張 賽，李提建，張德生，李艷鵬

1中煤科工開(kāi)采研究院有限公司 北京 100013

2煤炭科學(xué)研究總院有限公司 北京 100013

液壓支架作為煤礦綜采工作面機(jī)械化開(kāi)采的關(guān)鍵設(shè)備之一，主要負(fù)責(zé)工作面頂板支護(hù)和自主跟隨采煤機(jī)作業(yè)。支架的液壓系統(tǒng)主要由立柱控制回路、推移控制回路和其他千斤頂控制回路組成，液壓缸的種類、數(shù)量多，為避免液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)不平穩(wěn)和竄動(dòng)，在液壓缸中設(shè)置了節(jié)流孔等阻尼元件，以控制支架動(dòng)作速度。但隨著工作面的加長(zhǎng)，進(jìn)液節(jié)流孔造成的壓力損失和回液節(jié)流孔產(chǎn)生的背壓已不容忽視，經(jīng)常出現(xiàn)液壓支架需進(jìn)行移架時(shí)，推移液壓缸移動(dòng)速度緩慢的現(xiàn)象[1-2]。

液壓系統(tǒng)中的供液壓力不變時(shí)，系統(tǒng)液阻及負(fù)載特性是決定液壓缸運(yùn)行速度的 2 個(gè)關(guān)鍵因素[3]，一旦負(fù)載阻力、回液背壓及壓力損失之和與泵站壓力平衡時(shí)，就無(wú)法通過(guò)增大流量來(lái)提高速度。因此，為獲得精確的壓力損失數(shù)值，指導(dǎo)超長(zhǎng)工作面液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)支架移動(dòng)速度緩慢的現(xiàn)象，需對(duì)節(jié)流孔的液阻特性開(kāi)展研究。

目前對(duì)節(jié)流孔的液阻特性研究主要集中在油液介質(zhì)或純水條件下，而對(duì)乳化液條件下的液阻研究較少。筆者通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，獲得基于乳化液條件下，液壓缸節(jié)流孔在不同流量下的實(shí)際壓力損失值，分析其全流量-壓差特性，可為液壓支架在不同供液情況下的移架速度計(jì)算和仿真提供精確數(shù)據(jù)。

1 推移液壓缸節(jié)流孔模型

以推移液壓缸為例，為保證其工作時(shí)拉架力大于推溜力，一般采用倒裝結(jié)構(gòu)。在拉架時(shí)，無(wú)桿腔進(jìn)液，有桿腔回液；推溜時(shí)，有桿腔進(jìn)液，無(wú)桿腔回液。阻力主要受頂?shù)装迥Σ撂匦约耙鹤栌绊懀虼顺Ｌ幱诟邏鹤冐?fù)載工況，容易造成動(dòng)作不平穩(wěn)。為滿足系統(tǒng)速度和壓力控制功能，通過(guò)節(jié)流孔的阻尼作用來(lái)控制。典型的推移液壓缸節(jié)流孔結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 推移液壓缸節(jié)流孔結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of throttle orifice of pushing hydraulic cylinder

節(jié)流孔作為固定液阻，其有多種形式，比較常見(jiàn)的有縫隙、薄壁孔、細(xì)長(zhǎng)孔，以及介于薄壁孔和細(xì)長(zhǎng)孔之間的混合液阻[4]。直徑和長(zhǎng)度是節(jié)流孔的基本參數(shù)，當(dāng)長(zhǎng)徑比在 0.5～ 4.0 之間時(shí)，稱為短孔；當(dāng)長(zhǎng)徑比大于 4.0 時(shí)，稱為細(xì)長(zhǎng)孔。

對(duì)于細(xì)長(zhǎng)孔，其主要為沿程阻力損失，這是因?yàn)榻橘|(zhì)的黏性摩擦所造成。當(dāng)流體流經(jīng)細(xì)長(zhǎng)孔時(shí)，其流動(dòng)狀態(tài)為層流，此時(shí)其流量與壓差曲線為線性關(guān)系，液阻值為其斜率值固定不變。

細(xì)長(zhǎng)孔流量公式[5]：

式中：qL為細(xì)長(zhǎng)孔流量；d為細(xì)長(zhǎng)孔直徑；μ為介質(zhì)運(yùn)動(dòng)黏度；l為細(xì)長(zhǎng)孔長(zhǎng)度；ΔpL為細(xì)長(zhǎng)孔兩端壓差。其液阻

短孔型液阻壓力損失與細(xì)長(zhǎng)孔型液阻的壓力損失不同，為局部阻力損失。常規(guī)計(jì)算中，短孔的壓差流量計(jì)算公式和薄壁小孔類似，

式中：qS為短孔流量；Cd為與孔有關(guān)的流量系數(shù)，雷諾數(shù)較大時(shí)，約為 0.8；A0為短孔截面積；ΔpS為短孔兩端壓差；ρ為介質(zhì)密度。

在液壓系統(tǒng)中，流體在流動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多種形式的摩擦，其流量表達(dá)形式不盡相同，可歸納為一個(gè)通用公式：

式中：q為流量；C為由孔的形狀、尺寸和液體性質(zhì)決定的系數(shù)；m為由節(jié)流口形狀和結(jié)構(gòu)所確定的系數(shù)，0.5＜m＜1.0。當(dāng)節(jié)流口近似于薄壁孔時(shí)，m接近于 0.5；當(dāng)節(jié)流孔近似于細(xì)長(zhǎng)小孔時(shí)，m接近于 1.0。

式(1)～ (4) 主要針對(duì)液壓油介質(zhì)，對(duì)于乳化液而言，密度和黏度更接近于水，流動(dòng)更為復(fù)雜，以 40℃ 時(shí)為例，水的運(yùn)動(dòng)黏度為 0.661×10-6Pa·s，為相同溫度下 46 號(hào)液壓油的 1/70，且液壓缸實(shí)際阻尼由于結(jié)構(gòu)影響變化較大，因此對(duì)液阻進(jìn)行精確計(jì)算需要試驗(yàn)測(cè)定。

對(duì)于液壓缸而言，R1、R2為進(jìn)液節(jié)流孔和回液節(jié)流孔的液阻，則液壓缸總液阻R是兩者串聯(lián)，若通過(guò)液阻R1、R2的流量和等效液阻R的流量相同時(shí)，等效液阻應(yīng)為兩者之和，

串聯(lián)時(shí)的壓力分配特性和各液阻值有關(guān)，液阻越大，相應(yīng)環(huán)節(jié)的壓降越大[6]。

2 節(jié)流孔液阻特性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

節(jié)流孔液阻特性試驗(yàn)系統(tǒng)由泵站、流量計(jì)及壓力傳感器等組成，如圖2 所示。試驗(yàn)使用 2% 濃度的乳化液作為介質(zhì)，通過(guò)大、小流量泵組合以測(cè)試大流量范圍下的節(jié)流孔液阻特性。通過(guò)高頻率數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲取節(jié)流孔前后的壓差 Δp，每種工況測(cè)量多次取平均值。為了確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)前需對(duì)壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。

利用測(cè)試系統(tǒng)分別對(duì) 6 種不同直徑的液壓缸節(jié)流孔進(jìn)行液阻特性試驗(yàn)，節(jié)流孔直徑D分別為 3、4、5、7、10、12 mm，節(jié)流孔長(zhǎng)度l=10 mm，如圖3 所示。

圖3 不同規(guī)格的節(jié)流孔Fig.3 Throttle orifices of different specifications

2.2 結(jié)果分析

將測(cè)得的節(jié)流孔壓差和流量試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合成曲線，其中 3 種不同直徑節(jié)流孔的液阻特性變化規(guī)律如圖4 所示，可據(jù)此計(jì)算任一流量下的壓差值。在 200 L/min 流量條件下，3 種節(jié)流孔的壓力損失分別為1.7、8.3、21.8 MPa。常用推移液壓缸的液控閥流量為 400 L/min，若選用 10 mm 節(jié)流孔，造成的壓力損失達(dá)到了 6.4 MPa，因此，分析液壓支架的移動(dòng)性能時(shí)，不能忽視其節(jié)流孔的液阻帶來(lái)的影響。從各擬合曲線可看出液壓缸節(jié)流孔的液阻特性符合短孔特征，但由于通流面積A以及流量系數(shù)m的不同，各節(jié)流孔的液阻特性差異也較大。

圖4 不同直徑節(jié)流孔的流量-壓差曲線Fig.4 Flow and pressure difference curves of throttle orifices with different diameters

通過(guò)節(jié)流孔試驗(yàn)得到的流量-壓差曲線與理論曲線對(duì)比如圖5 所示，可看出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合出的節(jié)流公式與短孔理論公式的變化趨勢(shì)較為接近，但仍存在一定差值。實(shí)測(cè)數(shù)值普遍低于理論值，尤其是當(dāng)節(jié)流孔孔徑較小時(shí)，差值較大。分析發(fā)現(xiàn)：一方面，由于短孔理論模型中流量系數(shù)Cd一般取 0.8，實(shí)際上流量系數(shù)雖不受流量變化的影響，但會(huì)隨著孔徑的減小而減小，如D=10 mm 的節(jié)流孔流量系數(shù)Cd≈0.75，D=7 mm 的節(jié)流孔流量系數(shù)Cd≈0.70，需通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定；另一方面，在節(jié)流孔長(zhǎng)度不變時(shí)，隨著直徑的減小，內(nèi)部液體流動(dòng)狀態(tài)趨向于層流，而指數(shù)m也隨之逐漸增大。而且短孔理論模型中還忽略了壓力增加造成的密度增加而帶來(lái)的影響。

圖5 不同節(jié)流孔試驗(yàn)值與理論對(duì)比曲線Fig.5 Comparison of experimental values and theoretical curves of different throttle orifices

3 結(jié)語(yǔ)

以液壓缸為研究對(duì)象，闡述了推移液壓缸的工作原理，對(duì)液壓缸節(jié)流孔的液阻特性進(jìn)行了分析，構(gòu)建了液壓缸串聯(lián)液阻理論模型。通過(guò)流量壓差試驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)測(cè)了乳化液介質(zhì)下多規(guī)格節(jié)流孔的壓差，擬合出全流量-壓差曲線，可以預(yù)測(cè)任一流量下的壓力損失值，為液壓缸節(jié)流孔選型提供參考。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果與理論值差異進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在節(jié)流孔長(zhǎng)度不變時(shí)，理論模型中的流量系數(shù)Cd會(huì)隨著孔徑的減小而減小，而指數(shù)m隨之逐漸增大，而且短孔液阻理論模型中忽略了壓力增加造成密度增加的影響，具體數(shù)值需要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定。