液壓支架反沖洗過濾站反沖洗性能仿真分析

蘇東海， 于 玲，2

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 沈陽化工大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院， 沈陽 110142)

由于煤礦井下綜采工作面環(huán)境惡劣，支架液壓系統(tǒng)龐大復(fù)雜以及高水基液壓液粘度低、易污染等特點，使得支架液壓系統(tǒng)的污染控制問題已成為影響液壓支架工作性能和采煤效率的關(guān)鍵問題之一.自動反沖洗過濾技術(shù)能在系統(tǒng)不停機拆解的狀態(tài)下完成濾芯的反向清洗，實現(xiàn)濾芯過濾功能再生，從而確保工作介質(zhì)的清潔度.目前已廣泛應(yīng)用于化工[1-2]、煤礦[3-5]、污水處理[6-7]和農(nóng)業(yè)[8-9]等行業(yè).為解決煤礦支架液壓系統(tǒng)的污染控制問題，已經(jīng)有研究人員將反沖洗過濾技術(shù)引入支架液壓系統(tǒng)的污染控制，王亮亮[10]結(jié)合工作面使用反沖洗過濾站的實際情況對過濾站的使用頻率以及反沖時間進行了分析與實踐；于玲等[11-12]建立了正向過濾和反向沖洗兩個階段的污染控制模型，研究了污染重復(fù)過濾因子、分流系數(shù)和反沖洗效率等參數(shù)對反沖洗時間和反沖洗效果的影響特性；張宏等[13]應(yīng)用水射流清洗技術(shù)設(shè)計了一種旋轉(zhuǎn)式反沖洗過濾器，研究了關(guān)鍵射流參數(shù)對濾芯射流打擊壓力和濾芯轉(zhuǎn)速特性的影響規(guī)律.上述學(xué)者對液壓支架采用反沖洗過濾站模型結(jié)構(gòu)設(shè)計、污染控制特性和反沖洗特性等方面進行了較為深入的研究，但關(guān)于反沖洗過濾站在反沖洗時的流量壓力特性和液動閥啟閉特性的研究相對較少.本文針對煤礦支架液壓系統(tǒng)的工作特點，開發(fā)了一種適用于高壓大流量的電液控制自動反沖洗過濾站，建立AMESim仿真模型，從液壓支架不同負載和濾芯堵塞狀態(tài)出發(fā)，對反沖洗過程的流量、壓力和液動閥啟閉性能進行了分析，并對過濾站的反沖洗功能進行了定性試驗，為實現(xiàn)支架液壓系統(tǒng)的高效清潔運行奠定必要的理論基礎(chǔ).

1 高壓大流量反沖洗過濾站

針對支架高水基液壓系統(tǒng)的工作特性，設(shè)計了一種高壓大流量自動反沖洗過濾裝置，其工作原理如圖1所示，其中液控主閥為錐閥式結(jié)構(gòu).該系統(tǒng)通過兩個小流量電磁先導(dǎo)閥和兩個大流量液控主閥來實現(xiàn)反沖洗控制，當電磁先導(dǎo)閥斷電時，乳化液通過液控主閥初始位后，經(jīng)濾芯過濾給支架系統(tǒng)供液，當某個過濾器濾芯的前后壓差達到設(shè)定值時，對應(yīng)的電磁先導(dǎo)閥得電，經(jīng)電磁先導(dǎo)閥驅(qū)動對應(yīng)的液控主閥換向，此時經(jīng)另一個濾芯過濾后的乳化液反向進入待沖洗濾芯，將沉積在濾芯表面上的雜質(zhì)由反沖洗口排出系統(tǒng)，從而在不拆卸的前提下實現(xiàn)濾芯的反向清洗.圖2為高壓反沖洗過濾站結(jié)構(gòu)圖，其中，1為控制器，2為超聲波發(fā)生器，3為壓力表，4為排污口，5為出液口，6為進液口，7為過濾器，8為超聲波電源.

2 反沖洗過濾站仿真模型建立及參數(shù)設(shè)定

為研究支架工況對過濾站反沖洗效果的影響，基于AMESim[14-15]建立反沖洗過濾站的仿真模型，如圖3所示.液壓泵采用400 L/min流量泵加31.5 MPa溢流閥來簡化模擬實際的乳化液泵，支架液壓系統(tǒng)負載用節(jié)流閥來模擬，可根據(jù)支架系統(tǒng)實際工況進行調(diào)節(jié)，以控制進入系統(tǒng)的流量，反沖洗管路用節(jié)流孔加DN19軟管形式模擬，過濾器壓差設(shè)為0.2 MPa，工作介質(zhì)為乳化液.

圖1 高壓大流量反沖洗過濾站工作原理Fig.1 Working principle of high pressure and large flow backwashing filter station

圖2 高壓反沖洗過濾站結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of high pressure backwashing filter station

根據(jù)反沖洗過濾站的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)置主要參數(shù)如表1所示.

3 反沖洗過濾站仿真分析

3.1 反沖洗性能分析

仿真時間設(shè)為6 s，其中前0～2 s為正常過濾時間，2～4 s對過濾器1實現(xiàn)反沖洗，4～6 s再重回正常過濾狀態(tài)，模擬負載的節(jié)流閥開度設(shè)為7 mm.圖4為過濾站反沖洗性能相關(guān)曲線.由仿真結(jié)果可知，本文開發(fā)的過濾站能順利完成反沖洗功能，在0～2 s和4.8～6 s，過濾站處于正常過濾狀態(tài)，此時進入支架系統(tǒng)的流量為400 L/min，液壓泵全流量供油，系統(tǒng)壓力為30.4 MPa；在2～4.8 s過濾站處于反沖洗狀態(tài)，此時進入支架系統(tǒng)的流量僅為62.8 L/min，其余流量皆經(jīng)反沖洗濾芯后排出系統(tǒng)，實現(xiàn)濾芯的反向清洗，清洗效果已在文獻[12]驗證，此時系統(tǒng)壓力低至0.75 MPa，因此在設(shè)計液動閥時必須注意控制活塞直徑和復(fù)位彈簧的匹配，確保在低壓狀態(tài)下也能實現(xiàn)反沖洗功能，同時反沖洗時間必須選在系統(tǒng)沒有工作需求的時候進行，以免因為反沖洗而造成系統(tǒng)壓力不足.

圖3 反沖洗過濾站AMESim仿真模型Fig.3 AMESim simulation model of backwashing filter station

參數(shù)名稱數(shù)值錐閥大徑/mm35錐閥孔徑/mm28彈簧剛度/(N·m-1)6.36預(yù)壓縮量/mm3閥芯質(zhì)量/kg0.325閥芯行程/mm11控制活塞直徑/mm42控制活塞彈簧剛度/(N·m-1)3.93控制活塞預(yù)壓縮量/mm5.5節(jié)流閥開度/mm1～7

由圖4c可知，閥芯從正常過濾時的全開到反沖洗時的全關(guān)用時0.7 s，而從反沖洗結(jié)束回到正常過濾的時間與初始設(shè)定后延遲了0.8 s，這主要是由于反沖洗時系統(tǒng)壓力較低以及在低壓下能使液控閥芯動作而降低復(fù)位彈簧剛度導(dǎo)致的，可以通過減小控制活塞面積或增大復(fù)位彈簧剛度來改善液動主閥的閥芯啟閉時間，但必須注意與反沖洗時的控制壓力相匹配.在正常過濾階段，反沖洗口流量為0，在反沖洗時流量達到337.2 L/min，相當于大部分流量都經(jīng)過反沖洗口排出了系統(tǒng)，因此，從節(jié)能角度考慮，每次反沖洗的時間都不宜設(shè)置過長，當然也可以通過減小反沖洗口直徑來減小反沖洗流量，但這會影響電磁換向閥和液動主閥的換向穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致背壓過高而無法開啟.

圖4 過濾站反沖洗性能相關(guān)曲線Fig.4 Backwashing performance curves of filter station

3.2 負載對反沖洗性能的影響

由于反沖洗時液控換向閥的控制油來自于過濾后的管路壓力，而此壓力取決于液壓支架工作時的負載.反沖洗時由于大量乳化液被反沖出管路，必然導(dǎo)致系統(tǒng)壓力迅速下降，嚴重時會導(dǎo)致液控換向閥無法開啟而無法實現(xiàn)反沖洗，因此有必要研究負載對反沖洗性能的影響.

設(shè)置模擬負載的節(jié)流閥開度分別為1、3、5和7 mm，仿真時間不變，采用批處理方法進行仿真，得到不同負載時過濾站反沖洗性能相關(guān)曲線，如圖5所示.由結(jié)果可知，無論何種工況，本文設(shè)計的反沖洗過濾站都能順利實現(xiàn)反沖洗.由圖5a可以看出，隨著負載節(jié)流閥開度的減小，在正常過濾階段和反沖洗階段，流入系統(tǒng)的流量均減小，當節(jié)流閥開度為1 mm時，反沖洗時僅有13.2 L/min的流量進入系統(tǒng)，其余全部經(jīng)反沖洗口排出.由圖5b可知，反沖洗時的系統(tǒng)壓力隨著負載節(jié)流閥開度的減小而略有增加，節(jié)流閥開度分別為1、3、5和7 mm時，反沖洗壓力分別為1.05、0.99、0.88和0.75 MPa，當節(jié)流閥開度達到8 mm時，反沖洗壓力僅為0.65 MPa，已不能使液控換向閥全部開啟，從而對反沖洗效果產(chǎn)生影響.由圖5c可知，隨著節(jié)流閥開度的變化，閥芯從正常過濾的全開到反沖洗的全閉所需時間也有變化.當節(jié)流閥開度分別為1、3、5和7 mm時，液控主閥關(guān)閉時間分別為0.45、0.48、0.54和0.7 s，隨著負載的增大，反沖洗時的系統(tǒng)壓力越大，進入控制活塞的流量越大，換向時間越短.當繼續(xù)減小負載，增大節(jié)流閥直徑到8 mm時，液控換向閥的閥芯位移僅為10 mm，小于理論值11 mm，說明此時液控換向閥不能完全開啟，將有一部分乳化液未經(jīng)過濾直接從反沖洗口排出系統(tǒng)，減小反沖洗濾芯前后壓差，從而對反沖洗效果產(chǎn)生影響.而電磁閥斷電，使液控主閥從反沖洗的全閉回到正常過濾的全開所需時間不隨節(jié)流閥開度變化而變化，均為0.8 s，主要是由于閥芯復(fù)位與復(fù)位彈簧有關(guān).

3.3 濾芯堵塞對反沖洗性能的影響

由于一次只對一個濾芯進行反沖洗，當不沖洗濾芯因污染導(dǎo)致壓差增大時，也會對反沖洗功能造成影響.圖6為負載節(jié)流閥開度為7 mm，不沖洗濾芯前后壓差分別為2×105、4×105、6×105、8×105和106Pa時，液控主閥芯的閥芯位移.從圖6中可以看出，壓差為2×105Pa時，液控閥芯可以全行程工作，而隨著濾芯堵塞現(xiàn)象加重，前后壓差增大，系統(tǒng)壓力逐漸降低，甚至使閥芯位移減少，導(dǎo)致閥芯不能全部開啟，進而影響反沖洗性能.

4 反沖洗試驗

在上述研究基礎(chǔ)上，本文開發(fā)了反沖洗過濾站，為驗證其有效性，對其進行定性試驗，試驗原理如圖7所示.油源流量為400 L/min，污染粉塵為ISO 12103-1 A3中等測試粉塵，經(jīng)注入裝置自動注入，3 min后開始反沖洗，反沖洗時間為2 s.

圖8為第一次反沖洗后乳化液污染度檢測樣片，其中左側(cè)為經(jīng)過濾后的乳化液，污染度為NAS9級，右側(cè)為反沖洗口沖洗出來的乳化液，污染度高于NAS12級.試驗結(jié)果表明，反沖洗裝置對濾芯清洗具有明顯效果.

圖5 負載工況對反沖洗性能的影響Fig.5 Influence of loading condition on backwashing performance

圖6 濾芯堵塞時液控主閥閥芯位移

5 結(jié) 論

通過對液壓支架反沖洗過濾站的反沖洗性能進行仿真研究，得出如下結(jié)論：

圖7 超聲波反沖洗過濾站測試原理圖Fig.7 Schematic diagram of testing for ultrasonic backwashing filter station

圖8 乳化液污染度檢測樣片F(xiàn)ig.8 Detection samples for emulsion contamination

1) 液壓支架反沖洗過濾站能在液壓支架各種工況下順利實現(xiàn)反沖洗功能，可有效提升支架液壓系統(tǒng)的工作效率和清潔度.

2) 對過濾站進行反沖洗時，系統(tǒng)壓力將減至較低狀態(tài)，設(shè)計液動閥時必須考慮其在低壓下的啟閉能力，同時反沖洗時間設(shè)置應(yīng)避開支架工作時間，以避免因反沖洗導(dǎo)致系統(tǒng)壓力不足.

3) 負載和未反沖洗濾芯的堵塞狀態(tài)都會對反沖洗性能產(chǎn)生影響，負載越小，反沖洗啟動換向時間越長，嚴重時會導(dǎo)致液控換向閥不能完全開啟；未沖洗濾芯堵塞壓差越大，液控換向閥不能完全開啟現(xiàn)象越嚴重.