液壓支架新型換向閥性能分析與研究

摘要：本文對液壓支架用的換向閥進行了詳細的模型。通過利用計算機流體軟件CFD，對換向閥內的液流進行了壓力與速度的分析。這是理論分析所無法達到的。為以后進一步改善該閥的性能提供了有用的依據。該研究過程中所采用的方法對研究其他同類元件同樣具有參考價值。

關鍵詞：液壓支架 大流量換向閥 硬密封 CFD方法

0 引言

換向閥是液壓支架三大主要控制元件之一，也是單臺支架所需數量最多的閥類元件。根據支架各千斤頂的動作要求，用多片中位機能為Y型的三位四通換向閥組合來實現。由于液壓支架的液壓系統所用介質是乳化液，該介質粘度低，幾乎接近于水的粘度，所以液壓支架換向閥很難做成像油介質所用的采用間隙密封方式的換向閥，一般采用接觸式密封方式，常用的有硬對硬（鋼對鋼）、鋼對塑料、鋼對橡膠等結構。目前，煤礦開采要達到高產高效，要求支架完成降、移、升循環的時間控制在8s到12s，對換向閥提出了高壓大流量及頻繁換向時達到較高可靠性和壽命的設計要求。目前國內支架換向閥最大流量已達到400L/min。

近些年，隨著高端液壓支架的國產化腳步加大，鄭煤機液壓電控公司成功的開發出電液控制閥。其自動化程度高、換向精度高。可以實現臨架控制，更適應于復雜的煤井。具有廣闊的市場前景。下圖（I）為我公司自主研發的流量為400L電液控制閥組。

電液換向閥是電液控制閥中重要的組成部分，但其中位機能仍為三位四通換向閥。所以，研究該換向閥，仍具有現實意義。在分析研究換向閥時，通過計算機采用CFD方法更能快捷、經濟地分析換向閥的性能。從而獲取最佳的設計。

1 換向閥的結構

隨著煤礦高產高效對液壓支架的升、降、移架速度要求越來越高，即對液壓支架的工作阻力和所配置的各種千斤頂的缸徑和閥的流量提出了新的要求，即缸徑大、閥的流量大，支架工作阻力大，為此大流量換向閥應運而生。由于過去這類閥的零件較多，生產的工藝復雜，且采用軟密封，密封件在受到大流量高壓液體的沖擊下易于損壞。

該閥的結構特點是：設計采用插裝式、硬密封。在密封副處閥芯表面采用淬火HRC40-50。

2 該換向閥的工作原理

圖II所示，該閥的工作原理是：由電磁先導控制小流量液體進入閥桿右端面所處內腔，由于壓力作用，推動閥桿左移，從而使液體經P口后經閥套（件2）12-φ4.5孔進入閥桿（件1）內腔流出。此時泵站的液體經P口與立柱下腔相通。實現升柱。

當閥桿右端面所處腔無壓力時，由于彈簧力作用，閥桿處于右方。此時，液體從閥桿左腔流入，經12-φ4.5孔推動活塞（件4）向右移動，從而實現液體由O口流出。實現立柱下腔液體通過O口流入泵站。實現立柱降柱。

3 建立系統的數字模型

3.1 為完整模擬整個閥體內部流場流動情況，采用三維建模，閥口開度為2.3mm。其完整模型如圖(III)所示：

3.2 由于液壓支架用乳化液是油乳化油與95%的水混合而成，流體的屬性與水類似，因此，以水作為流場仿真介質。

3.3 模擬條件設置

已知條件：進口壓力32MPa，流量400L/min

入口直徑：15mm

出口直徑：15mm

進口：采用進口總壓（32+0.71147=32.71147MPa）

出口：采用速度入口（-37.7256）

4 仿真結果分析

4.1壓力場分析

結論：

①如圖（II）：件1閥桿左端出口平均壓力為23.70MPa，與進口P處壓差為8.3MPa；

②如圖（II）：件1閥桿與件3閥座接觸小孔處由于產生低壓區，并形成漩渦，產生能量損失。

4.2 速度場分析

結論：

①如圖（II）:件2小孔處節流口處的速度最大，vmax=80m/s，出口平均流速vavg=37.7256m/s。

②如圖（II）:流體在閥桿內孔右端流場處于低速或靜止狀態。

5 結論

5.1 液流通過該閥內部通道時，由于加工工藝上的要求導致結構較為復雜，因此流態多變。通過CFD模型，可以更形象觀察流態變化。

5.2 通過CFD模型結構，對該閥內部結構進行優化，在近幾年礦下使用中，性能穩定，待到用戶肯定。

5.3 CFD方法，將是今后設計液壓元件中一種新的方法。

參考文獻：

[1]戴紹誠.《高產高效綜合機械化采煤技術與裝備》.煤炭工業出版社1998.8.

[2]同濟大學理論力學教研室.《理論力學》.同濟大學出版社，2001.

[3]王國法.液壓支架技術.煤炭工業出版社.1999(9):155～186.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文