礦用新型流量控制閥的出口過流面積分析

張敬芳，王進京，尹彥超，郝尚清，魏碩

(1.太原科技大學機械工程學院，山西太原 030024；2.太重煤機技術中心，山西太原 030032)

0 前言

經過改革開放40多年的創新發展,中國煤礦在開采技術方面取得了舉世矚目的成就，我國煤礦實現了從普通機械化、綜合機械化到自動化的跨越, 并開始向智能化邁進, 為我國經濟社會發展提供了可靠的能源保障[1-2]。

隨著礦井機械化程度的不斷提高，煤礦粉塵問題日趨突出。當采煤工作面的粉塵濃度超過一定標準時，不僅會嚴重污染工作環境，也將會嚴重影響作業工人的健康。在采煤機實際運行的過程中，還存在瓦斯帶來的安全隱患。針對上述兩種問題，采煤機上的噴霧系統就起到了關鍵性的作用。但目前各種型號采煤機的噴霧管路系統中應用較多的流量控制閥在人工設定其過流口面積的大小后，不能自動調節流量，很容易造成壓力水的流量分配不均勻[3-8]。因此，流量控制閥和其進出口節流面積特性一直是研究熱點，許多學者在這方面做了大量的工作。冀宏等人[9]在2003年就解析推導了3種典型復雜閥口過流面積及等效閥口面積特性，并與實驗測量和流場計算得出的等效閥口面積進行了比較。吳曉明等[10-11]基于Fluent軟件平臺，利用等效閥口面積原理理論計算了U+K形節流槽的過流面積及液動力，繪制了液動力曲線，并與仿真值進行了比較。羅艷蕾等[12]以某型號多路閥的斗桿聯為分析對象，推導出閥口面積的計算公式，使用MATLAB編程得出閥口過流面積曲線、流量曲線，并比較不同形式節流槽兩種曲線的區別，分析其對微動特性的影響。周永飛等[13]推導了幾種常見節流槽過流面積的計算公式，并根據Fluent軟件對利用該公式所算出的過流面積進行了驗算。以上研究分別用實驗和軟件仿真的方法分析了不同類型節流閥口過流面積的特性，但是當這些液壓閥運用在采煤機噴霧系統上時，均不能很好地適應進出口壓力的變化，保持出口流量的穩定。

本文作者所研究的流量控制閥的出口，由于自身的結構特性，能夠適應進出口流場特性的變化，實現出口流量的穩定。通過Fluent仿真，研究閥出口的流場特征；根據流場特征，推導出口節流面積的計算公式，并對比仿真結果和理論分析結果。

1 礦用新型流量控制閥的節流出口介紹

礦用新型流量控制閥的節流口結構如圖1所示，它位于閥蓋一端的圓柱形結構上，在其圓周方向上有4個結構完全相同且成對稱分布的節流口。

圖1 礦用新型流量控制閥的出口結構

2 仿真分析

2.1 網格模型和仿真參數

把礦用新型流量控制閥的三維模型導入Fluent中，生成流道模型，并進行簡化。采用四面體的非結構方法進行網格劃分。由于閥結構的對稱性，綜合考慮計算機的性能，得到閥的1/4網格模型如圖2所示。

圖2 礦用新型流量控制閥的流道模型

采用基于壓力基的求解方法及κ-epsion標準模型，設水的密度為998.2 kg/m3、閥的入口壓力為4 MPa、出口壓力為0。

2.2 仿真結果

設閥芯位移x分別為0.5、3、8.5 mm，將此時的三維模型分別導入到Fluent中進行仿真計算，得到閥出口的三維壓力云圖和對應的平面投影壓力云圖如圖3—圖8所示。

由圖3—圖8并結合實際經驗[14]可知：無論閥芯位移使得閥芯位于節流口何處位置，出口的過流面積都可以用它在平面上的投影面積近似代替。

圖3 x=0.5 mm時出口三維壓力云圖

圖4 x=0.5 mm時出口平面投影壓力云圖

圖5 x=3 mm時出口三維壓力云圖

圖6 x=3 mm時出口平面投影壓力云圖

圖7 x=8.5 mm時出口三維壓力云圖

圖8 x=8.5 mm時出口平面投影壓力云圖

3 礦用新型流量控制閥的節流出口面積理論分析

圖9—圖11為不同閥芯位移時的計算簡圖。設△OP1P2的半頂角為α、節流圓口的直徑為D、閥芯初始位置到截面口的距離為L。△OP1P2的面積為S1、扇形OP1P2的面積為S2、遮蓋面積為S3、過流面積為S4、閥芯位移為x，并建立笛卡爾直角坐標系。為便于分析問題，取自動控制閥中彈簧未受力時閥芯最右端的位置為坐標原點、橫向為X軸、縱向為Y軸。

(1)當0

圖9 0

此時的過流面積等于整個圓的面積:

S4=π/4×D2

(1)

(2)當L

圖10 L

(2)

(3)

S3=S2-S1

(4)

(5)

(3)當L+D/2

圖11 L+D/2

此時：

(6)

(7)

S4=S2-S1

(8)

4 礦用新型流量控制閥的節流出口面積實驗對比分析

根據公式(1)—(8)，運用MATLAB編制相應的程序代碼，可以得到閥出口過流面積的特性曲線。

再根據仿真計算得到的礦用新型流量控制閥的節流出口壓力和流量關系，由流量公式Q=CAΔpφ[15]可以反算出過流面積，其中：孔口形狀系數C=0.03；由節流口形狀決定的節流閥指數φ=0.75，理論計算和仿真計算過流面積的對比如圖12所示。

從圖12可以看出：仿真計算與理論計算的出口節流面積的變化趨勢基本相同，當閥芯位移較小時，理論計算的出口節流面積大于仿真計算的結果，這時閥口開始發生躍遷，所以此時的誤差較大；隨著閥芯位移的增大，兩者的誤差越來越小，大約在閥芯位移為8.5 mm時，兩者結果基本相同；當閥芯位移大于8.5 mm時，仿真計算的出口節流面積大于理論計算結果，這時壓力變化比較大，所以此時的誤差再一次變大。

圖12 礦用新型流量控制閥的過流面積對比

5 結論

采用Fluent軟件對不同位移下礦用新型流量控制閥的節流出口的流場進行了仿真，確定了理論推導的計算方法；對流量控制閥的節流口出口過流面積進行了研究。結果表明：仿真模擬和理論推導相互驗證的方法原理簡單、計算精度高，為礦用新型流量控制閥的流量和壓力特性研究提供了參考。