泵输出的控制油压 ｐ１， 进入增压缸中间活塞腔， 低压三柱塞乳化液泵输出的液体进入增压缸活塞两端 的小腔， 因此增压系统输出的高压乳化液的压力值由 公式 ｐ２＝ Ｄ２ －ｄ ２ ｄ２ ｐ１计算出， ｐ１大小由高压油泵出口溢 流阀调定， 因此增压系统输出压力值取决于高压油泵 出口溢流阀调定的压力值大小。 增压缸工作时， 通过 电气控制回路控制三位四通电磁换向阀来回换向， 从 而增压缸活塞来回往复运动实现增压［２］， 使增压系统 输出超高压乳化液介质。 根据相关规定， 设计的增压 系统液压缸的增压比 Ｋ＝５ ∶ １， 如果取增压缸中间腔 活塞直径 Ｄ＝１２􀆱 ５ ｃｍ， 由公式 Ｋ＝ Ｄ２ －ｄ ２ ｄ２ ＝ ５， 计算可 得增压 腔 活 塞 直 径 ｄ ＝ ５􀆱 １ ｃｍ， 根 据 国 家 标 准 ＧＢ２３４８⁃８０ 选取 ｄ＝５ ｃｍ。 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 ｐ１＝ ｄ２ Ｄ２ －ｄ ２ｐ２＝１４􀆱 ３ ＭＰａ 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 ｄ≥ ４Ｆ１ π［σ］ 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 ９８第 ２２ 期时连君 基于产学研协同创新的增压系统在阀试验中的应用 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 图 ４ 安全阀的启溢特性曲线 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。 （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 图 ５ 安全阀低压密封特性曲线 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。 ４ 结论 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。 图 ６ 生产的试验测试系统 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。 参考文献 ［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，２０１１１１－２０． ［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，１９９７７４－７８． ［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， ２００６１６９． ［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． （上接第 ７６ 页） ５ 结论 （１） 根据流体力学流量连续性方程及动力学相 关知识， 建立了驱动线水力缓冲器的数学模型， 并基 于 ＭＡＴＬＡＢ 软件及 ４ 阶 ５ 级 Ｒｕｎｇｅ⁃Ｋｕｔｔａ 变步长算法 将所建立的数学模型转化为计算机能够处理的仿真 模型。 （２） 利用所建立的水力缓冲器仿真模型对不同 环形间隙下的水力缓冲器进行了仿真分析， 并给出了 仿真分析结果， 根据缓冲缸位移、 速度、 压强及缸内 反向冲击力随时间变化的特性曲线， 优选出合适的环 形间隙值。 （３） 通过与某核电站反应堆控制棒驱动线缓冲 试验数据对比， 证明驱动线水力缓冲仿真模型的建立 方法及思路是正确的， 仿真分析结果可用于指导驱动 线水力缓冲结构设计及优化相关参数。 参考文献 ［１］ 于亚非．缓冲器阻尼孔形式与缓冲特性［Ｊ］．液压与气 动，１９９７（２）４９－５１． ［２］ 孙爽．液压缓冲器仿真与优化设计［Ｄ］．大连大连理工 大学，２００６３－６． ［３］ 侯煜．基于 ＣＦＤ 环形间隙泄漏量及摩擦力的仿真计算 ［Ｄ］．太原太原理工大学，２００７５５－６０． ［４］ 李永堂，雷步芳，高雨茁．液压系统建模与仿真［Ｍ］．北 京冶金工业出版社，２００３４５－５２． ［５］ 苗明，李明月，杨万春．新型液气缓冲器的动态试验及其 仿真分析［Ｊ］．机械工程学报，２００６，４２（１）２１２－２１６． ［６］ 薛定宇．基于 ＭＡＴＬＡＢ／ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ 的系统仿真技术与应用 ［Ｍ］．北京清华大学出版社，２００２１４０－１４２． ０９机床与液压第 ４３ 卷