基于AMESim的雙級保護大流量安全閥開啟壓力及流量特性影響因素研究

高宇龍，姚麗英，張占東，張榕慧，郭開璽，郝佩儒，石轉轉

(1.山西大同大學教學實驗與實訓中心，山西大同 037003；2.山西大同大學機電工程學院，山西大同 037003)

0 前言

煤炭資源長期以來作為我國的第一大能源，也是我國經濟高速發展最經濟、可靠的資源[1]。我國煤炭資源的開采方式主要是井工開采。經過改革開放30多年的發展，我國煤炭綜采技術與裝備基本實現國產化，煤炭開采技術正在向智能化方向發展[2]。在智能化綜采工作面的開采設備中，液壓支架是我國現階段綜采技術的關鍵設備之一，它與采煤機、刮板輸送機相互配合，共同完成作業空間維護、采煤、落煤、運煤等作業任務。安全閥為液壓支架的主要安全保護元件，支架受到高壓劇烈沖擊時，要求在一定條件下安全閥排出液體的速度(安全閥的流量)不小于立柱下降時的體積變化率[3]。

FROLOV等[4]對液壓支架受沖擊地壓下的安全閥進行了詳細描述并進行了理論計算，得出在沖擊礦壓下液壓立柱受靜壓和沖擊礦壓作用，并發現所承受壓力的動態壓力曲線為正弦曲線及安全閥開啟溢流對立柱壓力的衰減影響最大。BARMAN[5]以閥芯為彈簧式滑閥的安全閥為研究對象，利用PATRAN和STAR-CD軟件建立了閥腔內的三維CFD模型，通過流體動力學分析，成功地預測了汽蝕，由于汽蝕作用會對閥體和閥芯表面產生較大的腐蝕損傷，該模型同時模擬了實際閥門的腐蝕損傷位置；對滑閥閥芯槽結構進行了優化，有效防止了汽蝕的發生；利用CFD分析并預測了汽蝕發生的位置，并通過對閥內流動的重新分配來控制汽蝕。PYTLIK[6]對在采礦工作過程中液壓支架頂板產生的高壓動載荷作用下的安全閥進行了動力樁試驗，通過測試2排排液孔的彈簧直動式安全閥、氣動式錐座式安全閥、兩級閥開啟時通過閥腔的瞬時最大流量并用卡西歐攝影機記錄了安全閥的開啟時間，最后發現彈簧直動式安全閥開啟時的流量小、兩級閥開啟時延時長、錐座式安全閥的開啟特性最好。LEI等[7]研究了錐形安全閥的流動模型和動態特性，以流量系數為新函數，建立了安全閥孔的流動模型，并考慮了閥體運動引起的流體力和流量變化，同時建立了包括安全閥流動模型的非線性動態模型，結果表明：隨著流量的減小，模擬結果與試驗結果之間的流體力相對差在5%左右增大；振幅峰值的最大相對誤差約為10%；在穩定振蕩狀態下，測量值與仿真結果的振蕩頻率相對誤差約為10%。JIA[8]設計了圓錐形減壓閥結構，建立了非線性模型，得到了安全閥的實際動態特性和安全閥系統的穩定性判據，并對錐形安全閥的特性、設計參數等影響溢流穩定性及動力特性參數的因素進行了分析，結果表明：錐形安全閥閥孔的深度L與進液孔直徑D的比值越大，錐形安全閥系統的穩定性越好；同時，也有效評估并分析了部分影響因子對安全閥瞬態響應的影響，尤其是設計參數D對穩定性的影響。

綜上所述，對大流量安全閥的研究大部分都是針對單作用閥。但是，只有較高壓力時安全閥才會開啟，而在實際煤礦井下生產中，采煤設備工作產生的振動等低壓沖擊也會對液壓支架元件造成一定程度的損壞，顯然，現有安全閥的性能無法滿足工程實踐的要求。雙級保護大流量安全閥可同時滿足在劇烈高壓沖擊及低壓擾動時都能開啟卸荷，這樣的高壓大流量安全閥更迎合智能開采的需求[9]。因此，本文作者根據雙級保護大流量安全閥的理論與仿真分析，確定安全閥的結構參數，為雙級保護大流量安全閥的應用提供參考。

1 雙級保護大流量安全閥的工作原理

大流量安全閥作為液壓支架立柱回路過載的保護元件，其動態性能直接決定液壓支架的安全可靠性。工作時，雙級保護大流量安全閥并聯在支架立柱液壓回路中。雙級保護大流量安全閥主要由一級直動式閥芯、二級差動式閥芯、閥座、閥套、彈簧、套筒、密封圈、防塵罩組成，設有兩個開啟壓力，在劇烈高壓沖擊及低壓擾動時都能開啟卸荷。當液壓支架頂板受到沖擊程度較小、受采煤設備振動擾動等壓力小范圍變動時，一級彈簧直動式閥芯開啟，通過排放液壓系統內小流量的工作液體來緩解立柱回路受到的低壓沖擊，此時二級差動閥芯仍然處于閉合狀態；當頂板受到劇烈沖擊時，一級閥芯開啟的流量不足以卸壓，此時二級閥芯打開，以大流量迅速卸壓，此時，二級差動閥芯在彈簧力的作用下復位，隨著立柱回路壓力的升高，二級閥芯再次開啟，反復循環，直至壓力降到規定壓力，二級閥芯關閉，從而保證液壓支架工作的可靠性。因此，這種雙極保護高壓大流量安全閥在復雜條件煤礦開采及智能化開采中能發揮很好的作用。該雙極保護大流量安全閥結構如圖1所示。

圖1 雙級保護大流量安全閥結構

2 雙級保護大流量安全閥的數學模型

2.1 一級直動閥的數學模型

(1)一級直動閥出液口流量方程

(1)

式中:Cd為流量系數，一般取0.7;W為過流濕周，W=π·d1;x為一級直動閥芯運動位移;ps為安全閥的進液口壓力;p0為安全閥的出液口壓力;ρ為工作介質的密度。

(2)一級直動閥的進液口連續方程

(2)

式中:βe為工作介質的體積彈性模量；Vs1為一級直動閥的閥腔體積；qs1為一級直動閥進液口流量；q1為一級直動閥的流量；A1為一級直動閥入口面積。

(3)一級直動閥閥芯位移微分方程

(3)

式中:m1為一級直動式閥芯的質量；B為阻尼系數；Ks為液動力剛度系數；x0為內彈簧預壓縮量；Kt1為內彈簧剛度系數。

2.2 二級差動閥芯的數學模型

(1)二級差動閥出液口的流量方程

(4)

式中:y為二級差動閥芯運動位移。

(2)二級差動閥的進液口連續方程

(5)

式中:Vs2為二級差動閥的閥腔體積；qs為二級差動閥進液口流量；q2為二級差動閥的流量；A2為二級差動閥入口面積。

(3)二級差動閥閥芯位移微分方程

(6)

式中:m2為二級差動閥芯的質量；ΔA為二級差動閥芯的差動面積；y0為外彈簧預壓縮量;Kt2為外彈簧剛度系數。

3 基于AMESim的雙級保護大流量安全閥的仿真模型及包含安全閥的液壓支架仿真模型

3.1 雙級保護大流量安全閥的仿真模型

根據雙級保護大流量安全閥閥芯結構及工作原理建立其仿真模型如圖2所示。設置一級直動式安全閥的額定開啟壓力為45 MPa、二級差動閥額定開啟壓力為50 MPa，雙級大流量安全閥仿真模型的詳細參數如表1所示。

圖2 雙級保護大流量安全閥仿真模型

表1 雙級保護大流量安全閥仿真模型參數

3.2 液壓支架仿真模型

3.2.1 工作原理

井下液壓支架工作時的3個動作為升架、降架、移架，升架、降架動作通過控制換向閥完成。當液壓支架升架時，乳化液泵站提供的大流量乳化液經換向閥、液控單向閥最終進入液壓立柱下腔；當支架處于支撐狀態時，由于煤礦井下復雜的開采條件，支架受頂板的劇烈沖擊及采煤機設備工作振動等引起的低壓擾動等，此時液控單向閥又起到阻止液壓立柱下腔乳化液反向流回油箱的作用，導致液壓立柱下腔乳化液的壓力迅速增大。為防止立柱下腔乳化液壓力過高，通過調節雙級保護大流量安全閥的開啟壓力來完成一定程度的卸壓，以進一步起到保護液壓元件的作用。其液壓系統簡化回路如圖3所示。

圖3 液壓系統簡化回路

3.2.2 仿真模型

利用AMESim仿真軟件搭建乳化液泵站、換向閥、液控單向閥、液壓立柱、雙級保護大流量安全閥的仿真模型，并按照液壓系統簡化回路進行連接，形成液壓支架仿真模型，如圖4所示。通過控制輸入F的大小來模擬液壓支架頂板受力情況，進而分析安全閥的開啟壓力與流量特性。

圖4 液壓支架仿真模型

為有效分析雙級保護大流量安全閥的開啟壓力與流量隨時間的變化，在AMESim參數設置模塊中，將換向閥型號控制階段設置為2個階段：第一個階段為升柱所需時間3.75 s；第二個階段為液壓立柱的支撐階段6.25 s；力F的信號控制分為7個階段，如圖5所示；其他主要仿真模型參數見表2。

圖5 立柱受力曲線

表2 液壓支架仿真模型參數

4 仿真結果分析

4.1 液壓支架仿真模型結果分析

在AMESim軟件中對液壓支架仿真模型進行參數設置并進行仿真，得到一級直動式閥芯閥腔內的壓力、流量曲線如圖6所示；二級差動式閥芯閥腔內壓力與流量曲線如圖7所示。

圖6 一級直動閥芯閥腔的壓力及出液口流量曲線

圖7 二級差動閥芯閥腔的壓力及出液口流量曲線

結合圖5—圖7可知：液壓立柱升柱至立柱承受工作阻力，一級直動式閥芯、二級差動式閥芯都未開啟，流量均為0；當立柱受到瞬時大于工作阻力的外力作用時，一級直動式閥芯開啟，但未達到二級閥芯開啟壓力，二級差動式閥芯仍處于關閉狀態，閥腔壓力暫時維持在40 MPa；在t=6.95 s時，立柱受到一個瞬時為4 000 kN的外力作用時，閥腔壓力高于50 MPa，一、二級閥芯全部開啟卸荷，一段時間后壓力降至45 MPa以下，二級差動式閥芯關閉，壓力降至40 MPa以下時，一級直動式閥芯關閉。根據安全閥開啟壓力大于等于額定壓力的90%時符合標準，上述安全閥參數滿足一級直動式額定開啟壓力45 MPa、二級差動閥額定開啟壓力50 MPa的設計要求。

4.2 一級安全閥閥芯直徑對開啟壓力的影響

利用參數設置模式下參數研究中的批處理模塊進行一級直動式閥芯的直徑設置，分別設置閥芯直徑dr為10.5、11、11.5、12、12.5 mm，通過仿真得出一級直動式閥芯閥腔壓力、流量曲線如圖8所示。

圖8 不同直徑的一級直動式閥芯閥腔的壓力、流量曲線

由圖8可知：一級直動式閥芯開啟壓力大于40 MPa的閥芯直徑為10.5、11 mm；開啟壓力約等于40 MPa的閥芯直徑為11.5 mm；開啟壓力小于40 MPa的閥芯直徑為12、12.5 mm。

4.3 二級安全閥閥芯直徑對開啟壓力的影響

給定二級差動閥進液口直徑為34 mm，利用參數設置模式下參數研究中的批處理模塊對二級差動式閥芯小端的直徑進行設置。分別設置閥芯小端直徑dR為29、30、31、32 mm，通過仿真得出二級差動式閥芯閥腔壓力、流量曲線如圖9所示。可知：二級差動式閥芯開啟壓力大于50 MPa的閥芯小端直徑為29 mm；閥芯開啟壓力等于45 MPa的閥芯小端直徑為30 mm；閥芯開啟壓力小于45 MPa的閥芯小端直徑為31、32 mm。

圖9 不同直徑的二級直動式閥芯閥腔的壓力、流量曲線

5 結論

本文作者針對目前國內大流量安全閥存在的問題，對雙級保護大流量安全閥進行了數學建模與仿真分析，并對比了分析結果，主要得到以下結論：

(1)利用液壓介質的可壓縮性、閥入口流量連續性方程及出液口流量方程，建立了雙級保護大流量安全閥的數學模型；

(2)借助AMESim軟件驗證了雙級保護大流量安全閥額定開啟壓力分別為45、50 MPa，說明雙級保護安全閥結構參數合理；

(3)可具體結合煤礦井下開采條件復雜程度的不同，通過改變一級直動閥的直徑、二級差動閥小端直徑調節一級直動閥、二級差動閥的額定開啟壓力及流量，從而起到保護液壓支架液壓元件的作用；

(4)在理論研究方面，可為雙級保護大流量安全閥后續的流場分析與動態特性的研究提供參考。