液壓支架大流量安全閥的仿真試驗

□ 朱會東 □ 李鴻巖

1.阜新高等專科學校 機械系 遼寧阜新 123000 2.北方重工石油裝備有限公司 沈陽 110141

大流量安全閥是液壓支架的重要組成元件,通常指流量大于100 L/min的安全閥[1]。大流量安全閥的主要用途是限制立柱內的最高壓力,以防止液壓支架在受到各種沖擊載荷時導致系統壓力急增,進而造成液壓支架部分元件損壞。使用該安全閥可保障工礦企業安全生產及工人的生命安全[2]。

大流量安全閥與其它普通安全閥相比,工作狀態為瞬變過程,具有動作時間短、壓力高、流量大、動態特性強的特點[3-5]。衡量大流量安全閥的動態性能指標主要有動態壓力超調率、開啟時間、壓力穩定時間、動態穩定性等,通過研究這些動態性能指標,可以為設計大流量安全閥提供依據[6-8]。

1 大流量安全閥仿真試驗系統

1.1 工作原理

圖1所示為大流量安全閥仿真試驗系統簡化回路。在液壓支架升起的過程中,乳化液經換向閥、液控單向閥至立柱下腔,使支架升起。當支架需要下降時,乳化液通過液控口的壓力作用使液控單向閥反向打開,立柱下腔的乳化液流回油箱。在井下采煤過程中,由于采煤工藝引起地質條件變化,會使巖石層頂板作用在支架頂梁上的壓力突然增大,超過支架的工作阻力。由于液控單向閥的閉鎖功能,這時立柱下腔的壓力會迅速增大。當壓力大于安全閥的調定值時,高壓乳化液頂開安全閥閥芯,下腔乳化液經安全閥溢出,起到保護支架系統安全的作用[9]。

圖1 大流量安全閥仿真試驗系統簡化回路

1.2 建模

在ADAMS Hydraulics軟件中創建模擬液壓回路[10-11],依次創建流體、壓力源、控制閥、液壓缸等部件,并設置相應參數,連接成液壓回路。在ADAMS Hydraulics軟件中應用Connect命令功能,逐個選擇相應液壓元件端口,并連接在一起,再將此液壓回路虛擬連接在液壓缸機械仿真模型上,分別進行靜力學和運動學仿真試驗分析[12]。

安全閥仿真模型采用直動式結構彈簧,公稱壓力設置為50 MPa,公稱流量設置為500 L/min。利用最新研制設計FAD160/40型安全閥的經驗,并進行改進,裝配后的安全閥實體模型如圖2所示,主要由接頭、過濾架、過濾網、閥芯、密封圈、彈簧、彈簧座、調壓螺栓等部件組成。

圖2 安全閥實體模型

在Pro/E軟件中建立液壓缸實體模型,如圖3所示。利用Pro/E與ADAMS之間的無縫連接功能,將液壓缸實體模型導入ADAMS Hydraulics軟件。導入過程中既要盡量合并沒有相對運動的零部件,又要確保實體模型的真實度。進行仿真前,要檢查模型的材料和質量等重要參數設置是否正確,以確保液壓缸實體模型的準確性。

圖3 液壓缸實體模型

在液壓缸實體模型活塞端位置1處施加階躍型沖擊載荷作用力,其函數表達式為step(time,2,0,2.1,-1.2e+6)+step(time,3.0,0,3.001,-0.5e+6)+step(time,3.3,0,3.301,+0.5e+6)。在液壓缸缸體位置2處設置附加滑移副。在液壓缸右端位置3處設置附加固定副,以保證液壓缸與大地固定。在液壓缸活塞桿左端位置處確定J Marker點,在液壓缸缸體右端位置處確定I Marker點。

對于已建立的壓力源、三位四通換向閥、液控單向閥、大流量安全閥、液壓缸、油箱等元件,依次單擊端口,連成一個回路,從而建立整個大流量安全閥仿真試驗系統。

2 仿真結果分析

在大流量安全閥仿真試驗中,對立柱活塞額定工況只選取施加一種階躍型載荷沖擊進行動態仿真,分析在此種載荷沖擊下大流量安全閥的動態性能是否滿足設計要求。

2.1 立柱活塞

對立柱活塞施加階躍型載荷沖擊,如圖4所示。0～2 s立柱活塞不受外力作用,只受液壓力作用向外伸出,即液壓支架升架。2～5 s立柱活塞主要受1 200 kN作用力,立柱正常工作,液壓支架處于恒壓階段。其中,在3～3.3 s立柱活塞突然受到一個1 700 kN階躍型載荷沖擊,破壞了立柱的恒壓狀態,使立柱腔內壓力迅速上升。如果安全閥不能及時開啟溢流,可能帶來的后果是立柱壓彎、壓粗、爆裂,以及頂梁和底座箱等焊接構件開焊、斷裂。

圖4 階躍型載荷沖擊

立柱活塞在承受階躍型載荷沖擊時速度變化情況如圖5所示。2.95～3.00 s立柱活塞速度為0,3.00～3.075 s立柱活塞速度變化劇烈。由于載荷沖擊的突然作用,使3.003 s時立柱活塞回落速度最快,達到4.4 m/s。立柱活塞的回落勢必引起液壓缸內壓強陡增,此時液壓缸內最大壓強為52.5 MPa,如圖6所示。液壓缸缸體選用的材料能承受的最大壓強為54 MPa,如果大流量安全閥不能及時開啟,那么勢必造成立柱壓彎、壓粗,甚至爆裂。由圖5可以看出,立柱活塞在不斷振蕩且速度越來越慢,說明安全閥在不穩定地開啟溢流。3.075～3.30 s立柱活塞以0.18 m/s勻速回落,反映了安全閥在穩定溢流。3.3～3.4 s立柱活塞速度變化劇烈,這是載荷沖擊撤去后安全閥關閉時引起的立柱活塞正常振蕩。

圖5 立柱活塞速度變化情況

2.2 液壓缸

由圖6可見:0～2.0 s液壓缸伸出階段,由于沒有載荷作用,缸內壓強低于10 MPa;2.0～3.0 s液壓支架在恒壓階段,缸內壓強為32 MPa;3.0～3.3 s液壓缸承受階躍型載荷沖擊,其中在3.00～3.076 s有壓強波動,說明安全閥開啟時有振動,3.076～3.30 s腔內壓強穩定在44 MPa,說明安全閥穩定溢流;3.3～3.4 s腔內壓強波動很大,說明安全閥關閉過程中有振蕩現象;3.4～5.0s液壓缸在恒壓階段,腔內壓強一直穩定在32 MPa,說明安全閥密封可靠。

圖6 液壓缸壓強變化情況

2.3 安全閥

大流量安全閥的動態穩定性能要求為動態壓強超調率不大于40%,開啟時間短于20 ms,壓強穩定時間短于300 ms,這些都是衡量大流量安全閥動態性能的重要指標,可作為設計的依據[13]。圖7所示為大流量安全閥壓強與流量仿真曲線,可依據圖7來分析動態性能指標是否合理。

圖7 大流量安全閥壓強與流量曲線

液壓缸制造材料所能承受的最大壓強為54 MPa,計算動態壓強超調率的最大值δmax=(Pmax-Pk)/Pk×100%=35%,Pmax為立柱液壓缸工作腔壓強;Pk為大流量安全閥開啟壓強。由圖7可知,在3.007 s時,Pmax為52.5 MPa,此時Pk為40 MPa,計算動態壓強超調率δmax=(Pmax-Pk)/Pk×100%=31%,此動態壓強超調率檢驗值符合系統的設計要求。

由圖7可知,載荷沖擊在3.0～3.007 s內,液壓缸工作腔壓強達到最大值52.5 MPa,所用的開啟時間為7 ms,此值小于20 ms,開啟時間經檢驗滿足系統的設計要求。壓強從3.0 s開始變化,到3.06 s穩定在44 MPa,可得出壓強穩定時間為60 ms,此值小于300 ms,壓強穩定時間經檢驗滿足系統的設計要求。在3.005 s時安全閥流量達到了最大值0.008 5 m3/s,即510 L/min,在3.05 s后流量趨于穩定,為0.007 5 m3/s,即450 L/min,流量經檢驗滿足系統的設計要求。

圖8所示為大流量安全閥閥芯運動曲線。由圖8可知,閥芯在3 s內未受載荷沖擊作用,閥芯位移為0 cm。自3 s起,安全閥承受了一個階躍型載荷沖擊。閥芯在3.003 s時開始有動作,到3.006 s閥芯位移為1 cm,說明閥芯全部開啟,開始傾瀉高壓乳化液。經過0.007 s傾瀉,閥內壓強開始減小。在彈簧力作用下,自3.01 s起閥芯開始回縮,經過0.004 s閥芯回縮了0.5 cm,導致溢流量減小,閥內壓強又開始迅速上升,自3.014 s時再次向外伸出,到3.018 s閥芯位移為1.0 cm,說明安全閥重新全部開啟溢流。3.018～3.301 s閥芯位移基本在1.0 cm處,反映了安全閥在這段時間內都是在穩定工作,說明選用的立柱彈簧滿足安全閥在高壓力、大流量下準確開啟的要求。

圖8 大流量安全閥閥芯運動曲線

3 結束語

以FAD160/50型安全閥為設計基礎,基于虛擬樣機技術建立大流量安全閥和液壓缸模型,通過ADAMS Hydraulics軟件建立液壓仿真控制系統,將兩者結合應用設計了大流量安全閥仿真試驗系統。利用這一仿真試驗系統可以較好地模擬液壓支架在實際工況下的運行情況,并可以對所設計的大流量安全閥進行仿真測試,進而驗證大流量安全閥設計參數的正確性。通過仿真分析,確認所設計的大流量安全閥可以滿足使用要求。