高压大流量安全阀是控制液压支架工作的关键基础件,工作时能够及时释放冲击载荷下液压支架立柱内极易损害设备的高压乳化液,从而达到保护液压支架的目的。随着高产高效采煤工作面的迅速发展,要求安全阀向高压大流量方向发展,并对其可靠性及寿命提出了更高要求。目前国内对高压大流量安全阀的生产设计主要通过对国外产品进行测绘模仿,缺乏相关设计理论的指导,同时国内缺少兼顾大流量、近似工况和通用性强的安全阀综合性能实验台,严重制约着安全阀技术的发展和产品质量的提升,也影响着液压支架高压大流量安全阀标准的实施。结构设计及实验手段是安全阀技术研究的核心,工作压力高、流量大,且存在冲击工况以及使用乳化液为工作介质是液压支架用高压大流量安全阀的典型特征。本文在满足上述典型工况的条件下,以提高高压大流量安全阀设计水平和完善实验手段为目标,理论分析和实验验证相结合,围绕安全阀主要技术参数设计、结构设计和实验台设计等关键问题展开了研究。相关研究工作主要包括以下5个方面:(1)分析了高压大流量安全阀工作介质乳化液的理化性能和工况特性要求,对不同结构形式(直动式、先导式和差动式)、不同弹性元件(弹簧式、充气式)、不同阀口密封形式(锥阀式、滑阀式和球阀式)的安全阀进行了对比分析和研究,在此基础上研究不同类型的安全阀结构对其性能的影响,为高压大流量安全阀的设计奠定了基础。根据本文拟设计的高压大流量安全阀的额定流量和工作压力,确定采用直动式滑阀结构形式,在阀芯结构设计上首次采用了跑道形卸油孔,并依据安全阀工作原理进行了相关力学计算,初步确定了安全阀的主要技术参数。(2)利用Fluent软件对四种阀芯结构安全阀的流场静压、动压、速度等方面进行了三维仿真分析,研究了阀芯结构和参数对安全阀阀芯内部流动状态的影响。通过对比分析得出在相同卸油孔形状不同卸油孔面积的条件下,卸油孔的面积大小直接关系着流体在阀体内的流动速度和压力的大小变化,流体在流道内的最小负压和流动速度随着卸油孔面积的增大逐渐降低;在相同卸油孔面积不同卸油孔形状的条件下,跑道形卸油孔阀芯的内部流动性能优于圆形卸油孔的阀芯。结合仿真结果,确定方案4跑道形阀芯卸载能力强,在冲击状态下阀道内流体流速低、负压小、综合性能最优。(3)利用机械系统动力学分析软件ADAMS和机电液系统仿真软件AMESim对高压大流量安全阀进行建模与联合仿真分析。建立了安全阀的质量弹簧系统,模拟了阀芯在高冲击压力下的运动状态,经多次优化获得了响应快、振荡幅度小、稳定时间短的安全阀质量弹簧系统,提高了安全阀阀芯系统的动态特性,进一步提高了安全阀的可靠性。(4)设计了高压大流量安全阀综合性能实验台液压系统,对实验台的关键元部件进行设计及选型,同时设计了基于Lab VIEW的测试系统。(5)对四种不同阀芯结构的安全阀进行了冲击性能实验,通过实验得出方案4安全阀在卸载流量和稳定性方面最优,与仿真结果相一致;同时对其进行了公称流量启溢闭实验、小流量启溢闭实验和高低压密封实验,结论表明,方案4安全阀各项技术指标完全满足国标GB25974.3-2010,性能最优,可靠性强。本文总结了高压大流量安全阀的分析设计过程,以结构设计为主线,CFD、ADAMS以及AMESim系统仿真等现代分析工具为辅助手段,开发出了高压大流量安全阀及实验系统,可实现安全阀的可靠设计及质量检测功能;建立了支架用高压大流量安全阀的设计理论和实验方法,为设计高性能的高压大流量安全阀提供了技术支持。