大流量快响应安全阀设计理论与动态试验方法

发布时间：2020-10-21 20:48

　　 液压支架是综采工作面的核心设备,与工作面围岩耦合为一个动态平衡系统,为综采工作面提供安全作业空间,其适应性和可靠性是决定工作面能否安全高效生产的关键因素之一。安全阀是液压支架重要元件之一,用来控制液压支架最大工作阻力。其性能好坏直接影响支架安全系数,影响支架支护能力的发挥。随着我国矿井使用大采高、大工作阻力支架的比率越来越高,立柱的缸径也越来越大,同时煤炭开采强度、开采深度的增加和开采条件的恶化,液压支架液压系统压力和流量的不断增加(压力37.5MPa,流量2000L/min),对液压支架立柱及安全阀系统的要求也越来越高。通过对回采工作面上覆岩层结构及移动规律的分析,基于砌体梁理论、S-R稳定性理论和关键层理论分析液压支架与围岩的耦合作用机理,分析了回采工作面矿压显现的一般规律,阐明了工作面初次来压和周期来压时的砌体梁稳定结构失稳时液压支架的受力情况,得到回采工作面来压期间液压支架的受力来自于回采工作面直接顶的重量和基本顶岩块破断失稳通过直接顶对液压支架的冲击载荷。并给出了初次来压和周期来压时液压支架承受的静载荷和冲击动载荷计算方法。液压支架承受的载荷主要作用在立柱上,通过理论计算和计算机仿真得到冲击载荷下双伸缩立柱的动力学特性,为立柱的设计与校核提供依据。根据液压支架与围岩的耦合作用机理及液压支架承受的载荷情况,提出了一种新型的基于蓄能器和气体爆炸组合加载的动静组合加载高压大流量安全阀试验方法(其中蓄能器加载模拟静载荷,气体爆炸模拟冲击动载荷),通过设计了试验装置各部件及动态测试系统,搭建了高压大流量安全阀试验装置。研究了爆炸缸内(顶部中央点火圆柱形封闭容器)预混气体的爆炸特性为下一步安全阀试验时混合气体的爆炸压力和体积分数的选择提供了一定依据。结果表明:预混气体的最大爆炸压力p_(max)、最大爆炸压力上升速度(dp/dt)_(max)和爆炸指数K_G与初始压力p_0之间有严格的线性关系。通过选择不同的爆炸前初始压力和气体体积分数变可以得到不同的冲击动载荷,来模拟回采工作面不同的来压载荷。在分析对液压支架安全阀的基本要求的基础上,理论和计算机仿真研究了现在煤矿常用的1000L/min直动机械弹簧式安全阀的静动态特性和流动特性。结果显示:不论直动式安全阀阀芯开口度大小,安全阀的很大一部分流量都是从第一和第二排溢流孔处溢流;不论阀芯开口度的大小,直动式安全阀的最大流速均在第一排溢流孔处;在阀芯不同开口度下,安全阀溢流时均产生了负压区。基于1000L/min直动式安全阀的不足,开发了两种新型结构安全阀。其中充气式安全阀采用高压氮气为气体弹簧,并设计出了可靠的气体密封装置;两级安全阀的先导级采用目前煤矿成熟的100L/min安全阀,而主阀芯采用锥形结构,两级安全阀提供了适合于回采工作面安全阀工况的两种情况,即工作面正常推进时的小流量状况和工作面来压时的大流量状况。并制造了用于试验的样机。采用研制的高压大流量安全阀试验装置对三种结构高压大流量安全阀进行冲击特性试验并得到了一系列的结论。结果表明:在给定的试验条件下,三种安全阀都能很好的工作,且压力超调量几乎一致;气体安全阀的开启时间最短,平均为0.277s,直动式安全阀的开启时间次之,平均为0.288s,两级安全阀的开启时间最长,平均为0.2949s;在超调量几乎一致的情况下,充气式安全阀的卸载能力最强,试验过程中共卸载掉乳化液平均约为15.895L,直动式安全阀阀的卸载能力次之,卸载掉的乳化液平均为10.814L,两级安全阀的卸载能力最差,卸载掉的乳化液平均仅为3.928L。综合来看。充气式安全阀的性能最好,直动式安全阀的次之,两级安全阀的性能最差。
【学位单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD355.4
【部分图文】：

1.1.1 研究背景液压支架是综采工作面主要设备之一[1]，其投资约占综采工作面设备投资的 70%[2,3]，是综采系统的核心[4]。从综采工作面推进方向上看，整个综采工作面上覆岩层由“煤壁—综采工作面液压支架—采空区已冒落的矸石”支撑体系所支撑；从垂直方向上看，液压支架作为维护综采工作面安全作业空间的结构物，并不是孤立存在的，而是处于“基本顶—直接顶—液压支架—底板”组成的液压支架与围岩耦合作用体系中[5]，如图 1-1所示。液压支架的受力来自于直接顶的重量和基本顶运动对支架的共同作用[6]，由于综采工作面不断推进的事实，使得基本顶破断后回转或滑落是不可控的，在整个综采工作面的回采过程中，基本顶发生初次断裂并失稳后，液压支架上覆岩层形成的结构将会始终经历“稳定—失稳—再稳定”的周期性变化，这分别对应于综采工作面的初次来压和周期来压[7-12]。在工作面来压时，基本顶岩层破断时通过直接顶传递给液压支架的能量很大一部分要通过液压支架的立柱和安全阀系统吸收和耗散掉。

太原理工大学博士研究生学位论文液压支架由液压缸（立柱、千斤顶）、承载结构件（底座、顶梁、掩护梁等）、液压控制系统和其它辅助装置组成，液压支架的所有动作均由以高水基乳化液为介质的液压系统驱动和控制（各种阀控制立柱千斤顶动作来完成），液压支架的可靠性主要依赖于液压系统的可靠性，液压支架在煤矿生产中的应用是否高效，关键在于液压系统的技术性能是否达到要求。液压支架的液压系统以乳化液泵站所提供的高压乳化液为动力，主要由立柱、千斤顶、液压阀（主阀、液控单向阀、安全阀等）及各种液压附件组成。典型的液压支架液压系统原理图如图 1-2 所示。

太原理工大学博士研究生学位论文阀关闭，保证立柱下腔还保持有一定压力。因此，要求安全阀在一定压力条件体的速度(安全阀流量)要不小于立柱下降导致的立柱下腔容器变化量，以保证过程中立柱下腔压力不变，从而控制立柱压力(压强)、支架结构件受力在设计同时要求安全阀要有一定的动态开启速度，以保证在工作面来压过程中立柱下会过高，安全阀耗散的能量又快又多，从而使液压支架受力在设计范围内，综不出现安全异常情况。
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本文编号：2850582