高壓高水基液壓閥的理論及設計方法研究.pdf

1、采煤工作面用的液壓支架是一種復雜的煤礦機械，它能夠可靠有效地支撐和控制工作面的頂板，保證工人安全和各種作業(yè)的正常進行。電液控制液壓支架是當前先進采煤技術裝備的重要標志之一，而高壓高水基電磁先導閥是電液控制系統(tǒng)的核心元件，其結構復雜、精密度高，目前世界上只有德國和美國等少數國家研究和生產制造，屬高難技術。我國曾嘗試過自行設計、制造這種液壓閥，但由于沒有運用多學科理論和現(xiàn)代數字技術等手段去深入研究液壓閥的關鍵技術問題，只是憑借經驗和已有的資

2、料進行設計，致使研制失敗。因此，目前我國高壓高水基電磁先導閥仍然依靠進口，成為制約我國采煤技術由機械化向自動化發(fā)展的關鍵技術之一。 本論文首先研究高壓高水基液壓閥的沖蝕磨損與密封泄漏機理等關鍵技術問題。然后，將該成果應用于液壓支架電磁先導閥的理論分析和結構設計中，使基礎研究與實際應用相結合，為成功開發(fā)高水基電磁先導閥提供理論支持。作者以計算流體力學(CFD)理論、分形(FRACTAL)理論與多剛體系統(tǒng)動力學理論等為依托，采用理論

3、、仿真、試驗相結合的方法，建立液壓閥流場仿真模型、泄漏機理模型、動力學仿真模型和系統(tǒng)仿真模型，并進行數值計算分析，為此類液壓閥的設計提供可靠的理論依據。 高水基液壓閥流動過程的壁而磨損行為，嚴重影響液壓閥的使用壽命。作者綜合應用計算流體動力學(CFD)理論與沖蝕(EROSION)理論的分析方法，研究高速高壓條件下液壓閥的沖蝕磨損機理，建立高水基液壓閥流體湍流和沖蝕的數學模型。通過可視化模擬，預測了煤粒對高水基平面閥和球閥不同部位

4、的沖蝕磨損分布，比較準確地確定了沖蝕磨損對關鍵元件的影響區(qū)位和程度。研究閥芯和頂桿間的微動磨損與沖蝕的交互破壞，指出了采用側頂桿結構可以避免磨損疊加。另外，作者對幾種非金屬材料的沖蝕磨損特性進行實驗研究，為高水基液壓閥密封副材料的優(yōu)選提供了依據。 作者使用現(xiàn)代數字技術，開展高水基介質液壓閥氣蝕(CAVIATION)問題的研究，以解決這個難于用實驗方法研究的問題。通過高水基液壓閥流體氣蝕的數學模型,研究高水基液壓閥低壓密封的汽穴形

5、成，找出最易產生氣穴與氣蝕現(xiàn)象的位置。分析表明，低壓區(qū)對應氣體體積百分比高的氣穴區(qū)域，側頂桿結構同樣可以減輕液壓閥的氣蝕磨損。 分形(FRACTAL)幾何學的建立，為研究復雜無規(guī)律的現(xiàn)象提供了新的理論與方法。在考慮端面形貌變化的基礎上，作者提出了基于分形理論研究高水基液壓閥的微觀密封機理的思路。分析了密封副端面粗糙輪廓波谷面積和彈性接觸點面積的微觀接觸機理及相互關系。以縫隙流動的N-S方程為基礎，推導出泄漏量與表面粗糙度、分形參

6、數、密封接觸比壓之間的關系及相應的計算公式，建立了泄漏量分形模型。通過數值仿真，討論了分形參數、密封力與泄漏量問的相互關系，結果表明，控制表面形貌參數可以有效降低液壓閥泄漏量。另外，作者對泄漏量與不同的表面粗糙度、密封比壓、密封而寬度之間的關系進行了試驗研究，得出了具有工程應用指導意義的定量結論。 針對電液控制支架的特殊要求，作者設計了先導閥的螺線管結構電磁鐵。模擬了磁感應強度的大小及其在空間的磁場分布情況，并對電磁鐵的關鍵結構

7、參數進行優(yōu)化，保證該電磁鐵響應速度快，動作平穩(wěn)可靠。通過可視化模擬和分析得知，磁通密度最高的地方是銜鐵與極靴導套端重疊部分，極靴內徑單側間隙的變化對吸力起決定作用。最后，對電磁鐵的吸力特性進行試驗，驗證了數值分析的正確性。 在研究電磁先導閥的運動特性時，虛擬樣機技術有助于做出前瞻性的決策。為了評定先導閥動態(tài)特性，作者引入位移響應曲線來衡量其動態(tài)性能。通過求解先導閥的動態(tài)數學模型，獲得反映動態(tài)特性的數值計算結果。綜合考慮先導閥內部

8、運動元件的接觸碰撞及運動拓撲關系，建立先導閥詳細的三維實體模型。研究阻尼系數、質量和剛度變化對先導閥動力學特性的影響，準確地預知其在實際工況下的動態(tài)性能。根據預定的系統(tǒng)性能和預期的目標反復修正幾何參數，最終達到預期的動態(tài)響應性能，為先導閥的設計開辟了一條新的思路。 電磁先導閥工作口壓力的變化，會引起其內部流場相應變化，而先導閥出口壓力又受到液控主閥、立柱等負載的影響。因此，作者從系統(tǒng)角度對先導閥的動態(tài)響應進行研究，建立了基于AM

9、ESim的支架電液控制系統(tǒng)的仿真模型，得到先導閥工作口的不同壓力、流量響應曲線，為先導閥流場仿真的初始邊界條件的設定提供依據。在此基礎上，研究先導閥的流場分布。根據先導閥的壓力損失、速度分布等隨流量、出口壓力和入口位置的變化關系，確定高水基電磁先導閥的最JI佳合理結構。 本文的研究工作涉及多學科理論和現(xiàn)代試驗技術，主導思想是在創(chuàng)新體系下進行多種學科的交叉與融合，以此途徑對高壓高水基液壓閥的理論問題及設計方法進行研究，從而解決實際