CN101788375A - 大流量安全阀抗冲击性能试验装置 - Google Patents

Abstract

一种大流量安全阀抗冲击性能试验装置，它包括高压泵站、微机数据采集器和微机测控/数据处理系统，微机数据采集器连接微机测控/数据处理系统，高压泵站通过精密过滤器分两路，分别连接两个电磁阀，电磁阀接液源集配器，液源集配器接液控装置，液控装置接增压器，微机数据采集器接电磁阀、通过蓄能压力传感器接液控装置、通过高压传感器接增压器、通过位移传感器接增压器，一路中的增压器为大型增压器，另一路中的增压器为中型增压器，蓄能器组分别连接两个液源集配器。它模拟大流量安全阀在井下液压支架立柱的工况下沉和瞬间冲击情况下的动态过程，测试安全阀的特性参数。

Description

大流量安全阀抗冲击性能试验装置

技术领域

本发明涉及一种矿用液压支架安全阀抗冲击性能试验装置，尤其是指一种大流量安全阀抗冲击性能试验装置。

背景技术

目前，我国煤矿五大灾害中井下工作面顶板事故比重仍占首位。我国一些矿区，特别是近年来我国相当多的矿井进入深部开采，存在着坚硬顶板难冒以及冲击地压的威胁。现代化矿井，高产高效的要求使工作面推进速度大大加快，要求顶板悬臂加大。这些因素都会增大产生大面积顶板垮落、冲击猛烈等一系列动力灾害的可能性，威胁生产人员安全。为了达到高产高效和安全生产，我国采煤工作面的液压支架支护技术必须要有很大提高。前世纪末，我国的大中型矿井普遍装备的综采工作面液压支架高度1.7m-3.5m、立柱缸径为Φ200mm-Φ230mm、支护阻力4400KN-5600KN、安全阀泄液量100L/min-160L/min。这种技术特征水平的液压支架已经不能完全满足当前生产能力的需要。目前，液压支架的高度已达到5m-7m，支护阻力已发展到10000KN-170000KN，支架的立柱载荷也在同步提高，单根立柱达到6000KN-8000KN，相应的缸径达到Φ400mm-Φ500mm(其单位的体积容量将以三次方的幅度增大)。液压支架仍向大型化发展。液压支架立柱能力的提升，必然促进对保护元件-安全阀的深层研究，要求安全阀具备高压大流量和快速动态响应性能。另外，我国煤矿分布地域广阔，地质条件复杂多样，许多煤矿存在着地压冲击的威胁。在这样恶劣工况条件下，液压支架能否经得起考验，立柱与抗冲击大流量安全阀显得尤为重要。

目前，我国高端液压支架的安全阀大部分依赖进口，国内尚缺抗冲击大流量安全阀的测试标准和测试设备，国家检测中心和液压支架主机厂都还没有一个比较合适的试验方法和试验设备。MT419-1995《液压支架用阀》行业标准只规定了100L以下安全阀的检验方法，对于100L以上的安全阀未作具体规定。新制订的国家标准《煤矿用液压支架安全性要求第三部分：阀与液压系统》尚未正式颁布执行。

目前，国外(主要是欧洲国家)的大流量安全阀研发技术比较前沿，对大流量安全阀试验依据欧洲标准化委员会(CEN)颁布的EN1804-3《井下采矿机械对液压支架的安全性要求第三部分：液压控制系统》(2006年版本)进行，对安全阀的规定已达到1000L。欧洲标准不时地进行修订。

德国MPA(北莱茵威斯特法伦州国家材料试验中心)，是国家指定检验液压支架的质检中心。该中心采用德国申克公司制造的快速加载试验装置，对安全阀进行冲击试验，流量升级为1000L。该中心还具有液压立柱的冲击试验装置，采用自由落体的方式对立柱进行冲击试验，重物的质量是20T。按照欧洲相关的标准，检验立柱的抗冲击能力和安全阀的保护特性。

由于德国煤炭工业的萎缩，鲁尔和撒尔矿区不再采煤，现在欧州液压支架及元部件的检测向东欧转移。捷克煤炭科学院试验室(OPAV)，据有关检验报告，能力也达到1000升。据说波兰试验室也具有同等的试验能力。最近几年，进口的安全阀检验报告大都由MPA和OPAV提供的。

我国在上个世纪七十年代，从英国、波兰等国引进了一批液压支架，随后发展了我国自主技术的液压支架。在使用过程中，一些矿区先后发生过顶板冲击造成支架立柱胀缸、串通顶梁、切断连杆、支架整体变形等事故。支架立柱的保护很大程度取决于液压系统的安全阀，这种事故的发生暴露了支柱安全阀保护能力的严重不足，促使安全阀向高压力、大流量发展。经过论证，液压支架的安全阀释放能力应该大于500～1000L/min，乃至2000L/min的水平。本申请人生产的200～315～400～500～630～1000升以上的安全阀就是在这一前提下研制的，但是苦于没有安全阀检测装备在试验室进行考核。在上个世纪末，国家质检中心部门的检测能力只能达到160L/min。总之测试技术手段还是落后于产品开发。所以我们国内企业的安全阀产品一直滞留在市场的门外。

由于缺乏高性能大流量抗冲击安全阀测试装置，严重影响我国研制这类大流量抗冲击安全阀的工作研制的产品由于缺乏可靠的测试手段，不能取得被确认的数据下井使用。高性能大流量抗冲击安全阀进口占相当大比例，也只能比照国外的检测结果暂时允许下井。目前，国内用高压泵串联液能方法进行简易测试，其高能耗、高排放不符合节能减排国策要求。如测试一个500L/min的安全阀(原所用动力电能500KW比20KW，测试用液源10吨比1吨)，也无法满足模拟试验安全阀冲击性能检测要求。德国、波兰的同类试验装置的性能参数也已相对落后。

在近几年来，国内液压支架主机厂、矿山用户和阀的生产企业，也很强劲地在研究这项技术难关，对安全阀的测试技术进行了反复深入的探讨。本申请人也在积极地为了保证产品质量，投入人力、物力寻求解决的途径，包括改进现有的测试设备，但都未能得到专业部门的技术论证。

特别是本世纪初，煤矿支护产品纳入了国家煤矿安全标志管理要进行产品认证的范围，这更加速了企业和检测部门对大流量安全阀测试技术的研究。经过几年的努力，采取不同的技术途径使得目前的检测能力达到200～500～1000L/min至以上。有了这些技术和装备的基础，促进1000L/min到2000L/min超大流量安全阀的研发和测试装备提高，这是我们梦寐以求的大事，解决多年困扰的愿望。与此同时新标准的修订工作正在进行，已由行业标准升至国家标准，正处于公布征求意见审批阶段。只有这样，大流量安全阀测试技术适时地赶上产品的开发。

中国专利曾公开了一种“安全阀工作压力试验装置”(日本，公开号CN1033864，公开日1989年7月12日)，该装置具有：可提升安全阀阀杆的油压千斤顶、设置在向油压千斤顶供给压力油的流路上的电磁阀、检测管道内部压力的压力传感器、检测向油压千斤顶供给压力油的流路内部的压力及油压千斤顶内部压力的油压传感器、记录测力传感器和压力传感器的测出值并根据这些测出值运算上述安全阀工作压力的运算装置。它使用油压千斤顶，试验用于火力发电厂、原子能发电站等的主蒸汽安全阀工作压力(开启压力)的装置。

中国专利曾公开了一种“液压支架安全阀动态特性试验装置”(中国，公告号CN2083741U，公告日1991年8月28日)，由瞬态流量发生器、液压控制系统、高压泵站、压力、流量测量系统以及微机数据采集和处理系统所组成。它可以对被试安全阀输入瞬态流量进行动态性能试验，最大瞬态流量可达0.1666m³/s。

熊诗波和杜岚松(测试研究所)在“大流量液压支架安全阀动态特性分析及试验方法研究”(《山西矿业学院学报》第8卷第3期1990年9月pp187-192)一文中介绍了他们研制的一种基于全新原理的大流量安全阀动态试验系统-SMCM-DH1型试验系统。这种系统的结构如下：被试安全阀与加载缸的活塞右腔相联，左腔和高压容量之间的通道装有阀，阀带有开启装置，设有测量加载缸的压力传感器和活塞运动的传感器，速度信号(乘以活塞面积即为流量信号)和压力信号经高速A/D转换器进入计算机，计算机带有打印机等外围设备。试验时，阀高速开启，高压容量内的高压液体冲击加载活塞，使被试安全阀产生很大的瞬态泄放流量。泄放过程的流量和压力信号经计算机处理后自动显示或打印。该装置可产生10000L/min的瞬态流量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大流量安全阀抗冲击性能试验装置，模拟大流量安全阀在井下液压支架立柱的工况下沉和瞬间冲击情况下的动态过程，态势检测数据结果有最大压力、开启压力、关闭压力、相对最大流量、平均流量、位移量、曲线图、检测时间和安全阀开启响应时间。

为达到上述目的，本发明创造采取的解决方案是：一种大流量安全阀抗冲击性能试验装置，它包括高压泵站、微机数据采集器和微机测控/数据处理系统，微机数据采集器连接微机测控/数据处理系统，高压泵站通过精密过滤器分两路，分别连接两个电磁阀，电磁阀接液源集配器，液源集配器接液控装置，液控装置接增压器，微机数据采集器接电磁阀、通过蓄能压力传感器接液控装置、通过高压传感器接增压器、通过位移传感器接增压器，一路中的增压器为大型增压器，另一路中的增压器为中型增压器，蓄能器组分别连接两个液源集配器。

我们知道，对小流量安全阀的测试性能是与工作面顶板缓慢下沉相适应的，整个过程比较缓慢，基本上是静态的。大流量安全阀是针对液压支架瞬间冲击卸载而设计的，是动态性能测试，要能测出液压支架在冲击荷载下立柱安全阀从开启、溢流到关闭的全过程，过程一般在2-3秒时间内全部完成。建立这样试验装置的关键技术是能够快速加载的液压源、液压源的控制装置、动态参数的测控、数据采集和数据处理等方面。该大流量安全阀抗冲击性能试验设备解决上述关键技术问题。

目前，安全阀试验的标准依据主要是MT419-1995《液压支架用阀》。但是，该标准对大于100L/min安全阀试验未做详细具体规定，新制定的国家标准GB××××.3-××××《煤矿用液压支架安全性要求第三部分：阀和液压系统》尚未正式实施。该大流量安全阀抗冲击性能试验设备主要依据MT419-1995《液压支架用阀》、GB××××.3-××××《煤矿用液压支架安全性要求第三部分：阀和液压系统》和欧州标准EN1804-3《下采矿机械对液压支架的安全性要求第三部分：液压控制系统》，并结合大流量安全阀试验的新特点和新要求进行设计。

该大流量安全阀抗冲击性能试验设备模拟煤矿井下顶板快速下沉及大面积垮落所具有的能量，在短时间内瞬间释放，随着能量的释放压力应呈下降的趋势与井下液压支架的工况相符。

目前，建立高压大流量源一般采用多台高压泵并联的方式，可以获得一个稳定的高压源，适用于安全阀在公称流量下的溢流寿命试验，一般适用于160升以下的安全阀。现在国内有80L/min、60MPa的高压乳化液泵，总功率500KW左右，仅此一项投资在300万元以上，一般液压支架用阀生产的中、小企业全厂也没有这么大的装机容量，即使有也会造成生产与试验的矛盾，况且还需要电机的降压起动设备和特大油箱与之配套。从系统参数上看并不能满足各种安全阀的性能试验要求。这不是一个最佳办法。

该大流量安全阀抗冲击性能试验装置采用多个蓄能器并联组成蓄能器组的方式，其优点是动力能耗低，压力31.5MPa小流量乳化液泵与蓄能器并联冲压就能获得高压源。

蓄能器具有短时大流量能力，通过增压器增压加载到安全阀，仿真井下立柱受到冲击的工况，解决了目前国内外无大流量高压力泵难题。为克服蓄能器在释放过程中压力随之降低，该大流量安全阀抗冲击性能试验装置可以设置9个100升、31.5MPa的蓄能器并联成为大型蓄能器组，使其输出的液体持续而稳定，能在规范要求的时段内，输出的能量基本保持静态，完全可以代替多台大压力泵充当液压源。此外，由于采用了大型蓄能器组，使溢流过程相对延长(与国内已有同类装置比)，更利于观察被试安全阀的动态稳定性等。

被试安全阀接在增压器的高压腔，由9个100升、31.5MPa的蓄能器组成的高压源分成两路能量集中到液源集配器，再由液控装置控制来完成被试安全阀在冲压状态下测试的全过程，即从被试安全阀的入口加压-最高压力-开启-溢流-关闭的全过程，这样设计的高压源具有节能减排，能耗小、用液少、占地面积小、投资低的优点。

为解决被试安全阀压力和动态流量的测试要求，通过调节蓄能器组能量及压力，也可以通过微调液控装置流量改变加载梯度，满足不同压力、不同流量被试安全阀的试验。

要进行动态流量测试，由于现有没有高压的动态流量计，只能用间接的测试方法，可以检测增压器的增压油缸压力、动作位移和时间来换算出相应的流量，这是目前国内外都采用的方法。这样，增压器既能起到提高试验压力的作用，又起到高压流量计的作用。

该大流量安全阀抗冲击性能试验装置中液控装置的任务是要完成若干蓄能器集成能量的瞬间释放，并将高压液接到增压器给出被试安全阀加载，同时为了模拟井下立柱安全闪的工况应能给予一定的预压力。

被试安全阀的冲击试验是在动态中完成的，因此，该大流量安全阀抗冲击性能试验设备配置的传感器及微机数据采集器具有良好的动态特性。多通道微机数据采集器采样频率高，数据传输流量大，模拟电压信号及相应的控制功能能满足试验要求，精密地采集数据才能确认被试安全阀的最高压力、开启压力、关闭压力以及相应的流量和平均流量、阀的开启响应时间，并能通过微机测控/数据处理系统既能绘制曲线和编制检验报告，又能便于各种参数的提取。

附图说明

图1是本实施例的结构示意图。

图2是500L/min安全阀(产品型号001)输出油缸压力曲线/位移曲线时间曲线图。

图3是500L/min安全阀(产品型号002)输出油缸压力曲线/位移曲线时间曲线图。

图4是1000L/min安全阀(产品型号Fd1000)输出油缸压力曲线/位移曲线时间曲线图。

图5是1000L/min安全阀(产品型号FAD1000/50)输出油缸压力曲线/位移曲线时间曲线图。

图1中：1、高压泵站，2、电磁阀，3、微机数据采集器，4、微机测控/数据处理系统，5、液源集配器，6、液控装置，7-1、大型增压器，7-2、中型增压器，8、蓄能压力传感器，9、高压传感器，10、位移传感器，12、蓄能器组，12-1、蓄能器，13、截止阀，14、中压安全阀，15、高压安全阀，16、精密过滤器，P1、被试数试安全阀一，P2、被试数试安全阀二。

具体实施方式

下面结合实施例(AFS-1型流量安全阀抗冲击性能试验设备)及附图对本发明再作描述。

参见图1，一种大流量安全阀抗冲击性能试验装置，它包括高压泵站1、微机数据采集器3和微机测控/数据处理系统4，微机数据采集器3连接微机测控/数据处理系统4，高压泵站1通过精密过滤器16分两路，分别连接两个电磁阀2，电磁阀2接液源集配器5，液源集配器5接内置活塞阀的液控装置6，液控装置6接增压器，微机数据采集器3接电磁阀2、通过蓄能压力传感器8接液控装置6、通过高压传感器9接增压器、通过位移传感器10接增压器，一路中的增压器为大型增压器7-1，另一路中的增压器为中型增压器7-2，蓄能器组12分别连接两个液源集配器5。

参见图1，所述的蓄能器组12由九个100升、31.5MPa的蓄能器12-1并联构成。

参见图1，所述的增压器的高压端接高压安全阀15，提高试验设备的耐压能力。

参见图1，所述的液控装置6接中压安全阀14，提高试验设备的耐压能力。

参见图1，所述的蓄能器组12分别通过两个截止阀13连接两个液源集配器5。设备维修时关掉截止阀13。

参见图1，被试安全阀一P1接在大型增压器7-1的高压腔，被试安全阀二P2接在中型增压器7-2的高压腔。试验开始，起动高压泵站1(乳化液泵)，液控装置6使增压器复位，打开电磁阀2向蓄能器12-1充液，增压器的增压缸高压腔加压到被试安全阀一P1或被试安全阀二P2的预设压力，一般在60％调定压力左右，仿真井下液压支架立柱的实际工况，完成被试安全阀一P1或被试安全阀二P2试验前的准备工作。高压安全阀15直接装在增压器的高压端，减小加载过程机械冲击的数据误差。

参见图1，当蓄能器12-1和被试安全阀一P1或被试安全阀二P2达到调定压力时，瞬间打开液控装置6中的活塞阀向增压器供液，给被试安全阀一P1或被试安全阀二P2快速加载，完成被试安全阀一P1或被试安全阀二P2从开启-溢流关闭的全过程，同时各类传感器电信号传到微机数据采集器3，微机数据采集器3完成采集并输入微机测控/数据处理系统4，微机测控/数据处理系统4完成数据处理，最后测试出被试安全阀一P1或被试安全阀二P2的调定压力-最高压力-开启压力-溢流关闭压力，最大流量、平均流量、开启响应时间等参数。

由于安全阀冲击试验是动态试验，压力高，流量大，试验过程具有一定的危险性，必须采取一定的安全措施。除了提高试验设备的耐压能力，并在液压系统中加保护系统(保护系统中有超高安全阀)，防止被试安全阀不能开启时造成系统的压力过载。

同时，本设备采取安全保护措施，在蓄能器组的周围安装保护栏，被试安全阀置若罔闻于防护箱里，防止安全阀因强度问题发生飞出故障及高压液体射流伤人。严格要求操作人员在安全区域内作业。

本设备主要技术指标：压力0-80MPa，流量1000L/min以上，一路检测1000L/min及以上安全阀，另一路检测630L/min及以下安全阀，200L/min、315(320)L/min、500L/min、630L/min安全阀。

我们曾利用该大流量安全阀抗冲击性能试验装置对500L/min安全阀进行测试，500L/min安全阀的输出油缸压力曲线/位移曲线时间曲线图见图2和图3，产品型号为001的微机测控/数据处理系统输出的报告结果如下：

产品型号为002的微机测控/数据处理系统输出的报告结果如下：

报告编号	20091017006	产品名称	安全阀	产品型号	002
						试验日期	2009-10-17	产品编号	002	试验次数	2
公称压力	50MPa	公称流量	500L/min	调定压力	48MPa
						最大压力	58.52MPa	开启压力	48.33MPa	关闭压力	42.29MPa
对应流量	497.45L/min	对应位移	41.51mm	对应时间	0.1s

我们也曾利用该大流量安全阀抗冲击性能试验装置对1000L/min安全阀进行测试，1000L/min安全阀的输出油缸压力曲线/位移曲线时间曲线图见图4和图5，产品型号为Fd1000的微机测控/数据处理系统输出的报告结果如下：

产品型号为FAD1000/50的微机测控/数据处理系统输出的报告结果如下：

我们利用该大流量安全阀抗冲击性能试验装置对安全阀进行检测，加深了对大流量安全阀主要技术数据的理解，进一步了解到安全阀与液压支架立柱合理匹配技术的重要性。

我们知道，安全阀从开启到关闭的过程中，流量随压力变化而改变，它是一个动态参数。同一只安全阀不同的调定压力，相应的流量亦是不同的。例如，1000L/min流量的安全阀，它的流量是一个样概念？实际上是公称流量，也就是由阀基本参数可确定的名义流量，并非是安全阀在任何调定压力下开启都是1000L/min，一般是指在调定压力1.2-1.5倍压力下可以达到它的流量值。

我们曾利用该大流量安全阀抗冲击性能试验装置对两个同型号的1000L/min安全阀在调定压力30MPa、50MPa情况下进行冲击试验。从试验数据的分析中可以看出，安全阀的流量与调定压力值有关，调定压力越高流量越大，也就是说，安全阀的入口压力越高，嬁代流量越大，这点与井下突然来压造成的冲击强弱相适应。

众所周知，安全阀就是立柱的保护元件，与立柱的关系是保护与被保护的关系。当顶来压时，安全阀动作，立柱下沉，减轻来压时对液压支架的冲击，保护立柱。当立柱下腔压力下降到调定压力90％时，安全阀及时关闭，保证支架的支撑能力。

液压支架在井下实际运行中，立柱胀缸支架破坏时有发生，分析其主要原因：

一是安全阀。任何一个保护元件都有一定的响应时间。安全阀的响应时间根据实际工况，可以规定为5ms-25ms内必须开启，快速释放液能。当安全阀在25ms内受到从调定压力60％到150％的压力变化时，从调定压力60％到安全阀开启点(即曲线的下降点)的这段时间即为安全阀的响应时间，不得超过25ms。当然，这段时间越短越好，可以快速保护立柱，这应该是评价安全阀性能的重要技术指标，也就是大流量安全阀的开启响应时间要求是5ms-25ms。

二是考验立柱的抗冲击能力。立柱的油缸起码205ms-30ms内应承受额定载荷1.5倍的冲击，如不能随造成立柱的破坏，应与安全阀无关。

不同的压力梯度对安全阀特性和立柱的抗冲击能力是不一样的。在德国MPA实验室，以自由落体冲击方式对立柱和安全阀进行考核。对于在冲击地压下压力梯度究竟在什么范围内还是一个未知数。因此，做不同压力梯度加载下的安全阀试验是一个很好的尝试，给在冲击地压下工作面的液压支架提供一定宝贵的技术依据。

Claims (5)

1.一种大流量安全阀抗冲击性能试验装置，它包括高压泵站(1)、微机数据采集器(3)和微机测控/数据处理系统(4)，微机数据采集器(3)连接微机测控/数据处理系统(4)，其特征在于：高压泵站(1)通过精密过滤器(16)分两路，分别连接两个电磁阀(2)，电磁阀(2)接液源集配器(5)，液源集配器(5)接内置活塞阀的液控装置(6)，液控装置(6)接增压器，微机数据采集器(3)接电磁阀(2)、通过蓄能压力传感器(8)接液控装置(6)、通过高压传感器(9)接增压器、通过位移传感器(10)接增压器，一路中的增压器为大型增压器(7-1)，另一路中的增压器为中型增压器(7-2)，蓄能器组(12)分别连接两个液源集配器(5)。

2.根据权利要求1所述的大流量安全阀抗冲击性能试验装置，其特征在于：所述的蓄能器组(12)由九个100升、31.5MPa的蓄能器(12-1)并联构成。

3.根据权利要求1所述的大流量安全阀抗冲击性能试验装置，其特征在于：所述的增压器的高压端接高压安全阀(15)。

4.根据权利要求1所述的大流量安全阀抗冲击性能试验装置，其特征在于：所述的液控装置(6)接中压安全阀(14)。

5.根据权利要求1所述的大流量安全阀抗冲击性能试验装置，其特征在于：所述的蓄能器组(12)分别通过两个截止阀(13)连接两个液源集配器(5)。

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