張敬芳，王進京，尹彥超，郝尚清，魏碩

(1.太原科技大學機械工程學院，山西太原 030024；2.太重煤機技術中心，山西太原 030032)

0 前言

經過改革開放40多年的創(chuàng)新發(fā)展,中國煤礦在開采技術方面取得了舉世矚目的成就，我國煤礦實現(xiàn)了從普通機械化、綜合機械化到自動化的跨越, 并開始向智能化邁進, 為我國經濟社會發(fā)展提供了可靠的能源保障[1-2]。

隨著礦井機械化程度的不斷提高，煤礦粉塵問題日趨突出。當采煤工作面的粉塵濃度超過一定標準時，不僅會嚴重污染工作環(huán)境，也將會嚴重影響作業(yè)工人的健康。在采煤機實際運行的過程中，還存在瓦斯帶來的安全隱患。針對上述兩種問題，采煤機上的噴霧系統(tǒng)就起到了關鍵性的作用。但目前各種型號采煤機的噴霧管路系統(tǒng)中應用較多的流量控制閥在人工設定其過流口面積的大小后，不能自動調節(jié)流量，很容易造成壓力水的流量分配不均勻[3-8]。因此，流量控制閥和其進出口節(jié)流面積特性一直是研究熱點，許多學者在這方面做了大量的工作。冀宏等人[9]在2003年就解析推導了3種典型復雜閥口過流面積及等效閥口面積特性，并與實驗測量和流場計算得出的等效閥口面積進行了比較。吳曉明等[10-11]基于Fluent軟件平臺，利用等效閥口面積原理理論計算了U+K形節(jié)流槽的過流面積及液動力，繪制了液動力曲線，并與仿真值進行了比較。羅艷蕾等[12]以某型號多路閥的斗桿聯(lián)為分析對象，推導出閥口面積的計算公式，使用MATLAB編程得出閥口過流面積曲線、流量曲線，并比較不同形式節(jié)流槽兩種曲線的區(qū)別，分析其對微動特性的影響。周永飛等[13]推導了幾種常見節(jié)流槽過流面積的計算公式，并根據(jù)Fluent軟件對利用該公式所算出的過流面積進行了驗算。以上研究分別用實驗和軟件仿真的方法分析了不同類型節(jié)流閥口過流面積的特性，但是當這些液壓閥運用在采煤機噴霧系統(tǒng)上時，均不能很好地適應進出口壓力的變化，保持出口流量的穩(wěn)定。

本文作者所研究的流量控制閥的出口，由于自身的結構特性，能夠適應進出口流場特性的變化，實現(xiàn)出口流量的穩(wěn)定。通過Fluent仿真，研究閥出口的流場特征；根據(jù)流場特征，推導出口節(jié)流面積的計算公式，并對比仿真結果和理論分析結果。

1 礦用新型流量控制閥的節(jié)流出口介紹

礦用新型流量控制閥的節(jié)流口結構如圖1所示，它位于閥蓋一端的圓柱形結構上，在其圓周方向上有4個結構完全相同且成對稱分布的節(jié)流口。

圖1 礦用新型流量控制閥的出口結構

2 仿真分析

2.1 網格模型和仿真參數(shù)

把礦用新型流量控制閥的三維模型導入Fluent中，生成流道模型，并進行簡化。采用四面體的非結構方法進行網格劃分。由于閥結構的對稱性，綜合考慮計算機的性能，得到閥的1/4網格模型如圖2所示。

圖2 礦用新型流量控制閥的流道模型

采用基于壓力基的求解方法及κ-epsion標準模型，設水的密度為998.2 kg/m3、閥的入口壓力為4 MPa、出口壓力為0。

2.2 仿真結果

設閥芯位移x分別為0.5、3、8.5 mm，將此時的三維模型分別導入到Fluent中進行仿真計算，得到閥出口的三維壓力云圖和對應的平面投影壓力云圖如圖3—圖8所示。

由圖3—圖8并結合實際經驗[14]可知：無論閥芯位移使得閥芯位于節(jié)流口何處位置，出口的過流面積都可以用它在平面上的投影面積近似代替。

圖3 x=0.5 mm時出口三維壓力云圖

圖4 x=0.5 mm時出口平面投影壓力云圖

圖5 x=3 mm時出口三維壓力云圖

圖6 x=3 mm時出口平面投影壓力云圖

圖7 x=8.5 mm時出口三維壓力云圖

圖8 x=8.5 mm時出口平面投影壓力云圖

3 礦用新型流量控制閥的節(jié)流出口面積理論分析

圖9—圖11為不同閥芯位移時的計算簡圖。設△OP1P2的半頂角為α、節(jié)流圓口的直徑為D、閥芯初始位置到截面口的距離為L?！鱋P1P2的面積為S1、扇形OP1P2的面積為S2、遮蓋面積為S3、過流面積為S4、閥芯位移為x，并建立笛卡爾直角坐標系。為便于分析問題，取自動控制閥中彈簧未受力時閥芯最右端的位置為坐標原點、橫向為X軸、縱向為Y軸。

(1)當0

圖9 0

此時的過流面積等于整個圓的面積:

S4=π/4×D2

(1)

(2)當L

圖10 L

(2)

(3)

S3=S2-S1

(4)

(5)

(3)當L+D/2

圖11 L+D/2

此時：

(6)

(7)

S4=S2-S1

(8)

4 礦用新型流量控制閥的節(jié)流出口面積實驗對比分析

根據(jù)公式(1)—(8)，運用MATLAB編制相應的程序代碼，可以得到閥出口過流面積的特性曲線。

再根據(jù)仿真計算得到的礦用新型流量控制閥的節(jié)流出口壓力和流量關系，由流量公式Q=CAΔpφ[15]可以反算出過流面積，其中：孔口形狀系數(shù)C=0.03；由節(jié)流口形狀決定的節(jié)流閥指數(shù)φ=0.75，理論計算和仿真計算過流面積的對比如圖12所示。

從圖12可以看出：仿真計算與理論計算的出口節(jié)流面積的變化趨勢基本相同，當閥芯位移較小時，理論計算的出口節(jié)流面積大于仿真計算的結果，這時閥口開始發(fā)生躍遷，所以此時的誤差較大；隨著閥芯位移的增大，兩者的誤差越來越小，大約在閥芯位移為8.5 mm時，兩者結果基本相同；當閥芯位移大于8.5 mm時，仿真計算的出口節(jié)流面積大于理論計算結果，這時壓力變化比較大，所以此時的誤差再一次變大。

圖12 礦用新型流量控制閥的過流面積對比

5 結論

采用Fluent軟件對不同位移下礦用新型流量控制閥的節(jié)流出口的流場進行了仿真，確定了理論推導的計算方法；對流量控制閥的節(jié)流口出口過流面積進行了研究。結果表明：仿真模擬和理論推導相互驗證的方法原理簡單、計算精度高，為礦用新型流量控制閥的流量和壓力特性研究提供了參考。