液壓支架是綜采工作面的核心設(shè)備,與工作面圍巖耦合為一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng),為綜采工作面提供安全作業(yè)空間,其適應(yīng)性和可靠性是決定工作面能否安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵因素之一。安全閥是液壓支架重要元件之一,用來控制液壓支架最大工作阻力。其性能好壞直接影響支架安全系數(shù),影響支架支護(hù)能力的發(fā)揮。隨著我國(guó)礦井使用大采高、大工作阻力支架的比率越來越高,立柱的缸徑也越來越大,同時(shí)煤炭開采強(qiáng)度、開采深度的增加和開采條件的惡化,液壓支架液壓系統(tǒng)壓力和流量的不斷增加(壓力37.5MPa,流量2000L/min),對(duì)液壓支架立柱及安全閥系統(tǒng)的要求也越來越高。通過對(duì)回采工作面上覆巖層結(jié)構(gòu)及移動(dòng)規(guī)律的分析,基于砌體梁理論、S-R穩(wěn)定性理論和關(guān)鍵層理論分析液壓支架與圍巖的耦合作用機(jī)理,分析了回采工作面礦壓顯現(xiàn)的一般規(guī)律,闡明了工作面初次來壓和周期來壓時(shí)的砌體梁穩(wěn)定結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)液壓支架的受力情況,得到回采工作面來壓期間液壓支架的受力來自于回采工作面直接頂?shù)闹亓亢突卷攷r塊破斷失穩(wěn)通過直接頂對(duì)液壓支架的沖擊載荷。并給出了初次來壓和周期來壓時(shí)液壓支架承受的靜載荷和沖擊動(dòng)載荷計(jì)算方法。液壓支架承受的載荷主要作用在立柱上,通過理論計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真得到?jīng)_擊載荷下雙伸縮立柱的動(dòng)力學(xué)特性,為立柱的設(shè)計(jì)與校核提供依據(jù)。根據(jù)液壓支架與圍巖的耦合作用機(jī)理及液壓支架承受的載荷情況,提出了一種新型的基于蓄能器和氣體爆炸組合加載的動(dòng)靜組合加載高壓大流量安全閥試驗(yàn)方法(其中蓄能器加載模擬靜載荷,氣體爆炸模擬沖擊動(dòng)載荷),通過設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置各部件及動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng),搭建了高壓大流量安全閥試驗(yàn)裝置。研究了爆炸缸內(nèi)(頂部中央點(diǎn)火圓柱形封閉容器)預(yù)混氣體的爆炸特性為下一步安全閥試驗(yàn)時(shí)混合氣體的爆炸壓力和體積分?jǐn)?shù)的選擇提供了一定依據(jù)。結(jié)果表明:預(yù)混氣體的最大爆炸壓力p_(max)、最大爆炸壓力上升速度(dp/dt)_(max)和爆炸指數(shù)K_G與初始?jí)毫_0之間有嚴(yán)格的線性關(guān)系。通過選擇不同的爆炸前初始?jí)毫蜌怏w體積分?jǐn)?shù)變可以得到不同的沖擊動(dòng)載荷,來模擬回采工作面不同的來壓載荷。在分析對(duì)液壓支架安全閥的基本要求的基礎(chǔ)上,理論和計(jì)算機(jī)仿真研究了現(xiàn)在煤礦常用的1000L/min直動(dòng)機(jī)械彈簧式安全閥的靜動(dòng)態(tài)特性和流動(dòng)特性。結(jié)果顯示:不論直動(dòng)式安全閥閥芯開口度大小,安全閥的很大一部分流量都是從第一和第二排溢流孔處溢流;不論閥芯開口度的大小,直動(dòng)式安全閥的最大流速均在第一排溢流孔處;在閥芯不同開口度下,安全閥溢流時(shí)均產(chǎn)生了負(fù)壓區(qū)�；�1000L/min直動(dòng)式安全閥的不足,開發(fā)了兩種新型結(jié)構(gòu)安全閥。其中充氣式安全閥采用高壓氮?dú)鉃闅怏w彈簧,并設(shè)計(jì)出了可靠的氣體密封裝置;兩級(jí)安全閥的先導(dǎo)級(jí)采用目前煤礦成熟的100L/min安全閥,而主閥芯采用錐形結(jié)構(gòu),兩級(jí)安全閥提供了適合于回采工作面安全閥工況的兩種情況,即工作面正常推進(jìn)時(shí)的小流量狀況和工作面來壓時(shí)的大流量狀況。并制造了用于試驗(yàn)的樣機(jī)。采用研制的高壓大流量安全閥試驗(yàn)裝置對(duì)三種結(jié)構(gòu)高壓大流量安全閥進(jìn)行沖擊特性試驗(yàn)并得到了一系列的結(jié)論。結(jié)果表明:在給定的試驗(yàn)條件下,三種安全閥都能很好的工作,且壓力超調(diào)量幾乎一致;氣體安全閥的開啟時(shí)間最短,平均為0.277s,直動(dòng)式安全閥的開啟時(shí)間次之,平均為0.288s,兩級(jí)安全閥的開啟時(shí)間最長(zhǎng),平均為0.2949s;在超調(diào)量幾乎一致的情況下,充氣式安全閥的卸載能力最強(qiáng),試驗(yàn)過程中共卸載掉乳化液平均約為15.895L,直動(dòng)式安全閥閥的卸載能力次之,卸載掉的乳化液平均為10.814L,兩級(jí)安全閥的卸載能力最差,卸載掉的乳化液平均僅為3.928L。綜合來看。充氣式安全閥的性能最好,直動(dòng)式安全閥的次之,兩級(jí)安全閥的性能最差。
【學(xué)位單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TD355.4
【部分圖文】：

1.1.1 研究背景液壓支架是綜采工作面主要設(shè)備之一[1]，其投資約占綜采工作面設(shè)備投資的 70%[2,3]，是綜采系統(tǒng)的核心[4]。從綜采工作面推進(jìn)方向上看，整個(gè)綜采工作面上覆巖層由“煤壁—綜采工作面液壓支架—采空區(qū)已冒落的矸石”支撐體系所支撐；從垂直方向上看，液壓支架作為維護(hù)綜采工作面安全作業(yè)空間的結(jié)構(gòu)物，并不是孤立存在的，而是處于“基本頂—直接頂—液壓支架—底板”組成的液壓支架與圍巖耦合作用體系中[5]，如圖 1-1所示。液壓支架的受力來自于直接頂?shù)闹亓亢突卷斶\(yùn)動(dòng)對(duì)支架的共同作用[6]，由于綜采工作面不斷推進(jìn)的事實(shí)，使得基本頂破斷后回轉(zhuǎn)或滑落是不可控的，在整個(gè)綜采工作面的回采過程中，基本頂發(fā)生初次斷裂并失穩(wěn)后，液壓支架上覆巖層形成的結(jié)構(gòu)將會(huì)始終經(jīng)歷“穩(wěn)定—失穩(wěn)—再穩(wěn)定”的周期性變化，這分別對(duì)應(yīng)于綜采工作面的初次來壓和周期來壓[7-12]。在工作面來壓時(shí)，基本頂巖層破斷時(shí)通過直接頂傳遞給液壓支架的能量很大一部分要通過液壓支架的立柱和安全閥系統(tǒng)吸收和耗散掉。

太原理工大學(xué)博士研究生學(xué)位論文液壓支架由液壓缸（立柱、千斤頂）、承載結(jié)構(gòu)件（底座、頂梁、掩護(hù)梁等）、液壓控制系統(tǒng)和其它輔助裝置組成，液壓支架的所有動(dòng)作均由以高水基乳化液為介質(zhì)的液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和控制（各種閥控制立柱千斤頂動(dòng)作來完成），液壓支架的可靠性主要依賴于液壓系統(tǒng)的可靠性，液壓支架在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用是否高效，關(guān)鍵在于液壓系統(tǒng)的技術(shù)性能是否達(dá)到要求。液壓支架的液壓系統(tǒng)以乳化液泵站所提供的高壓乳化液為動(dòng)力，主要由立柱、千斤頂、液壓閥（主閥、液控單向閥、安全閥等）及各種液壓附件組成。典型的液壓支架液壓系統(tǒng)原理圖如圖 1-2 所示。

太原理工大學(xué)博士研究生學(xué)位論文閥關(guān)閉，保證立柱下腔還保持有一定壓力。因此，要求安全閥在一定壓力條件體的速度(安全閥流量)要不小于立柱下降導(dǎo)致的立柱下腔容器變化量，以保證過程中立柱下腔壓力不變，從而控制立柱壓力(壓強(qiáng))、支架結(jié)構(gòu)件受力在設(shè)計(jì)同時(shí)要求安全閥要有一定的動(dòng)態(tài)開啟速度，以保證在工作面來壓過程中立柱下會(huì)過高，安全閥耗散的能量又快又多，從而使液壓支架受力在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，綜不出現(xiàn)安全異常情況。
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