水泵控制閥對礦井排水系統工作特性的影響研究

王華青

（山西寧武德盛煤業有限公司， 山西 寧武 036700）

引言

水泵流量控制閥廣泛應用于礦井排水系統中，以往的研究主要集中在不同類型閥門的流動特性上，然而沒有足夠的研究驗證微流量控制閥結構對流動特性的影響。本文提出了組合式微流量控制閥，其可顯著實現系統的集成化和輕量化，可說明控制閥結構參數對靜態特性和動態響應的性能影響。

1 組合式微流控制閥（CMCV）的結構

1.1 CMCV 結構說明

控制閥的結構如圖1 所示，閥門的圖形如圖1-3、圖1-4 所示，其中P1是入口壓力，P2是入口壓力通過發動機閥口后的壓力，P3是閥門的出口壓力，套筒的運動實現了流量調節器的壓力補償功能，套筒主要受流體壓力P2和P3、彈簧力Fk和動力Fs的影響。孔的直徑是恒定的，P1和P3隨著系統負載的變化而變化。

圖1 CMCV 示意圖

1.2 開口面積的計算

流量調節器通過彈簧調整套筒位置，套筒的孔和滑閥的邊緣之間有三種初始位置關系，首先是重疊（左邊緣部分覆蓋孔），軸之間的距離孔和滑閥的左邊緣為l1l，l2l，…，lnl；第二個是下搭接（右邊緣部分覆蓋孔），孔的軸與滑閥的右邊緣為l1r，l2r，…，lnr；第三個是零圈（孔未覆蓋，且在左右之間邊緣），套筒向右移動，閥門開口減少，如圖2 所示。當任何孔i 與左邊緣之間的距離為lil∈[0，R]，孔的開口面積[1]為：

圖2 節流孔開啟區域示意圖

當任何孔i 與右邊緣之間的距離是lil∈[0，R]，開口區域[2]為：

當任何孔i 未被覆蓋且在左和右之間時，與右邊緣的距離為lil∈[R，X1-R]，開放區[3]為：

閥門的總開啟面積為：

式中：n 為孔的數量；X 為孔的套筒位移；R 為孔的半徑；X1為左右邊緣兩個孔之間的距離；Xmax為套筒的沖程。

2 模型說明

2.1 CMCV 的數學模型

閉環流量調節器的傳遞函數[4]可以表示為：

應用上述方程式，繪制了流量調節器的數學模型，如圖3 所示。

圖3 流量調節器數學模型

2.2 CMCV 仿真模型

2.2.1 仿真參數設置

仿真模型如圖4 所示，模擬參數是否遵循試驗條件和設備的具體結構CMCV，如表1 所示。

表1 模擬參數

圖4 模擬模型

2.2.2 模型驗證

為了驗證仿真模型靜態性能，給出了試驗裝置的回路圖5，使用截止閥K1、K2和K3控制測量液回路的通斷，以及調整安全閥F1，以確保液體供應壓力范圍為0～21 MPa。調整出口安全閥F2改變負載壓力。當環境溫度為（25±10）℃時，控制液壓泵流量小于2.8 L/min，調整F1使閥門入口壓力為6 MPa 時，調整F2使閥門出口測試壓力為0.5 MPa、1 MPa、1.5 MPa、2 MPa 和6 MPa，檢測并記錄輸出流量。下頁圖6 顯示了B 口的流量，將試驗結果與計算數據進行了比較，結果表明，最大相對誤差大約為5.2%。因此，模擬數據吻合良好，建立的仿真模型是科學合理的。

圖5 試驗裝置回路圖

圖6 模擬和實驗結果之間的流量輸出值比較

3 結果和討論

閥門的主要結構參數為節流孔直徑、彈簧剛度、旋轉孔直徑、孔數和極限套筒位移，分析以上參數對泵排水系統的影響。

3.1 孔口直徑的影響

對流量調節器套筒出口和彈簧室孔口的直徑值d（1.55 mm、1.60 mm 和1.65 mm）進行了研究。如圖7所示，入口壓力具有斜坡函數的特征，壓力隨時間均勻增加。圖8 中的虛線顯示了隨著節流孔直徑的增加，閥門的流量增加。由此可以看出，隨著入口壓力的增加，初始流量在達到一定程度后，斜率上升并保持穩定閥門穩定值隨d1的增加而增加。隨著d1的增加，套筒出口中的流體將更容易流入彈簧室入口，這將增加成本彈簧室進口和進口的壓力增大率通過節流孔的壓降增加。然而，可以從圖8 可以看出，通過節流孔的壓降（ΔP2、ΔP3）穩定在5 kPa。

圖7 入口壓力

圖8 不同工況下通過孔板的流量和壓降d1

3.2 彈簧剛度的影響

為了分析受彈簧剛度的影響，彈簧預壓縮力保持不變。圖9 顯示了彈簧剛度k 為1～5 N/m 時閥門的壓力-流量特性。由此可以看出，隨著彈簧剛度的增加，初始流量增加并保持穩定到達某個閥門后，穩定值隨時間增加而增加，閥門的彈簧剛度對ΔP2、ΔP3影響不大。

圖9 在不同彈簧剛度下通過孔板的流速和壓降

3.3 旋轉孔直徑的影響

孔口的數值d2（1.0 mm、1.2 mm 和1.4 mm），所有其他結構參數都是相同的與表1 所示相同，圖10 顯示了隨著節流孔直徑d2的增加閥門流量的變化。由此可見，隨著進口壓力的增加，初始流量增加，并在到達某一閥值后保持穩定。當d2增加時，流量的穩定值和ΔP2、ΔP3保持不變。

圖10 不同節流孔直徑下通過孔板的流速和壓降

3.4 旋轉孔數的影響

下頁圖11 顯示了壓力-流量特性和壓降ΔP2、ΔP3不同數量的節流孔隨著入口壓力的增加，初始流速在達到某一值后增加并保持穩定。穩定值隨nh的增加而增加。事實上，隨著nh的增加，套筒的開口面積增加，也將更容易通過節流閥口。ΔP2、ΔP3在閥門結構中飽和。基于上述情況，增加nh是增加閥門流量的更好方法，但對ΔP2、ΔP3沒有顯著影響。

圖11 不同旋轉孔數下通過孔板的流速和壓降

3.5 極限套筒位移的影響

下頁圖12 顯示了隨著套筒極限位移的增加，壓力- 流量特性和壓降ΔP2、ΔP3的變化（lmax為1.4 mm、1.5 mm 和1.8 mm）。由此可以看出，lmax增加，初始流速和壓降增大。當套筒移動到不同的位置時閥口的開啟面積不同，導致穩定的壓力流程不同。在此基礎上，增加泵的穩定流量CMCV，套筒的最終位移應該在許可范圍內適當增加結構空間。

圖12 不同套筒極限位移下通過節流孔的流速和壓降

4 結論

本文實現了改善水泵控制閥的靜態和動態響應能力、精確度和穩定性。模擬研究了結構參數對控制閥排水特性的影響，結論如下：

1）孔板區域A2、流量調節器閥端口區域A1和節流孔壓降（P2-P3）顯著影響水泵控制閥的靜態特性，其以耦合效應的形式反映，通過增加孔板壓降和減小面積比（A2/A3），增加閥門的流量。

2）孔口直徑、彈簧剛度和節流孔的數量顯著影響水泵控制閥的流速，套筒的最終位置顯著影響流速，通過直接改變孔板，閥門的流速降低。

3）由于套管的結構限制，套管節流孔直徑對壓降和流速沒有顯著影響。