液壓支架大流量安全閥沖擊特性影響因素仿真分析

趙懷志， 王曉東

(1.煤炭科學研究總院， 北京 100013； 2.煤炭科學技術研究院有限公司 檢測分院， 北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室， 北京 100013)

引言

隨著現(xiàn)代化礦井建設的推進，綜采設備技術水平不斷提高，開采強度逐漸加大，2020年我國煤炭資源開采38.4億t，黑岱溝露天礦完成年產量2828萬t；同時開采的深度也在不斷增加， 孔莊煤礦采深達1500 m。

為適應大采高綜采技術的發(fā)展，液壓支架最大支撐高度已達880 mm，工作阻力可達26000 kN[1]，超大規(guī)格立柱不斷涌現(xiàn)，1000 L/min以上大流量安全閥的需求越來越高。在這種背景下，煤礦井下液壓支架等支護設備受到沖擊地壓的強度和頻率大大增加，安全閥作為液壓支架能夠可靠運行的關鍵元件，提高安全閥的抗沖擊能力是應對煤礦井下沖擊地壓的重要技術手段。

當液壓支架受到強烈的沖擊地壓時，安全閥開啟并排出立柱內腔的高壓液體，此過程中，要求安全閥響應靈敏度高且動態(tài)特性優(yōu)越。

目前煤礦井下安全高效生產中，1000 L/min大流量安全閥的使用比例高達50%～60%，但在較大沖擊載荷的作用下，易被由沖擊載荷而產生的高速、高壓液體的沖刷所損壞，導致立柱產生泄漏、漲缸、卡死等現(xiàn)象[2-3]，嚴重降低工作面的采煤效率，威脅礦工的人身安全[4]。因此，與普通安全閥相比，高壓大流量安全閥還必須具有如下工況特點：

(1) 溢流能力強，公稱流量大于100 L/min，最高可達20000 L/min；

(2) 工作壓力高，公稱壓力在40～55 MPa之間；

(3) 瞬間排液能力大，可以在25 ms內迅速排出大量高壓液體，使壓力降至立柱可承受范圍內[5]；

(4) 啟閉特性好，能實現(xiàn)迅速啟閉，使液壓支架立柱內腔維持一定的壓力，防止產生高壓振動[6]。

本研究通過建立FATA1000安全閥的數學及AMESim仿真模型，討論其彈簧剛度、閥芯質量、溢流孔數量和直徑等主要因素在動態(tài)載荷下大流量安全閥沖擊特性的影響，對提高大流量安全閥的可靠性及新型大流量安全閥的設計有著重要的現(xiàn)實意義。

1 大流量安全閥的結構及數學模型

1.1 典型結構

目前，國內外液壓支架使用的安全閥按其整體結構及加載機構的不同可以分為重錘式、充氣式和彈簧式3種[7]。重錘式安全閥利用重錘及杠桿對閥瓣加載并用以調定開啟壓力，由于結構比較笨重，加載機構容易產生振動的傾向，甚至可能因振動而產生泄漏現(xiàn)象，只有極少數液壓支架會采用此類安全閥；充氣式安全閥是用壓縮氣體充當氣體彈簧來平衡高壓流體作用到閥芯上的力，性能相對優(yōu)越，但結構比較復雜，內部氣體壓力檢測困難[8]；彈簧式安全閥結構相對簡單[9]，動作靈敏且可靠性高，被廣泛應用于各種工業(yè)生產，尤其在煤炭工業(yè)生產中，已成為國內外液壓支架最普遍采用的一種安全閥。本研究以FATA1000彈簧式大流量安全閥為研究對象，其結構如圖1所示。

1.接頭 2.閥芯 3.彈簧底座 4.閥殼5.彈簧 6.調壓螺絲圖1 彈簧式大流量安全閥Fig.1 Spring type large flow safety valve

1.2 數學模型

1) 閥口流量方程

(1)

Δp=p-p0

(2)

式中，Cd—— 大流量安全閥的閥口流量系數

A—— 出口通流面積為，mm2

p—— 閥入口壓力，MPa

p0—— 溢流口壓力，MPa

ρ—— 流體密度，kg /m3

由安全閥的結構可知，在溢流過程中，隨閥芯運動，溢流孔出口通流面積逐漸變化，閥口開度x與通流面積A的關系為：

(3)

(4)

式中，R—— 閥芯溢流孔半徑，mm

n—— 溢流孔數量

2) 液動力表達式

由于穩(wěn)態(tài)液動力沿閥芯的徑向力會相互抵消，有效的穩(wěn)態(tài)液動力只剩下軸向分力，方向與液流方向相反，穩(wěn)態(tài)液動力一般表達式為：

Fw=-ρq0vcosθ

(5)

(6)

根據式(1)、式(6)，穩(wěn)態(tài)液動力表達式為：

Fw=-2CdCvWxΔpcosθ

(7)

瞬態(tài)液動力:

(8)

式中，v—— 出口液流速度，mm/s

θ—— 閥口液流角，(°)

Cv—— 速度系數

W—— 閥芯出油口周長，mm

m—— 油液質量，kg

lv—— 油液在閥腔的流程長度，mm

3) 閥芯運動微分方程

通過對工作狀態(tài)中的安全閥閥芯進行受力分析，得其運動微分方程：

(9)

式中，M—— 閥芯和彈簧總質量，kg

A1—— 安全閥承壓面積，mm2

β—— 黏性阻尼系數

k—— 彈簧剛度，N/mm

x0—— 預壓縮量，mm

4) 流量連續(xù)方程

(10)

閥芯移動中腔體的流量：

(11)

式中，Ct—— 泄漏系數

γ—— 管路及閥腔液容

r—— 安全閥入口半徑，mm

由上述建立的數學表達式可以看出，大流量安全閥的設計參數包括彈簧剛度、閥芯質量、溢流孔數量和直徑等都會對其動態(tài)特性產生影響。

2 AMESim仿真模型

2.1 大流量安全閥

本研究使用AMESim中的液壓元件建模庫(Hydraulic Component Design)，參照FATA1000安全閥的結構進行模型的建立以及相關的仿真分析[10]，其仿真模型如圖2所示。

圖2 大流量安全閥模型Fig.2 Large flow safety valve model

FATA1000安全閥的公稱流量為1000 L/min，公稱壓力為50 MPa，根據其具體結構參數，對仿真模型參數進行設置，如表1所示。

表1 大流量安全閥參數設置Tab.1 Parameter setting of large flow safety valve

2.2 沖擊特性試驗系統(tǒng)

大流量安全閥沖擊特性試驗裝置如圖3所示，工作原理：啟動時，通過控制口供給高壓，進而打開密封端面，以蓄能器為動力源釋放高壓液體壓力，瞬間涌入加載缸內推動中缸柱塞運動，持續(xù)提供給輸出腔高壓液體，實現(xiàn)大流量快速開關和增壓的過程[11-12]。

1.蓄能器組 2.開關閥 3.大流量安全閥 4.輸出腔5.加載腔 6.控制口圖3 大流量安全閥沖擊特性試驗裝置Fig.3 Impact characteristic test device of large flow safety valve

根據上述試驗裝置工作原理，在AMESim仿真軟件中通過標準液壓庫、液壓元件庫及機械庫等，構建一個增壓缸和開關閥，并為各個元件選擇合適的子模型[13-14]，輸入大流量安全閥沖擊特性試驗裝置的參數進行仿真，開關閥開啟時間為0.01 s，采樣時間間隔為0.001 s沖擊特性仿真模型如圖4所示，蓄能器、增壓缸參數設置如表2、表3所示。。

圖4 沖擊特性仿真模型Fig.4 Impact characteristic simulation model

表2 蓄能器模塊關鍵參數設置Tab.2 Key parameter settings of accumulator module

表3 增壓缸模塊關鍵參數設置Tab.3 Key parameter settings of booster cylinder module

圖5為大流量安全閥仿真曲線，為方便對比，取0.01～0.06 s，分析安全閥沖擊試驗開啟過程特征。沖擊信號給定后安全閥開始進入響應階段，壓力迅速上升至安全閥的預設壓力，進入開啟階段，0.008 s達到壓力峰值66.5 MPa，之后振蕩衰減，在0.038 s后進入穩(wěn)態(tài)階段。

圖5 大流量安全閥仿真曲線Fig.5 Simulation curve of large flow safety valve

沖擊壓力超調率為壓力峰值和穩(wěn)態(tài)值的壓差與穩(wěn)態(tài)值的比值[15]，大流量安全閥的壓力超調率越小，說明所受壓力沖擊越小，沖擊特性也就越好，計算得到的沖擊壓力超調率為30% ，結果符合GB 25974.3—2010的要求。圖6為FATA1000安全閥在大流量安全閥試驗裝置上，蓄能器充液壓力為20 MPa的試驗曲線，可以看出仿真結果與試驗結果基本一致，可以驗證仿真模型的正確性。

圖6 大流量安全閥試驗曲線Fig.6 Test curve of large flow safety valve

3 影響因素分析

3.1 彈簧剛度

為研究彈簧剛度對大流量安全閥沖擊特性的影響，其他參數不變，彈簧剛度分別取350, 380, 410 N/mm，得到不同彈簧剛度時閥前壓力變化曲線，如圖7所示。

圖7 不同彈簧剛度閥前壓力變化曲線Fig.7 Pressure change curve in front of valve with different spring stiffness

從圖7可以看出，大流量安全閥受到瞬間沖擊時，彈簧剛度對安全閥開啟前(0.011～0.012 s)的壓力變化影響不大；0.012～0.017 s內大流量安全閥的壓力波動較大，動態(tài)特性表現(xiàn)明顯，隨著彈簧剛度的增大，壓力波動減小，穩(wěn)定性有所增強，穩(wěn)定壓力依舊維持在50 MPa左右。

圖8為不同彈簧剛度的閥芯位移變化曲線，可以明顯看出，在持續(xù)來壓沖擊的時間內，由于彈簧剛度的增大，閥芯需要克服的彈簧力有所增加，閥芯的最大位移量降低，由11 mm降至9 mm，振動幅度減小，但彈簧剛度增加，閥芯實際阻尼增大，會使閥芯的振動周期增加[16]，此過程為欠阻尼振動，由阻尼自由振動公式可以驗證：

(13)

式中，T—— 閥芯的振動周期

ωn—— 閥芯的固有頻率

ξ—— 閥芯實際阻尼與臨界阻尼的比值

上述分析表明，在一定程度內增加大流量安全閥的彈簧剛度可以改善其沖擊特性。

圖8 不同彈簧剛度閥芯位移變化曲線Fig.8 Variation curve of spool displacement with different spring stiffness

3.2 閥芯質量

為研究閥芯質量對大流量安全閥沖擊特性的影響，其他參數不變，閥芯質量分別取0.5， 0.6， 0.7 kg，得到不同閥芯質量的閥前壓力、閥芯位移變化曲線，如圖9、圖10所示。

從圖9、圖10可以看出，閥芯質量為0.5， 0.6， 0.7 kg的壓力特性曲線基本重合，閥芯質量的大小對大流量安全閥的穩(wěn)定壓力和穩(wěn)定時間影響不大。但由于閥芯質量增加，使閥芯運動發(fā)生遲滯，閥芯振幅也略有增大。閥芯質量減小，其慣性減小，運動狀態(tài)也會越容易改變，安全閥的響應速度越靈敏，抗沖擊性能越好。

圖9 不同閥芯質量閥前壓力變化曲線Fig.9 Different spool quality valve front pressure change curve

圖10 不同閥芯質量閥芯位移變化曲線Fig.10 Variation curve of spool displacement of different spool quality

3.3 溢流孔數量

為研究溢流孔數量對大流量安全閥沖擊特性的影響，其他參數不變，溢流孔數量分別取6, 8, 10，得到不同溢流孔數量時閥前壓力變化曲線，如圖11所示。

圖11 不同溢流孔數量閥前壓力變化曲線Fig.11 Pressure change curve in front of valve with different overflow holes

從圖11可以看出，隨著溢流孔數量的增多，壓力超調量由15 MPa減小至2 MPa，平均流量時間內溢流壓力有所降低，壓力穩(wěn)定時間由0.065 s縮短至0.035 s，泄流時間由0.25 s縮短至0.17 s，說明適當增加溢流孔數量有利增強其抗沖擊能力。

這是由于隨著溢流孔數量增加，相同時間內大流量安全閥的流通面積增大，泄放的液體增多，從而減少了高壓流量泄放的時間；根據式(1)分析，當額定流量q一定時，過流面積增加，進液口壓力會隨之減小，其壓力穩(wěn)定值和壓力穩(wěn)定時間也會有所降低。

3.4 溢流孔徑

為研究溢流孔徑對大流量安全閥沖擊特性的影響，其他參數不變，溢流孔徑分別取4.0,4.5,5.0 mm，得到不同溢流孔徑的閥前壓力曲線，如圖12所示。

由圖12可以看出，溢流孔徑從4.0 mm增大至5.0 mm時，壓力超調量由15 MPa減小至5 MPa，壓力穩(wěn)定時間由0.065 s縮短至0.038 s，泄流時間由0.25 s 縮短至0.19 s。與圖10壓力變化曲線對比，其變化趨勢相同。溢流面積計算結果如表4所示。

圖12 不同溢流孔徑閥前壓力變化曲線Fig.12 Pressure change curve in front of different overflow aperture valves

表4 不同孔數/孔徑溢流總面積的影響Tab.4 Influence of different hole numbers/aperture total overflow area

分析以上數據得出：調節(jié)溢流孔數量和直徑只造成其溢流孔總面積的改變，當溢流孔總面積為定值時，增加或減少溢流孔數量和直徑并不影響其沖擊特性。

4 結論

(1) 本研究利用AMESim軟件搭建了大流量安全閥沖擊特性仿真模型，壓力曲線仿真結果與試驗結果基本符合，驗證了仿真分析的可行性，此模型可以通過參數設定對不同的安全閥進行仿真，對FATA1000安全閥的彈簧剛度、閥芯質量、溢流孔個數和直徑等影響因素進行仿真，得到了包括流量、壓力和閥芯位移的變化曲線；

(2) 仿真結果表明，向大流量安全閥突然供液，閥前壓力升至公稱壓力的1.3倍(65 MPa)所用的時間為6 ms，符合GB 25974.3—2010中的要求。彈簧剛度由350 N/mm增加至410 N/mm時，閥芯位移量由11 mm 降至9 mm，振動幅度降低；閥芯質量由0.5 kg增加至0.7 kg時，會使安全閥開啟遲滯1 ms左右；溢流孔面積由75.4 mm2增加至125.7 mm2，壓力超調量由15 MPa降至2 MPa，穩(wěn)定時間也有不同程度的縮短；

(3) 對結果分析可知，適當提高大流量安全閥的彈簧剛度，減小閥芯質量，可以使其穩(wěn)定性及響應靈敏度隨之提高，有利改善抗沖擊能力；增加溢流孔總面積，一定范圍內可以提高安全閥的沖擊特性，但溢流孔總面積超過100.5 mm2時，沖擊壓力達不到公稱壓力1.3倍的要求。