气体弹簧对大流量安全阀动态特性的影响-11月1日,北京,一名男子走在朦胧的雾色当中.随后北京空气质量超...
徐丽霞
摘 要：本文围绕安全阀动态特性的重要性、有关安全阀空气弹簧模型的分析、安全阀动态开启特征对比研究、气体弹簧对大流量安全阀动态特性影响的实验四个方面展开讨论，对气体弹簧对大流量安全阀动态特性的影响进行了分析，并提出了一些作者自己的拙见，希望能够对今后的大流量安全阀的设计工作提供一些理论建議。
关键词：气体弹簧；大流量安全阀；动态特性
中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）05-0032-01
液压支架安全阀由于它所具备的直动式弹簧结构具有高度的安全性与可靠性，且结构简单，因此在液压支架领域中得到广泛的使用。在本论文中，笔者使用气体安全阀对安全阀进行建模，对其刚度以及安全阀动态响应的影响分别进行了研究，并将其与传统的矩形弹簧结构进行对比，创新了一种针对于大流量安全阀的设计模式。
1 安全阀动态特性的重要性
在综采工作面正常工作的过程中，当顶板以及周期第一次发生压力时会释放出大量的能量，并产生极大的破坏力，这个时候顶板负载会呈现出阶跃式增加，并导致立柱下腔的压力急剧增加。此时，安全阀的性能好坏对于液压系统的工作效率以及安全性具有极大的影响，若安全阀可以在第一时间内使负荷得到卸载，系统将会快速恢复到正常的工作状态钟。若安全阀不能够在第一时间内及时将负荷进行卸载，那么很容易引起立柱下腔部分的压力值发生急剧的增加，从而导致液压相关附件被损坏，严重时甚至可能引起支架柱损坏并造成坍塌事故的发生，使工作面无法维持正常的工作和运转。因此可以说，安全阀的动态特性是考核大流量安全阀设计有效性的关键指标之一，同时也是确保大流量安全阀正常工作的因素之一。
安全阀在公称流量方面的要求，会随着液压支撑力以及立柱直径大小的增加而不断提升。此外，随着预压缩率的增加，大流量安全阀在弹簧力方面的要求也会越来越高，相应的弹簧刚度、弹簧体积以及弹簧种类的要求也会逐渐增加，从而使大流量安全阀的设计与加工更具挑战性，因此可以说，弹簧的刚度、体积以及种类是阻碍大流量安全阀设计发展的主要阻碍因素之一。
2 有关安全阀空气弹簧模型的分析
一般情况下，在液压支架中使用的安全阀均为直动式弹簧结构。大流量安全阀的工作原理为，当系统控制压力相比于弹簧的预压缩力更高时，阀门会自动进入移动状态；当统控制压力相比于弹簧的预压缩力更低时，弹簧在对阀芯施加相应的弹力后可以使阀芯复位。在此过程中，弹簧所提供的主要是预压缩力，在阀芯发生移动时，弹簧力与阀芯位移量之间的比值增加。
充气式弹簧的工作原理为，在密封容器内部装载着一些氮气，这些氮气的初始压力为Po，作用面积为A，为安全阀提供的初始张紧力为Fo。在阀芯进口处的液压力相比于张紧力Fo更低时，安全阀处于未开启状态，且空气弹簧的阀芯保持静止状态，空气弹簧不会被压缩；在阀芯进口处的液压力相比于张紧力Fo更高时，空气弹簧的阀芯会受到液压力的推动作用从而对安全阀中的密闭空气进行压缩，因为整个压缩周期的时间非常短暂，因此只能根据理想的气体绝热压缩方程式来对这一现象展开分析，这个时候，压缩空气所形成的压力会跟随位置移动的变化而不断变化，因此可以说压缩空气的压力主要是由位移因素决定的，且两者之间必须一定的关系。
3 安全阀动态开启特征对比研究
根据《液压支架用安全阀控制特性研究》一文中的相关研究内容可以发现，大流量安全阀系统主要是通过二阶函数来实现响应过程的。
这种安全阀在响应过程中表现的特性主要由两方面因素决定，分别为阀芯组件的等效质量以及等效弹簧钢度所对应的固定频率。在机械式弹簧结构中，驱动力以及张紧力会随着阀芯作用面积的增加而逐渐提高，因此对于弹簧刚度的要求也会越来越高，最终会致使弹簧外径与高度增加，从而影响安全阀结构设计的有效性。另外，随着弹簧质量的不断增加，可以逐渐忽略阀芯组件与弹簧质量之间的比值，从而也成为了影响安全阀响应特性的一大重要因素。
而充气弹簧很好地避免了这一问题的发生，它可以借助对初始启动压力以及初始密封腔阀面积的不断调整来确保弹簧刚度具有更高的灵活性，并且它在弹簧刚度增加的过程中并不会影响到弹簧质量。对于充气弹簧的设计工作来说，它所面临的最大难点主要在于如何在确保结构合理的基础上更好地实现气动密封的安全性与可靠性。笔者以市场中最常见的机械弹簧式安全阀作为例子，并基于其中的机械弹簧设计了一个弹簧刚度完全一致的充气式弹簧结构，这两种弹簧设计了诸多的参数，如弹簧刚度、阀芯重量，这些参数的大小正是决定其有效性高低的重要因素。
在得到这些参数后，需要将一些主要参数导入到安全阀传递函数当中，并在此基础上进一步得出动态响应特性所形成的曲线。通过对参数的导入后得到的曲线进行分析可以发现，充气式弹簧安全阀具有最快的响应速度，相比于其它类型的弹簧结构来说，充气式弹簧安全阀具有明显的优势。从数据上来看，矩形弹簧响应时间和充气式弹簧响应时间分别为35ms和18ms。
4 气体弹簧对大流量安全阀动态特性影响的实验
笔者在安全阀动态性能试验室中分别针对一千L矩形弹簧式安全阀以及空气弹簧式安全阀的动态特征展测试。在测试过程中，使用的调定压力为五十兆帕，并采用动态采集速度为3K的压力传感器来进行系统压力的采集工作，通过蓄能器来控制液压缸的活动，从而达到增加压力的目的。
根据弹簧动态相应试验曲线图可以发现，空气式弹簧安全阀在动态响应速度上显著高于矩形弹簧的动态响应速度，充气式弹簧安全阀只需要21MS的时间进行相应，而矩形弹簧安全阀则需要30MS的时间进行相应。表1为充气式弹簧的与矩形式弹簧的整体特性对比一览表。
5 结语
综上所述，降低液压支架大流量安全阀设计有效性的主要因素为机械式弹簧的结构类型、体积大小以及重量大小。在本文中，笔者围绕气体弹簧的基本工作原理、弹簧刚度计算以及弹簧刚度对安全阀动态响应特征的影响性几个方面对充气式弹簧结构在安全阀设计过程中的有效性进行了验证。并通过动态测试对矩形式弹簧安全阀与充气式弹簧安全阀之间的动态响应速度分布进行了对比和分析。在这一实验中充分验证，在流量完全一致的情况下，通过对充气式弹簧参数的有效设置，可以确保充气式弹簧安全阀的动态响应速度远远高于机械式弹簧安全阀，为未来大流量安全阀的发展提供了新的研究思路及研究方向。
参考文献
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