02-2000L_min安全阀特性试验装置的研制-2016年第5期

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）［摘要］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。

［关键词］2000L /min 安全阀；特性试验；公称流量；压力梯度［中图分类号］TD355.41；TH137.52［文献标识码］A ［文章编号］1006-6225（2016）05-0036-042000L /min Safety Valve Characteristic Test Apparatus DevelopmentZHAO Zhong-hui 1，2，3，4（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 ）Abstract ：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.Key words ：2000L /min safety valve ；characteristic test ；nominal flow rate ；pressure gradient［收稿日期］2016－03－24［DOI ］10.13532/11－3677/td.2016.05.011［基金项目］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）［作者简介］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。

［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.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63第21卷第5期（总第132期）2016年10月煤矿开采COAL MINING TECHNOLOGY Vol.21No.5（Series No.132）October 2016中国煤炭期刊网 w w w .c h i n a c a j .n e t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总体参数参数规格额定输出流量/（L ·min －1）2000额定工作压力/MPa 62.5额定流量工作时间/s 0.5最大输出流量/（L ·min －1）2200最大输出压力/MPa 75压力梯度/（MPa ·s－1）大于1202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组合缸参数的确定由之前的研究［9］可知，组合缸的流量输出与增压比n 的关系为：Q 2max =29.5n －62.5C 1·n 3+C 2，系统增压比合理取值区间为2.5＜n ＜3。

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 。

由于目前加工制造水平和经济成本的限制，液压缸的缸径一般在500mm 以内为宜，故此，确定油液柱塞缸径为500mm ，又乳化液柱塞缸径300mm ，则系统增压比k =500()3002=2.78，在合理取值区间内。

3蓄能器加载系统设计3.1蓄能器组容积的确定蓄能器的工作过程为：首先，应用专业充氮工具向蓄能器内充满一定压力的氮气，此时氮气的压力即为充气压力，体积为蓄能器额定体积；然后在此基础上，应用泵站预冲一定压力的液压油，蓄能器输出压力特性P 0=C 0（V 0+δV ）n，当蓄能器开启73赵忠辉：2000L /min 安全阀特性试验装置的研制2016年第5期中国煤炭期刊网 w w w .c h i n a c a j .n e t时，释放液压油气囊体积增大，输出压力降低。

对于本系统，蓄能器所需油液输出体积为Q= 33.3ˑ2.78=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：PV n=C有P0V0n=P1V1nP 0Vn=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。