三伸縮立柱底閥的設計

(鄭州煤礦機械集團股份有限公司， 河南 鄭州 450016)

引言

目前國內液壓支架立柱有的三種形式：單伸縮、單伸縮機械加長、雙伸縮。其中雙伸縮立柱伸縮比最大，可以滿足多數煤礦的需求。但少數地區煤層賦存厚度頻繁變化，特別是采區有斷層需要穿過，都需要支架能夠降得更低。這時需要工作面內液壓支架的支護高度范圍非常大，而支架的支護高度是由立柱的調高范圍決定的，而目前使用廣泛的雙伸縮立柱已不能完全滿足使用要求，因此需要研發伸縮比更大的三伸縮立柱，以滿足市場的需要。而三伸縮立柱的缸徑與活柱的面積比更大，這就需要底閥的承壓能力必須要有突破性的提高，才能滿足三伸縮立柱的使用要求。因此建立了三伸縮立柱底閥研發項目，研發承壓能力更強、可靠性更高的底閥以滿足市場的需求。

1 設計參數的確定

依據三伸縮立柱各級缸缸徑為360/280/200，作為參照設計三伸縮立柱底閥，三伸縮立柱的一級缸最高工作壓力為45 MPa，對應的二級缸壓力為74.4 MPa，三級缸壓力為145.8 MPa。這時三伸縮立柱底閥的最大壓差為71.4 MPa，因此設計時確定其密封壓力確定為80 MPa，根據立柱試驗標準，底閥最大密封試驗壓力為120 MPa，因三級缸在采煤過程中時動作較少，所以對流量的要求不高，根據以往設計經驗，確定該底閥在壓差為15 MPa時，流量大于200 L/min，就能夠滿足支架升柱的速度要求。

2 底閥結構設計

由于該底閥的最大密封試驗壓力高120 MPa，所以密封副采用聚甲醛或PEEK等材料已不能滿足設計要求，因此該底閥密封結構采用鋼對鋼的硬密封結構。底閥的結構如圖1所示。

圖1 底閥結構圖

該底閥的關鍵技術是形成密封副的兩個錐面的錐角有一定的角度差， 這樣能保證密封壓力低時密封副的密封形式為線密封，以保證低壓密封性能，當密封壓力升高時，由于鋼材有一定的彈性變形能力，密封副的密封形式會隨著密封壓力的升高由線密封變為面密封，即密封副的接觸有一定的寬度。隨著密封壓力的升高，密封副的接觸面積越來也大，這樣的密封結構使密封壓力和密封副的接觸強度做到了完整的統一。

該底閥正常工作時，閥芯會在液壓力和彈簧力的作用下左右運動，閥芯的運動以調壓絲堵的中心孔為導向，因為該底閥的密封結構鋼對鋼的硬密封，因此對調壓絲堵、閥體、閥芯3個零件的同軸度要求極高，如果這3個零件中任何1個的同軸度達不到要求，該底閥的密封性能就不能保證，甚至無法起到密封作用。調壓絲堵和閥體的配合公差以及調壓絲堵和閥芯的配合公差必須足夠小，否則底閥在關閉的時候，閥芯有少許傾斜，該底閥的密封性能就會受到很大的影響。

由于閥體和閥芯形成密封副的兩個錐面的角度不同，在密封壓力低時，密封副的接觸形式為線接觸，理論上接觸面積為無窮小，隨著密封壓力的升高，閥體和閥芯接觸處會有微小的變形，密封副的接觸面積仍然很小。通過以上分析，閥體和閥芯接觸處是該底閥受力的最薄弱點，應對此處進行強度分析，確定底閥結構強度是否滿足要求。

3 底閥結構強度的有限元分析與計算

首先要簡化分析模型，因為有限元分析是一個近似求解的計算過程，模型越復雜，分析的可靠性、可行性以及計算效率就會越低。

1) 簡化底閥的強度分析模型(見圖2)

2) 參數設置

閥體、閥桿材料：3Cr13

底閥右端的封閉壓力：120 MPa

閥芯所受的彈簧力：900 N

3) 仿真分析結果

從圖3可以得出：底閥的最大壓應力為525.84 MPa。

圖2 簡化后的底閥強度分析模型

圖3 應力云圖

4) 仿真結果分析計算與結論

已知：閥體、閥桿的材料為3Cr13，其力學性能如下：

抗拉強度σb：淬火回火≥735 MPa

條件屈服強度σ0.2：淬火回火≥540 MPa

從《機械設計手冊》查得[σ]為許用應力，[σ]=σ0.2/n；安全系數n=1.2～2.2，現安全系數n取2；則[σ]=σ0.2/n=540/2=270 MPa；擠壓應力[σjy]=njy[σ]，njy=1.5～2.5；現njy取2；則[σjy]=njy[σ]=2×270 MPa=540 MPa。

從圖3得出閥體上密封處的擠壓應力最大值為525.84 MPa，小于540 MPa，故在安全系數為2時，結構強度滿足設計要求。

4 底閥壓力-流量的仿真分析

1) 用AMESim搭建底閥模型(見圖4)

圖4 底閥的AMESim仿真模型

2) 參數設置

入口壓力在0～10 s內勻速由0～30 MPa，彈簧剛度為800 N/mm，彈簧預壓緊力為900 N。

3) 仿真結果

從圖5得出：底閥在壓差15 MPa時，流量為227.588 L/min，滿足設計要求。

圖5 底閥壓力-流量曲線

5 試驗

該底閥的樣機實物照片如圖6所示。在我公司自行研制的大流量綜合試驗臺上對該底閥進行流量特性測試。底閥流量特性試驗結果見表1。

圖6 底閥

底閥型號FDLX底閥編號20140220002試驗壓力/MPa15額定壓力/MPa80測試流量/L·min-1213．41檢測日期2014-01-20

(1) 密封性能試驗：分別向底閥封閉腔打1 MPa和120 MPa的壓力，保壓分別保壓3 min，無泄漏，保壓性能良好，密封性能滿足要求。

(2) 流量特性試驗：試驗臺溢流閥的調定壓力為15 MPa時得到如圖7所示的測試結果。

圖7 試驗壓力為15 MPa時的試驗結果

此時通過底閥的流量213.41 L/min；滿足設計要求，試驗結果與仿真分析結果差別不大，也驗證了仿真分析的準確性。

6 結論

根據試驗結果得出：該底閥能夠滿足設計要求。該底閥的研發成功為高水基超高壓液壓閥的研發提供了借鑒。它對我國大伸縮比液壓支架的研發提供了強有力的支持，具有廣闊的市場前景。

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