基于液壓支架用安全閥沖擊性能仿真分析

王新全， 李璇， 馮學俊

（1.淄博礦業集團 機電處，山東 淄博255120；2.中國礦業大學 信電學院，江蘇 徐州221008）

0 引言

液壓支架用安全閥是液壓支架的重要元件之一，當立柱內液體壓力超過安全閥的調定壓力時，安全閥開啟溢流，從而限制立柱內的最高壓力。但是隨著礦井開采深度的增加，使得沖擊地壓成為不可回避的問題，當沖擊地壓發生時，煤巖體中應變力發生突變，大面積頂板快速下沉，給液壓支架帶來巨大的沖擊載荷。這樣便要求安全閥快速卸載，使立柱壓力維持在允許的范圍內。

然而對安全閥動態性能的研究，特別是沖擊性能的研究，在理論及實踐方面均相對較為落后，限制了安全閥及液壓支架的發展水平，因此研究安全閥的沖擊性能具有極大的現實意義。

1 安全閥工作原理

圖1 液壓支架用安全閥工作原理圖

液壓支架用安全閥在支架液壓回路系統中的工作原理如圖1所示。當支架立柱5下腔的壓力P低于安全閥3的開啟壓力P0時，安全閥3處于關閉狀態；當工作面頂板7產生沖擊載荷時，在立柱上部產生壓力源，壓力波會迅速擴大到安全閥和立柱內腔里，造成立柱內腔的壓力迅速上升，直至達到安全閥的開啟壓力P0時，安全閥迅速開啟，立柱中被壓縮的高壓液體從閥口排除，立柱活塞向下滑動，支架迅速卸載，使支架免受沖擊載荷的破壞；當外界負載F停止變化，立柱下腔的壓力低于P0時，安全閥關閉，從而保證力柱下腔有一定壓力來完成對頂板的支護。

2 安全閥仿真模型的建立

在AMESim的液壓元件基礎庫（Hydraulic）中，有已經封裝好的簡單溢流閥模型，但是這種模型只是單純地考慮了溢流閥的開啟壓力和流量之間的壓降關系，它不能反映安全閥本身的慣性特性、彈簧剛度、運動黏度對于閥動態特性的影響等，因此在本文使用AMESim中的液壓元件建模庫（Hydraulic Component Design）進行安全閥模型的建立以及相關的仿真。

本文參照鄭煤機FAD500直動式安全閥的結構搭建安全閥整體模型，如圖2所示。根據安全閥的具體結構參數，仿真模型中的主要參數如下：閥芯泄流孔個數為18（共2排，每排9個）；閥芯直徑為8 mm；泄流孔直徑為2 mm；閥芯零位移遮蓋量：3 mm；質量塊質量為0.14 kg（這部分由閥芯、彈簧和彈簧座的質量換算而來）；最大開啟位移為7 mm；彈簧剛度為45 N/mm；彈簧預壓力為2010 N（調定壓力為40 MPa）。

圖2 安全閥仿真模型

3 安全閥沖擊性能仿真模型的建立

本文所設計的一種安全閥沖擊性能試驗系統以蓄能器為動力源，可為系統提供短時大流量的高壓液體，為被試安全閥提供近似階躍的壓力和流量，模擬液壓支架在頂板來壓時所受沖擊載荷的工況，其仿真模型如圖3所示。

圖3 安全閥沖擊性能仿真模型

其中值得說明的是，插裝閥組是液壓系統流量控制元件，在仿真模型中包括先導插裝閥8、主插裝閥9和可調阻尼7。先導插裝閥8閥芯直徑為25mm，閥芯質量為0.10kg，閥芯最大位移為7 mm，彈簧剛度為1.5 N/mm，彈簧預壓力為16N；主插裝閥9閥芯直徑為50mm，閥芯質量為2.5kg，閥芯最大位移為20 mm，彈簧剛度為10 N/mm，彈簧預壓力為200N；插裝閥組阻尼7當量直徑為10 mm。

4 仿真結果分析

進入AMEsim運算模式設定：仿真起始時間0 s，仿真終止時間1.5 s，計算時間間隔0.001 s，標準積分器，單次運行模式，計算允差10×10-5，誤差類型設置為混合（包括相對誤差和絕對誤差），動態仿真模式，然后運行仿真。

圖4 被試安全閥開啟瞬間壓力、流量仿真曲線

從圖4曲線中可以看出，插裝閥組電磁換向閥0.1 s時得電，由于電磁閥、先導插裝閥、主插裝閥、被試安全閥的響應速度和液體的慣性作用，壓力和流量的上升有一定的延時，在0.127 s時安全閥前壓力由預充液壓力開始上升；0.134 s時閥前壓力升至42.9 MPa，安全閥流量開始上升；0.141 s時壓力最大為58.5 MPa，此刻流量646 L/min；在0.143 s時刻流量達到最大值675 L/min；然后安全閥壓力、流量持續震蕩衰減。計算表明，安全閥前由預充液壓力升至峰值壓力所需時間14 ms，安全閥開啟時間8 ms，符合歐洲標準EN1804-3對液壓支架安全閥沖擊性能的要求。

5 結語

本文指出安全閥的沖擊性能對液壓支架的整體性能具有重要影響，并通過仿真軟件AMESim建立了安全閥沖擊性能仿真模型，對所得到的被試安全閥壓力、流量的仿真曲線進行了分析與研究，指出被試安全閥符合歐洲標準EN1804-3對液壓支架安全閥沖擊性能的要求。

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