張占東，郝毅超

(1.山西大同大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 機(jī)械工程系，山西 大同 037003；2.山西大同大學(xué) 煤礦機(jī)電技術(shù)研究所，山西 大同 037003)

0 引言

液壓支架是煤礦生產(chǎn)中支撐采煤工作面頂板以及底板的重要設(shè)備，它在保證采煤工作面頂板安全支護(hù)、將綜采工作面與采空區(qū)進(jìn)行隔離、防止巖石進(jìn)入回采工作面和推進(jìn)輸送機(jī)、保障煤礦工人生命安全方面發(fā)揮著重要作用。安全閥是液壓支架的重要部件，其作用主要有兩個(gè)方面：①卸荷作用，當(dāng)工作面頂板來(lái)壓時(shí)，安全閥要在達(dá)到其調(diào)定壓力時(shí)卸荷以保護(hù)液壓支架不被頂板壓壞；②卸荷后的支撐維護(hù)，要求安全閥在卸荷之后立刻關(guān)閉，并且維持系統(tǒng)壓力在調(diào)定壓力的90%以上[1]。

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的暢軍亮在文獻(xiàn)[2]中分析了以乳化液為工作介質(zhì)的液壓支架用大流量安全閥的典型工況特性;遼寧工程技術(shù)大學(xué)的王慧在文獻(xiàn)[3]中設(shè)計(jì)了一種新型安全閥，它具有雙極保護(hù)功能;西安科技大學(xué)的劉子川在文獻(xiàn)[4]中采用FLUENT軟件對(duì)德國(guó)進(jìn)口的某液壓支架用安全閥進(jìn)行了仿真分析。本文介紹用于控制煤礦液壓支架立柱下腔壓力的FAD200/42JA型安全閥的主要結(jié)構(gòu)與工作原理，針對(duì)其工作過程中壓力高、流量大的特點(diǎn)，利用FLUENT軟件分析其在不同壓力入口條件下閥芯附近位置處的最大流速變化規(guī)律和在不同速度入口條件下的最大壓力變化規(guī)律。

1 FAD200/42JA型安全閥的工作原理與流場(chǎng)建模

1.1 FAD200/42JA型安全閥基本結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1為FAD200/42JA型安全閥結(jié)構(gòu)示意圖，其工作過程分為以下4個(gè)階段：①當(dāng)系統(tǒng)壓力較小時(shí)，不足以克服彈簧力并推動(dòng)閥芯8運(yùn)動(dòng)，閥芯8上的溢流孔5均未越過密封圈，此時(shí)安全閥處于關(guān)閉狀態(tài)；②隨著系統(tǒng)壓力增大，將使閥芯8克服彈簧力向左運(yùn)動(dòng)，當(dāng)閥芯8上的溢流孔5與導(dǎo)向套6上的密封圈處于同一位置時(shí)，密封圈將在液壓力的作用下被壓入密封槽，此時(shí)安全閥處于臨界打開狀態(tài)；③系統(tǒng)壓力繼續(xù)增大，閥芯8繼續(xù)移動(dòng)，其上的溢流孔5越過密封圈，此時(shí)安全閥開始卸荷，但由于溢流間隙較小，溢流量極低；④閥芯8繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，直到溢流孔5全部從導(dǎo)向套伸出，此時(shí)安全閥閥芯處于完全打開狀態(tài)，溢流量達(dá)到最大。

1-調(diào)壓螺釘；2-彈簧；3-閥體；4-閥瓣； 5-溢流孔；6-導(dǎo)向套；7-螺紋接頭；8-閥芯

本文根據(jù)安全閥的工作過程，分別選取閥芯開度為0.5 mm、0.75 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm的5個(gè)位置進(jìn)行分析，其中開度為2 mm時(shí)即為溢流口全開；將入口邊界條件分別設(shè)置為“壓力入口”類型和“速度入口”類型，而出口壓力邊界條件統(tǒng)一設(shè)置為1個(gè)大氣壓，以研究安全閥在不同入口壓力條件下和不同入口速度條件下閥芯附近位置的流速、壓力變化規(guī)律。

1.2 流場(chǎng)計(jì)算域建模

本文根據(jù)FAD200/42JA型安全閥的三維模型，經(jīng)布爾運(yùn)算得出其過液流道模型，如圖2所示。

將流道模型導(dǎo)入Workbench中，使用ANSYS的默認(rèn)網(wǎng)格劃分方法劃分網(wǎng)格，如圖3所示。

仿真分析選擇純水作為液壓介質(zhì)，其密度為998.2 kg/m3，動(dòng)力黏度為0.001 003 Pa·s，比熱容為4 182 J/(kg·K)。

圖2 FAD200/42JA型安全閥流道模型剖視圖

圖3 FAD200/42JA型安全閥流道網(wǎng)格劃分效果

2 入口壓力對(duì)流速的影響研究

本文根據(jù)安全閥在工作過程中的實(shí)際情況，將入口邊界條件設(shè)置為“壓力入口”類型進(jìn)行仿真求解，求解器的參數(shù)設(shè)置如下：①模型求解器類型選擇穩(wěn)態(tài)模式；②黏性模型選擇雙方程模型κ-ε；③其他條件設(shè)置為FLUENT的默認(rèn)值。

2.1 不同開度條件下溢流口流速隨壓力變化規(guī)律

仿真得到的不同開度下溢流口流速隨壓力變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同開度下溢流口流速隨壓力變化規(guī)律

由圖4可知：在一定開度下，隨著入口壓力增大，溢流口附近流場(chǎng)區(qū)域的最大流速也相應(yīng)增大，且增幅比較均勻；在0.5 mm開度條件下，溢流口附近的最大流速較開度為0.75 mm～2 mm時(shí)明顯偏小，主要原因可能是液體流經(jīng)較小過液截面時(shí)能量損失較大。

2.2 不同壓力條件下溢流口流速隨開度變化規(guī)律

仿真得到的不同壓力下溢流口流速隨開度的變化規(guī)律如圖5所示，2 mm開度不同入口壓力下的流速云圖如圖6所示。

由圖5可知：當(dāng)入口壓力一定時(shí)，隨著閥芯逐漸打開，溢流口附近區(qū)域最大流速呈現(xiàn)快速增大后逐漸平緩，并在開度為1 mm左右達(dá)到峰值，隨著開度繼續(xù)增大，溢流口處的流速又有略微減小的趨勢(shì)，這一點(diǎn)也符合安全閥工作的實(shí)際情況。

由圖6可知：當(dāng)液體流經(jīng)安全閥時(shí)，流速的變化主要是由過液截面的改變引起的，流速變化最大的位置出現(xiàn)在溢流口附近，這是由于液體從閥芯中部流向溢流口時(shí)，過液截面急劇減小，而流量不變，所以流速顯著增大；此外，這個(gè)過程中液體流向也發(fā)生改變，將導(dǎo)致液體有較大的能量損失；由于閥芯末端及閥體左端都是密封的，故這兩個(gè)區(qū)域雖然都充滿了液體，但流速都接近0。

圖5 不同壓力下溢流口流速隨開度變化規(guī)律

圖6 2 mm開度不同入口壓力下的流速云圖

3 入口流速對(duì)壓力的影響研究

將邊界條件設(shè)置為“速度入口”類型，通過分析可以得出在流量一定的情況下，安全閥內(nèi)液體的壓力變化情況，進(jìn)而分析安全閥的溢流能力。仿真計(jì)算時(shí)求解器其余參數(shù)設(shè)置同壓力入口。

3.1 不同開度下流場(chǎng)最大壓力隨入口速度變化規(guī)律

仿真得到的不同開度下流體最大壓力隨入口速度變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 不同開度下流體最大壓力隨入口速度變化規(guī)律

由圖7可以看出：當(dāng)閥芯開度一定時(shí)，溢流口附近的最大壓力隨入口速度的增大而增大，并且隨著入口流速增大即流量增大時(shí)，壓力變化幅度也逐漸增大，由于安全閥公稱流量的限制，當(dāng)入口流速過大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致安全閥工作不穩(wěn)定。

3.2 不同流速下流場(chǎng)最大壓力隨開度變化規(guī)律

仿真得到的不同入口流速下最大壓力隨開度變化規(guī)律如圖8所示，2 mm開度不同入口流速下的壓力云圖如圖9所示。

由圖8可知：當(dāng)液體的入口流速一定即流量一定時(shí)，閥芯開度與溢流口附近最大壓力呈負(fù)相關(guān)，開度越大壓力越?。辉诹魉僖欢〞r(shí)，壓力變化非常大。

由圖9可知：閥芯末端內(nèi)液體的壓力較大，因?yàn)檫@個(gè)區(qū)域內(nèi)的液體流速為0，動(dòng)能全部轉(zhuǎn)化為壓力能，所以靜壓較大；溢流口的右側(cè)易出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，且入口流速越大，產(chǎn)生的負(fù)壓越高；當(dāng)負(fù)壓區(qū)的壓力低于該溫度條件下的飽和蒸氣壓時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象，應(yīng)該盡量避免此現(xiàn)象發(fā)生。

圖8 不同入口速度下流體最大壓力隨開度變化規(guī)律

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了煤礦液壓支架下腔用FAD200/42JA型安全閥的基本結(jié)構(gòu)與工作原理，并利用FLUENT軟件分析了安全閥內(nèi)流場(chǎng)速度與壓力的變化規(guī)律。由仿真結(jié)果可知：溢流口附近由于過流斷面較小，導(dǎo)致流速最大，壓降顯著，且易出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象。故在今后安全閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中對(duì)溢流口的流速應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

圖9 2 mm開度不同入口流速下的壓力云圖

參考文獻(xiàn)：

[1] 李寶金.安全閥流場(chǎng)仿真與動(dòng)態(tài)特性分析[D].太原:太原理工大學(xué)，2012:5-10.

[2] 暢軍亮.高壓大流量安全閥設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[D].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2015：13-25.

[3] 王慧.基于FLUENT的液壓支架雙極保護(hù)安全閥仿真分析[J].煤礦機(jī)械,2009(12):32-34.

[4] 劉子川.安全閥的動(dòng)態(tài)特性仿真及流場(chǎng)分析[D].西安：西安科技大學(xué),2013：10-36.