王 曉， 王慶文， 徐瑞銀

(1. 山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院， 山東青島 266590； 2. 山東省煤田地質(zhì)規(guī)劃勘察研究院， 山東濟(jì)南 250104)

引言

在綜采設(shè)備中，液壓支架作為重要的組成部分，是采煤工作的安全性和高效率的重要保證，其控制系統(tǒng)核心元件之一的液壓閥對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性起著重要作用[1]。對(duì)液壓閥中的先導(dǎo)閥進(jìn)行流體流動(dòng)特性研究，能夠?yàn)殚y的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)，改善和提高閥的工作性能。

國內(nèi)外專家對(duì)控制閥結(jié)構(gòu)研究做了大量的工作。鄭淑娟[2]研究了靜止?fàn)顟B(tài)和運(yùn)動(dòng)過程中的液壓錐閥。根據(jù)閥的實(shí)際尺寸參數(shù)，運(yùn)用CAD軟件Pro/E建立了閥的流道幾何模型，運(yùn)用GAMBIT對(duì)建立的幾何模型劃分網(wǎng)格。并根據(jù)閥的幾何特征，對(duì)生成的網(wǎng)格模型進(jìn)行局部細(xì)化。王芳[3]對(duì)高水基電磁先導(dǎo)閥的二維和三維流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過模擬，對(duì)Fluent在先導(dǎo)閥流動(dòng)特性和力特性研究方面的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。通過分析得到，當(dāng)閥的開口度越小、進(jìn)口速度和出口壓力增大時(shí)，則漩渦區(qū)、能量及壓力損失就越大，阻力、穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力也隨之越大，更易出現(xiàn)氣穴和氣蝕，液體對(duì)閥芯的沖擊、磨損以及腐蝕現(xiàn)象也變得嚴(yán)重，針對(duì)該問題提出了一系列的改進(jìn)措施來改善閥的性能。

針對(duì)現(xiàn)有液壓閥存在密封性差、污染性大等情況，設(shè)計(jì)了先導(dǎo)操縱閥。其結(jié)構(gòu)簡單，工藝性能良好，承壓能力較高，同時(shí)操縱力矩較小，井下維護(hù)方便，可節(jié)省操縱空間，并且O形圈等密封裝置的使用，可以提高密封性能，增強(qiáng)抗污染能力。用AMESim建立先導(dǎo)操縱閥液壓系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行仿真分析。先導(dǎo)操縱閥滿足壓力與流量要求，符合安全與可靠性原則，確保先導(dǎo)操縱閥能夠可靠使用。

1 先導(dǎo)操縱閥液壓系統(tǒng)工作原理

1.1 先導(dǎo)操縱閥的結(jié)構(gòu)原理

在設(shè)計(jì)液壓閥的結(jié)構(gòu)時(shí)，既考慮到能夠?qū)崿F(xiàn)閥的功能，合理布置液體流道，還要考慮液壓閥的工藝性，依照閥具體的技術(shù)參數(shù)要求，設(shè)計(jì)手動(dòng)先導(dǎo)操縱閥結(jié)構(gòu)。主要包括手柄控制機(jī)構(gòu)、先導(dǎo)閥以及主控閥[4]，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

1.螺釘 2.手握轉(zhuǎn)動(dòng)體 3.蓋體 4.凸輪 5.壓球 6.先導(dǎo)推桿 7.先導(dǎo)閥殼體 8.上球閥芯 9.上球閥座 10.中環(huán)體 11.下球閥座 12.下球閥芯 13.先導(dǎo)閥彈簧 14主閥芯控制桿 15.殼體 16.閥墊 17.主閥芯 18.主閥球座 19.主閥球芯 20.彈簧座 21.主閥彈簧 a、b.橫向油道 c、g.低壓油道 d、f.高壓油道 e.推桿油道 A、B.主油口 P.高壓油口 O.低壓油口

手柄控制機(jī)構(gòu)安裝在整個(gè)操縱閥的上端，整個(gè)手柄控制機(jī)構(gòu)是一個(gè)轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)，與手握轉(zhuǎn)動(dòng)體的底面直接接觸的是蓋體。蓋體的空間內(nèi)設(shè)有凸輪，螺釘將手握轉(zhuǎn)動(dòng)體與凸輪連接在一起。手握轉(zhuǎn)動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)凸輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪的下端面加工有兩個(gè)對(duì)稱布置的有一定錐度的環(huán)形槽，環(huán)形槽內(nèi)分別裝有壓球[5]。

主控閥采用對(duì)稱設(shè)計(jì)，含有2個(gè)豎直閥腔，殼體左右兩側(cè)各通有1個(gè)主油口A和B。閥腔內(nèi)主閥部件包括主閥彈簧、彈簧座、主閥球芯、主閥球座、主閥芯、閥墊和主閥芯控制桿。主控閥的殼體內(nèi)加工有2個(gè)豎直油道，其中1個(gè)豎直油道為低壓油道g，將主控閥的低壓油口O與先導(dǎo)閥的低壓油道c連通，另1個(gè)豎直油道為高壓油道f，將主控閥的高壓油口P與先導(dǎo)閥的高壓油道d連通。

先導(dǎo)操縱閥的液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。手動(dòng)先導(dǎo)操縱閥的工作原理：轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，帶動(dòng)凸輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)。凸輪環(huán)形槽中的壓球推動(dòng)與其接觸的先導(dǎo)推桿下移，依次推動(dòng)上球閥芯、下球閥芯下移。下球閥芯脫離下球閥座，從而打開先導(dǎo)閥的高壓油道。來自P口的高壓油液流經(jīng)先導(dǎo)閥腔，進(jìn)入主閥頂部的閥腔中，通過高壓油液推動(dòng)主閥閥芯下移，接通高壓油液，使主油口與外接設(shè)備的高壓油道相通。同時(shí)另一側(cè)的先導(dǎo)閥操縱部件在彈簧的作用下復(fù)位，接通先導(dǎo)閥的低壓油道，關(guān)閉主控閥高壓油道，主控閥低壓油道側(cè)的主閥芯在主閥彈簧的作用下也完成復(fù)位動(dòng)作，同時(shí)主閥低壓油道與外接設(shè)備的低壓油道接通。先導(dǎo)閥和主閥均是由兩個(gè)二位三通閥組成的三位四通閥，扳動(dòng)手柄可實(shí)現(xiàn)一側(cè)先導(dǎo)閥和主閥閥芯的動(dòng)作，從而控制液壓缸完成一個(gè)方向的特定動(dòng)作，向相反側(cè)扳動(dòng)手柄時(shí)，則可實(shí)現(xiàn)油路的換向，完成液壓缸另一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。

1.手柄 2-1.先導(dǎo)閥閥芯1 2-2.先導(dǎo)閥閥芯2 3-1.主閥芯1 3-2.主閥芯2 4-1.液控單向閥1 4-2.液控單向閥2 5-1.溢流閥1 5-2.溢流閥2 6.液壓缸 7.液壓泵 8.油箱

1.2 先導(dǎo)操縱閥的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

先導(dǎo)閥技術(shù)參數(shù)：公稱壓力31.5 MPa，公稱流量20 L/min。主閥技術(shù)參數(shù)：公稱壓力31.5 MPa，公稱流量200 L/min。根據(jù)技術(shù)參數(shù)要求[6]，確定先導(dǎo)操縱閥主要尺寸參數(shù)，如表1所示。

表1 尺寸參數(shù)表 mm

2 先導(dǎo)操縱閥液壓系統(tǒng)仿真

如圖3所示，利用AMESim搭建先導(dǎo)閥的主體模型[7-12]，系統(tǒng)中的其余元件采用AMESim元件庫中現(xiàn)有的子元件，如圖3為先導(dǎo)操縱閥液壓系統(tǒng)的仿真模型。供液系統(tǒng)采用乳化液，系統(tǒng)仿真時(shí)間設(shè)置為10 s，系統(tǒng)運(yùn)行步長為1.0×10-6s，混合誤差模式，許用誤差1.0×10-8s，標(biāo)準(zhǔn)積分器模式，具體參數(shù)根據(jù)上述參數(shù)劃定。

圖3 先導(dǎo)操縱閥AMESim仿真模型

運(yùn)行AMESim求解，得到了先導(dǎo)操縱閥內(nèi)流體反向進(jìn)油口壓力曲線、閥芯位移矢量曲線、閥芯流量曲線、反向回油口流量曲線，如圖4所示。

圖4 先導(dǎo)操縱閥仿真模擬曲線

圖4a為先導(dǎo)操縱閥反向進(jìn)油口的壓力曲線，在反向開啟1 s時(shí)，存在0.3 s時(shí)間，產(chǎn)生約51 MPa的沖擊壓力，該沖擊是額定工作壓力的1.61倍。在3 s穩(wěn)定期過后，同時(shí)，產(chǎn)生約0.5 s的壓力振動(dòng)，壓力降低到約41 MPa，主閥芯開啟，進(jìn)行泄流。

圖4b為先導(dǎo)操縱閥閥芯位移曲線。在圖中，經(jīng)過時(shí)間5 s，乳化液進(jìn)入控制口，壓力達(dá)到約31.5 MPa，控制桿伸出將主閥芯頂開，主閥芯開啟約0.3 mm后閉合，之后重新打開，說明主閥芯發(fā)生頻繁啟閉現(xiàn)象，振動(dòng)持續(xù)大約0.8 s后2個(gè)閥芯同時(shí)開啟。在這個(gè)過程中發(fā)生了振動(dòng)與沖擊，是由于主閥芯開啟的過程中乳化液流過主閥芯口與先導(dǎo)閥芯壓力差造成的，當(dāng)2個(gè)閥芯口以及其內(nèi)部容腔壓力一致后振動(dòng)消失。

圖4c為先導(dǎo)操縱閥主閥芯的流量曲線。閥芯在整個(gè)開啟過程中頻繁開啟，且流量曲線與閥芯的位移曲線相符，其峰值流量約為84 L/min，根據(jù)閥壓力流量特性計(jì)算，當(dāng)給定閥出口壓差為10 MPa時(shí)理論流量約為67 L/min，該計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果較為接近，5～7 s為小流量卸壓階段。

圖4d為先導(dǎo)操縱閥反向回油口流量曲線。在4～6 s為小閥芯開啟階段，此時(shí)峰值流量約為96 L/min。大閥芯在5 s時(shí)同小閥芯同步開啟，大小閥芯第二階段共同振動(dòng)約0.7 s后穩(wěn)定，此時(shí)系統(tǒng)處于泄流階段，穩(wěn)定后流量約為70 L/min，基本與閥公稱流量相符。

綜合得出，在小閥芯打開階段處于小流量卸壓階段，此時(shí)先導(dǎo)閥芯不斷打開關(guān)閉，但是反向進(jìn)油口壓力不斷降低；當(dāng)反向進(jìn)油口壓力降低至控制桿推力大于反向進(jìn)油口壓力對(duì)閥芯的壓力時(shí)，控制桿將兩閥芯同時(shí)推開，先導(dǎo)操縱閥大流量泄流，立柱快速下降。

3 工廠試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)備如圖5所示。該試驗(yàn)設(shè)備由1個(gè)集成安全閥的CY型柱塞泵，1個(gè)用于設(shè)定輸入壓力的手動(dòng)操作安全閥，1個(gè)進(jìn)行測(cè)試的手動(dòng)先導(dǎo)操縱閥和2個(gè)用于設(shè)定輸出端壓力的安全閥組成。測(cè)量儀器包括兩個(gè)壓力傳感器和1個(gè)帶有脈沖計(jì)數(shù)器和電壓轉(zhuǎn)換器的流量計(jì)。傳感器的輸出信號(hào)U為0，…，10 V連接到安裝有16位DAQ卡的計(jì)算機(jī)上?？梢栽趦x表上觀察被測(cè)閥門兩側(cè)的壓力，同時(shí)在顯示器上顯示流量。

1.溢流閥1 2.溢流閥2 3.CY型柱塞泵 4.先導(dǎo)操縱閥 5.壓力表 6.流量計(jì)

柱塞泵具有最大壓力ppmax為31.5 MPa；最大輸送流量Qmax為60 L/min；溢流閥的工作壓力pmax高達(dá)31.5 MPa。試驗(yàn)主要是改變閥芯固定位置，測(cè)量閥口流量與壓力情況，測(cè)量流量的范圍為0～60 L/min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬得到的結(jié)果進(jìn)行比較，如圖6所示，p為壓力差，Q為流量范圍，xg為閥芯的位置變化量。在這種情況下，獲得了中間閥芯位置為最佳。得出在不同閥芯位置和不同流量下，先導(dǎo)操縱閥進(jìn)出口壓力差Δp，如表2所示。

1.仿真數(shù)據(jù)結(jié)果 2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

表2 不同閥芯位置和流量下的進(jìn)出口壓差

4 結(jié)論

(1) 先導(dǎo)操縱閥在反向開啟過程中，產(chǎn)生了2個(gè)階段的振動(dòng)，在泄流初期系統(tǒng)產(chǎn)生了壓力沖擊，閥芯處于中間位置時(shí)，振動(dòng)情況平穩(wěn)，先導(dǎo)操縱閥運(yùn)行最佳；

(2) 在試驗(yàn)先導(dǎo)操縱閥的性能需求時(shí)，與仿真數(shù)據(jù)曲線基本相吻合，驗(yàn)證了先導(dǎo)操縱閥的準(zhǔn)確性，確保先導(dǎo)操縱閥在實(shí)際運(yùn)行中可靠。