礦用液壓支架純水安全閥使用性能的研究

周永超

（山西焦煤西山煤電集團有限公司屯蘭礦， 山西 古交 030206）

引言

純水安全閥是保障液壓支架正常工作的關鍵部件之一。由于井下環境的惡劣性，加上純水安全閥中流體雜質較多，導致其在運行過程中經常出現侵蝕、泄露、磨損等故障現象，嚴重影響著液壓支架的正常工作和井下作業安全。因此，有必要對其運行過程中的動態特性進行研究。

1 純水安全閥的結構特性

純水安全閥主要由閥芯、閥座、彈簧、密封圈、閥殼、防塵冒等零件組成，其結構組成如圖1所示。在工作過程中，當外界產生較大壓力時，安全閥可通過調整壓力至適當值，以保護液壓支架不被頂板壓壞，其中，要求安全閥的流量要與立柱及頂板壓力相匹配，并在液壓支架工作過程中，將安全閥保持開啟狀態，而安全閥過大或過小的公稱流量，均可能導致液壓支架工作時出現壓壞現象。同時，當液壓支架卸載后，可通過關閉安全閥，并將閥內壓力保持在85%以上，較好地對液壓支架進行保護。因此，選用合適的安全閥，并保證其工作時的正常性能，對保證液壓支架的正常工作及進行作業安全至關重要[1-3]。

2 純水安全閥使用過程中存在的問題

2.1 拉絲侵蝕、泄漏

由于水與潤滑油相比水具有更低的黏度，當安全閥工作過程中，閥內水在高速運動時將在離心力作用下甩出去，產生較大的沖擊力，較大的沖擊力作用在安全閥接觸表面并形成凹槽，長時間的沖擊作用，最終使安全閥出現了拉絲侵蝕現象，這將導致安全閥的表面精度降低和摩擦力明顯增加。同時，煤層中的顆粒在水中進行高速流動時，會加大對安全閥表面的摩擦磨損。另外，隨著安全閥表面精度的降低，加上表面受到長時間的侵蝕，純水隨高速運動而從縫隙出流出，使安全閥出現了泄露現象。

圖1 液壓支架純水安全閥結構組成圖（單位：mm）

2.2 磨損

由于安全閥中無潤滑油作用，而主要靠純水進行潤滑，導致安全閥內較難形成較好的潤滑膜，降低了安全閥的潤滑效果，使安全閥運動過程中產生了干摩擦現象。同時，純水在安全閥表面形成的潤滑膜相對較薄，隨著純水的流動，使水的溫度逐漸升高，也導致潤滑膜的潤滑效果大大降低[4]。另外，水中夾雜的煤層顆粒隨純水的一起流動，不僅導致安全閥表面出現了較大程度的侵蝕，也使安全閥出現了較嚴重的磨損現象，導致安全閥的使用壽命嚴重降低，影響了安全閥的使用安全。

3 純水安全閥模型的建立

3.1 三維模型的建立

結合安全閥的結構組成特點，采用PROE軟件，建立了包含閥芯、閥座、彈簧、密封圈、閥殼、防塵冒等部件組成的三維模型。為了使安全閥的分析結果與實際工作情況相吻合，將安全閥上的非關鍵部件、非關鍵倒角、圓角及其他特征進行了模型簡化，僅保留了安全閥上的關鍵零部件，由此，建立了純水安全閥的三維模型，如下頁圖2所示。

3.2 仿真模型的建立

安全閥實際使用時，由于經常與水進行接觸，要求其結構具有較好的防腐性能，故主要采用了不銹鋼材料。因此，采用ANSYS仿真分析軟件，將安全閥閥體材料設置為了不銹鋼材料，閥芯、閥座采用具有一定耐腐蝕的工程陶瓷材料。同時，結合安全閥的結構特點，對安全閥進行了網格劃分，主要采用四面體網格，網格大小設置為4 mm，并對安全閥中關鍵位置進行了加密處理[5]。最終，通過對安全閥進行邊界條件設置和載荷施加，完成了安全閥的仿真模型建立，其仿真模型如圖3所示。

圖2 純水安全閥室三維模型圖

圖3 純水安全閥仿真模型圖

4 純水安全閥仿真結果的分析

4.1 安全閥閥芯處靜壓變化的分析

圖4為安全閥閥芯處的靜壓變化圖。由圖4可知，閥芯孔進口端的工作壓力相對較高，且均勻分布在閥芯進口端方向，在閥芯中間臺階處，由于臺階的作用，在此處產生了較小的回流現象，導致此處的工作壓力有所降低，同時，從進口沿著閥芯出口方向，工作壓力整體呈現減小趨勢，而在閥芯出口處，工作壓力降低至大氣壓力以下，并分布在出口的左右兩側，產生了低負壓，而出口尾部的工作壓力則相對更高。由此，隨著安全閥的長時間工作，在其出口處將極可能出現氣蝕、侵蝕現象，影響著液壓支架的正常運行。

4.2 安全閥閥芯處速度矢量變化的分析

圖5為液壓支架安全閥閥芯處速度矢量變化圖。由圖5可知，在安全閥進口方向，閥內流體的速度相對較低，整體呈均布流動狀態，在閥芯臺階處，由于閥芯端面尺寸的減小，閥內流體的速度出現逐漸增大變化，并沿閥芯出口方向呈均勻流動，在此階段，閥芯中心的速度相對較大，而閥芯管壁處的流速則相對更低；當流體到達出口時，閥內流體速度達到最大，分布在出口的左右兩端，且形成了強度較弱的兩個對稱漩渦，而正是漩渦的作用，消耗了閥內主流的能量和壓力，對此處的閥芯造成了一定的影響。

圖4 安全閥閥芯處靜壓云圖

圖5 安全閥閥芯處速度矢量變化圖

安全閥在運行過程中，其閥內的工作壓力及流體運行速度均發生了不均勻的變化，當流體到達安全閥出口時，其工作壓力和流動速度大大增加，當安全閥長期在此狀態下進行工作時，將會對其造成一定影響。而若將閥體的出口由垂直方式改為斜口，雖可降低出口的壓力及流體速度，但極易將密封圈向外推并致使其推出至斜口內，增加了密封圈的磨損，嚴重時也將引起安全閥的堵塞或其他運行故障。因此，為更好地延長純水安全閥的使用壽命，可對安全閥內的流體進行凈化，保證流體內具有較少雜質，同時，定期對安全閥的潤滑性進行檢查、維護及保養，將流體的流動速度控制在合理范圍內。由此，可降低液壓支架安全閥在使用過程中的故障率，提高其綜合性能和使用安全。