大流量高水基換向閥動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、支架電液控制系統(tǒng)是井下先進(jìn)采煤技術(shù)的重要標(biāo)志，而大流量電液換向閥是支架電液控制系統(tǒng)的核心元件之一，其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到井下安全性與生產(chǎn)效率。目前，我國此類液壓閥基礎(chǔ)研究非常薄弱，閥芯的振動(dòng)與沖擊等不良現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理、影響因素及影響規(guī)律尚未從理論與試驗(yàn)上真正掌握，大部分是憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和問題判斷。而煤炭生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，迫切需要進(jìn)一步增加液壓系統(tǒng)的流量和壓力，隨著流量的增加，換向閥的一些動(dòng)力學(xué)問題會(huì)更加突出。因此，非常有必要開展礦用高

2、壓高水基大流量液壓閥的基礎(chǔ)理論研究，為新一代高水基換向閥的研發(fā)提供有效的理論支持。
　　本文首先分析了國內(nèi)外同行的研究動(dòng)態(tài)，結(jié)合采煤技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀分析了支架用電液換向閥的使用特點(diǎn)及發(fā)展趨勢，并根據(jù)現(xiàn)有換向閥出現(xiàn)的一些故障現(xiàn)象，總結(jié)提煉了需要研究的關(guān)鍵理論與技術(shù)問題。
　　針對現(xiàn)有集成式插裝閥組單通道供液的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用CFD技術(shù)模擬了閥芯徑向不平衡力產(chǎn)生的機(jī)理，探明了徑向不平衡力大小與流量的關(guān)系，預(yù)測換向閥在大流量工況可能出

3、現(xiàn)的換向遲滯特性。在此基礎(chǔ)上提出雙通道供液結(jié)構(gòu)，經(jīng)過模擬研究，在1000L/min的流量時(shí)徑向不平衡力降低了67.2％。分別對兩種結(jié)構(gòu)換向閥在大流量和小流量工況下進(jìn)行換向試驗(yàn)。結(jié)果顯示，與雙通道換向閥相比，單通道換向閥在大流量工況下?lián)Q向時(shí)呈現(xiàn)出明顯的遲滯特性，但在小流量下?lián)Q向卻沒有遲滯特性。依據(jù)仿真模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法確定了閥芯承受徑向不平衡力的閾值為170N。
　　針對井下?lián)Q向閥出現(xiàn)的斷裂現(xiàn)象，利用多學(xué)科系統(tǒng)仿真軟件AMESi

4、m與機(jī)械碰撞應(yīng)力分析軟件ANSYS/LS-DYNA聯(lián)合分析了換向閥開啟時(shí)閥芯與閥套的機(jī)械沖擊特性，并研究了閥芯結(jié)構(gòu)形式及約束形式對閥套上沖擊應(yīng)力波的傳播規(guī)律的影響。結(jié)果表明，換向閥的斷裂是由于沖擊疲勞所致;適當(dāng)減小緩沖阻尼孔直徑能大幅降低閥芯與閥套的機(jī)械沖擊應(yīng)力;與分體式結(jié)構(gòu)相比，一體式閥芯結(jié)構(gòu)具有更佳的承受沖擊載荷的能力;機(jī)械沖擊在這類大流量液壓閥中所占比例較大，不容忽視。
　　針對高水基流體粘性低的特點(diǎn)，確定了閥芯內(nèi)部流速設(shè)計(jì)

5、原則。并利用計(jì)算流體力學(xué)理論與可視化技術(shù)模擬了閥芯流道內(nèi)的流場特性，找出閥芯內(nèi)部易產(chǎn)生漩渦和氣蝕的地方，對閥芯徑向過液孔和軸向出液孔的加工工藝進(jìn)行了優(yōu)化。利用兩個(gè)控制體積推導(dǎo)閥芯液動(dòng)力計(jì)算公式，并根據(jù)液動(dòng)力的CFD模擬結(jié)果對液動(dòng)力公式進(jìn)行修正，為換向閥的動(dòng)力學(xué)建模奠定了基礎(chǔ)。建立換向閥的運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，利用方塊圖進(jìn)行求解，分析機(jī)械限位行程、彈簧剛度、主閥控制端直徑、出口壓力、流量等關(guān)鍵參數(shù)對換向閥換向特性的影響規(guī)律，確定大流量高水基換向閥

6、的關(guān)鍵參數(shù)值，并用試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。
　　探討了支架用大流量比例換向閥的結(jié)構(gòu)與控制方案。采用位移-電反饋方案，利用C型液壓半橋通過控制半橋輸出壓力達(dá)到控制主閥位移的目的。在此基礎(chǔ)上初步研究了主閥開啟時(shí)間、位移曲線形式及閥口形式對液壓沖擊大小的影響。
　　本文綜合運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論、機(jī)械動(dòng)力學(xué)理論、多學(xué)科系統(tǒng)仿真辦法和現(xiàn)代測試技術(shù)手段，采用理論、仿真與試驗(yàn)相結(jié)合的辦法研究了大流量換向閥的機(jī)械振動(dòng)沖擊特性、換向遲滯特性，并對于升