液壓支架用大流量安全閥發(fā)展綜述

1、大流量安全閥通常是指流量在100L/min以上的安全閥,其工作狀態(tài)表現(xiàn)為瞬變過程,具有動作時間短、壓力高、流量大,用動態(tài)壓力超調(diào)率、開啟時間、壓力穩(wěn)定時間和動態(tài)穩(wěn)定性等動態(tài)性能指標1來衡量動態(tài)性能或以此作為動態(tài)設(shè)計的依據(jù)。它在液壓支架上的使用,避免有沖擊地壓頂板和堅硬難冒頂板造成的液壓支架的立柱壓彎、壓粗、爆裂及頂梁和底座箱等焊接構(gòu)件開焊、斷裂,節(jié)省大筆的維修費用,延長液壓支架的使用壽命,提高采煤效率,贏得可觀的經(jīng)濟效益。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計,在我國一些礦區(qū),如:京西、大同、義馬及神府等礦區(qū),沖擊地壓和周期來壓強烈,有20多個礦區(qū)發(fā)生過沖擊地壓,總計300多次。70年代后,由于廣泛地采用了液壓支架,

2、改善了煤礦的支護條件,能經(jīng)受住一般沖擊載荷的考驗,但較大的沖擊載荷尚存在危險性,如大同四礦引進英國道梯4×550液壓支架,兩年時間損壞支柱以及活塞桿彎曲或折斷,損壞的主要原因是立柱不能適應(yīng)上述有沖擊載荷頂板的工作,過載損壞,因為頂板突然來壓時,立柱缸體內(nèi)瞬間產(chǎn)生高速高壓液體沖擊,立柱內(nèi)的高壓液體能量來不及釋放,以致超過立柱缸體材料許用極限應(yīng)力而損壞2。因此,幾十年來各科研院所始終致力于研制適應(yīng)于頂板動載荷的大流量安全閥。1液壓支架用大流量安全閥發(fā)展現(xiàn)狀目前國外液壓支架用安全閥的流量已經(jīng)發(fā)展到1000L/min,支架用閥設(shè)計早在80年代就已經(jīng)開始使用流道的有限元分析,而閥的加工制造也從

3、1970年機床進入計算機數(shù)控(CNC階段時就進入了高精度、高效率的生產(chǎn)周期3。我國對大流量安全閥的研究始于十九世紀八十年代。1981年中國礦業(yè)學(xué)院張家鑒對充氣安全閥穩(wěn)定性做出了分析,通過對彈簧式結(jié)構(gòu)中彈簧鋼的剛度與充氣式結(jié)構(gòu)中氣體彈簧的剛度進行理論對比,進而得出以壓縮氣體作為安全閥的彈性元件,可以獲得很小的剛度,減小閥的振動,從而增加了閥的穩(wěn)定性這一結(jié)論。兩年后張家鑒又通過對充氣柱塞式安全閥的靜態(tài)超調(diào)比及所要求的氣體剛度,柱塞直徑,充氣室等價長度,充氣室總體積和充氣壓力等四項主要參數(shù)的計算、選取與分析,提出了液壓支架用充氣柱塞式安全閥的計算方法。1982年無錫煤礦機械廠陳星止對國外引進的綜采設(shè)

4、備液壓支架安全閥進行了測繪。通過對十一種安全閥的測繪,了解了各國支架安全閥設(shè)計中的一些問題,得出結(jié)論:密封形式以柱塞為主;加大柱塞直徑和彈簧尺寸可提高安全閥封閉壓力;彈簧以圓柱彈簧為主并采用小剛度大直徑;充氣式安全閥靜態(tài)超調(diào)率小性能優(yōu)越。1986年山東礦業(yè)學(xué)院的李金良,對高壓安全閥的阻尼位置與動態(tài)特性的關(guān)系進行研究。詳細分析了閥前阻尼、閥中阻尼、閥后阻尼,最終得出閥前阻尼的穩(wěn)定性好。1987年煤炭科學(xué)院南京研究所的徐良,針對國內(nèi)外液壓支架安全閥廣泛采用的三種密封形式(平面式、錐面式、柱塞式和支架安全閥中液體流動狀態(tài)為高壓、大流量、大雷諾數(shù),且流道幾何形狀復(fù)雜這一特點,在與實際接近的假設(shè)條件下,

5、全面分析了三種基本密封形式安全閥在高壓作用下流體的流動特性,并在理論分析的基礎(chǔ)上進行了實驗研究。1988年李昌熙等通過對液壓支架用大流量安全閥的工況特點的分析,提出了大流量安全閥的性能評價指標(動態(tài)壓力超調(diào)率、開啟時間、穩(wěn)壓時間、穩(wěn)定性、動態(tài)關(guān)閉壓力,并對大流量安全閥結(jié)構(gòu)進行了擬定(采用充氣式、錐面密封、無阻尼元件的差動結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上,進行了大流量安全閥的優(yōu)化設(shè)計,對樣機進行了模型試驗和計算機仿真。1990年王慧、隗金文應(yīng)用功率鍵合圖法原理建立數(shù)學(xué)模型,在計算機上對液壓支架用大流量安全閥的數(shù)字仿真與試驗臺試驗結(jié)果的比較,得出大流量安全閥的可行性及其設(shè)計依據(jù)。1994年王燕寧、宋寶令提出了我國

6、安全閥合理流量系列,論述了安全閥設(shè)計的優(yōu)化方法,建立了以靜動態(tài)性能最優(yōu)為目標函數(shù)的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,并以帶閥后阻尼的液壓支架用大流量安全閥發(fā)展綜述趙麗娟李鴻巖(遼寧工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院,阜新123000摘要:表述了大流量安全閥的定義、性能及在液壓支架上使用的必要性,回顧了國內(nèi)外液壓支架用大流量安全閥的發(fā)展,指出了現(xiàn)階段存在的問題,并對今后的發(fā)展趨勢進行了展望,為進一步對大流量安全閥的研究提供了可靠依據(jù)。關(guān)鍵詞:液壓支架仿真模型安全閥動態(tài)特性設(shè)計與研究17現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備2009第1期總第188期錐閥結(jié)構(gòu)為例說明了此方法的應(yīng)用。1999年中國礦業(yè)大學(xué)曾慶良等列寫了大流量安全閥及液壓支架立柱系統(tǒng)

7、的數(shù)學(xué)模型線性化后的拉普拉斯變換表達式,以頂板的下降速度作為階躍信號輸入,以液壓支架立柱腔內(nèi)壓力作為輸出建立系統(tǒng)仿真方塊圖。采用BASIC語言編制仿真程序,并用BASCOM進行編譯,仿真時只要輸入閥的有關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù),仿真程序便會自動生成各典型環(huán)節(jié)系數(shù)及連接矩陣,輸出仿真結(jié)果。2001年煤炭科學(xué)研究總院太原分院李秀軒研制出了ZAF1250/45型大流量安全閥,彈簧選擇了大直徑和絲徑的螺旋壓簧,材質(zhì)選用60Si2CrVA,外表面采用了鍍鋅工藝,兩端磨平。該設(shè)計突破了以往小直徑,多圈數(shù)的模式,增大了使用范圍,提高了使用壽命。排液采用了一個低壓錐閥來完成。2004年太原理工大學(xué)的杜嵐松就氣體彈簧非線性模

8、型、非線性誤差對安全閥系統(tǒng)動態(tài)性能的影響,提出了氣體彈簧非線性剛度的線性化方法和計算公式,研究結(jié)果對充氣式安全閥靜、動態(tài)特性分析及閥的設(shè)計具有重要的參考價值;兗礦集團興隆莊煤礦韓紀志、張善波,通過對安全閥結(jié)構(gòu)進行動態(tài)可靠性優(yōu)化設(shè)計,采用低損耗二級卸載的大流量安全閥結(jié)構(gòu),研制出了300L/min大流量安全閥;鄭州煤礦機械集團有限責(zé)任公司液壓中心羅開成對液壓支架安全閥閥副橡膠圈過柱塞徑向孔型的密封結(jié)構(gòu)進行改進,采用0形密封圈加聚四氟乙烯骨架的組合密封結(jié)構(gòu)形式代替0形密封圈,很大程度上提高了液壓支架安全閥的壽命及卸載能力。2006年煤炭科學(xué)研究總院的韓偉研制出的最新大流量TMFA7400安全閥,實際

9、上它是小流量安全閥和大流量安全閥集成到一起的安全閥,在小流量時,只有一個閥芯在卸液,是小流量安全閥,其性能與百升安全閥一致;當(dāng)頂板下沉速度大時,7個閥芯全部開啟,體現(xiàn)大流量安全閥特性4。TMFA7400安全閥避開了增加泄液孔數(shù)量而增大閥芯直徑帶來液壓作用面積與閥芯直徑成平方關(guān)系增大的弊端,采用增大周長的辦法,借用百升安全閥BSYF成熟經(jīng)驗,設(shè)計出的7芯結(jié)構(gòu)。2007年鄭州大學(xué)王永強以鄭州煤礦機械集團液壓中心研制的一種新型FAD160/40安全閥5為研究對象,根據(jù)該安全閥的結(jié)構(gòu)特點,對其在支架上的實際應(yīng)用系統(tǒng)進行液壓動力學(xué)分析,建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,得到了一組微分方程,用四階龍格庫塔法進行求解,

10、建立了系統(tǒng)的仿真模型。通過設(shè)計和搭建實驗系統(tǒng),完成了對該閥動態(tài)特性指標的測試,得出在輸入信號突變時的動態(tài)響應(yīng)曲線,與仿真模型進行對比分析,驗證了模型的正確性,并進一步利用該模型分析了安全閥關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的影響,得出了一系列有益的結(jié)論:(1增加安全閥調(diào)定壓力和減少過閥流量均有助于減少系統(tǒng)超調(diào)量。(2增加閥芯溢流孔的面積,可使溢流時的液阻變小,能夠減少超調(diào)量。(3選擇合適的摩擦阻力有利于提高安全閥的穩(wěn)定性。(4當(dāng)彈簧剛度增加時,可使閥芯的振蕩減緩,但同時會由于閥芯運動時間和升壓時間加長,導(dǎo)致超調(diào)量增加,過渡過程時間加長。(5適當(dāng)增大各部分液容能有效地減緩閥芯振蕩。隨著我國煤炭開采

11、技術(shù)的不斷發(fā)展,支架安全閥技術(shù)有了很大進步:閥的流量己經(jīng)從80L/min發(fā)展到1000 L/min;結(jié)構(gòu)上也從單純的球密封發(fā)展到錐面密封、平面密封和硬密封;材質(zhì)上向抗污染、防腐蝕方向發(fā)展;分析計算方法上出現(xiàn)了控制框圖法、鍵合圖法和流體有限元法,但還存在很多有待解決的問題:(1設(shè)計方法落后。支架液壓安全閥設(shè)計往往是憑借經(jīng)驗和已有的資料,一般都不進行閥流道的壓力分布和流速矢量分布的分析,由于缺少必要的計算,只能是小批量樣機生產(chǎn)后,開始試驗室試驗,然后改進設(shè)計,再生產(chǎn),再試驗,一個閥要經(jīng)過多次這樣循環(huán),從開始試驗到最終定型成批生產(chǎn)花費大量的精力。(2鋼絲彈簧式結(jié)構(gòu)簡單,性能可靠,但鋼絲彈簧的力學(xué)特性

12、是線性的,導(dǎo)致安全閥穩(wěn)定性能差、靜態(tài)超調(diào)性大。(3在粉塵較大的工作面,安全閥的排液機構(gòu)排液不順暢。(4充氣閥相對來講比較復(fù)雜,穩(wěn)定性能、靜態(tài)超調(diào)性能、流量性能與彈簧式安全閥相比都較之優(yōu)越,其缺點是氣體膨脹系數(shù)大,使充氣壓力值隨環(huán)境溫度波動且氣體易泄露。(5密封件的壽命短。(6安全閥的防腐防銹工藝有待提高。2展望隨著計算機科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和虛擬仿真軟件的應(yīng)用,安全閥的設(shè)計將采用先進的流體動力學(xué)分析軟件,通過可視化分析可更清楚全面地反映閥芯運動時內(nèi)部的復(fù)雜流場變化情況,從機理上分析閥內(nèi)部流場和能量損失關(guān)系,為流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了更充分的理論依據(jù),也為閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和縮短優(yōu)化周期奠定了基礎(chǔ)。安全閥

13、彈簧的研究,提高鋼絲彈簧的力學(xué)特性;解決氣體彈簧抗漏能力,實施對內(nèi)部氣體壓力檢測和及時充氣。安全閥密封副結(jié)構(gòu)的研究,解決安全閥中柱塞閥結(jié)構(gòu)流量小,平面閥結(jié)構(gòu)超調(diào)大,平衡式結(jié)構(gòu)關(guān)閉效率差的問題。目前,國內(nèi)批量生產(chǎn)的安全閥密封件均為丁晴橡膠,為了提高安全閥的壽命及工作可靠性,應(yīng)研制新型的適用于高壓、耐沖擊的密封材料作為安全閥(下轉(zhuǎn)第21頁18(上接第18頁的密封件,解決密封件在水中易水解和溫度升高導(dǎo)致其性能顯著下降的問題。3結(jié)語安全閥是煤礦液壓支架的重要元件之一,其性能的好壞對支架技術(shù)經(jīng)濟指標會產(chǎn)生重大影響。由于支架安全閥的使用條件、工作狀態(tài)及系統(tǒng)介質(zhì)與通常油介質(zhì)液壓系統(tǒng)中常用的溢流閥有所不同,國

14、內(nèi)對煤礦支架安全閥的研究相對較少,而目前煤礦井下對大流量安全閥的需求又迫在眉睫,因此對安全閥的技術(shù)更新,提高大流量安全閥的靈敏度和動態(tài)特性指標成為國內(nèi)煤機企業(yè)重點攻關(guān)的課題。參考文獻技術(shù)條件.北京:中國標準出版社,2000.2李秀軒.液壓支架大流量安全閥的研究J.煤礦機電,2001,02:4-6.3黃峰玲,暴松青.美國綜采技術(shù)現(xiàn)狀及其新發(fā)展J.煤,2006,01.D.煤炭科學(xué)研究總院,2006,54-55.5王永強.新型液壓支架用安全閥動態(tài)特性的研究與分析D.鄭州大學(xué),2007,46.Summary of Large Flow Relief Valve with Hydraulic Power

15、ed SupportZHAO Lijuan,LI Hongyan(Liaoning Technology University,Mechanical Engineering College, Fuxin123000Abstract:Given the large flow relief valve of the definition,it pointed out that the evaluation of the performance indicators,descrip-tion the necessity in the use of hydraulic support.Looking

16、back at home and abroad with the development of large flow relief valve of hy-draulic support,pointed out the existing problems at this stage and prospect the future development trend,a reliable basis is provided to further the study of relief valve.Key words:hydraulic support,simulation model,relie

17、f valve,dy-namic property555定時器連接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的形式,所以當(dāng)觸發(fā)信號來臨時輸出的是短暫的高電平,其余時間為持續(xù)的低電平。當(dāng)555定時器電路的開關(guān)不與0接通時,輸入高電平觸發(fā)信號,此時u o輸出低電平,三極管T截止,繼電器開關(guān)J斷開,繼電器KM的常開觸點斷開,三相異步電動機不能起動。當(dāng)555定時器電路的開關(guān)與0接通時(接通后,就斷開,輸入短暫的低電平觸發(fā)信號,此時u o輸出高電平,三極管T飽和導(dǎo)通,繼電器開關(guān)J吸合,繼電器KM 的常開觸點閉合,繼電器KM1常開觸點閉合,常閉觸點斷開,繼電器KM2常閉觸點閉合,常開觸點斷開,三相異步電動機采用Y連接方式起動。當(dāng)三相

18、異步電動機運行預(yù)定的一段時間以后,555定時器輸出端u o由高電平變?yōu)榈碗娖?此時,三極管T截止,繼電器開關(guān)J斷開,繼電器KM 的常開觸點仍然閉合,繼電器KM1常開觸點斷開,常閉觸點閉合,繼電器KM2常開觸點閉合,常閉觸點斷開,三相異步電動機由Y連接方式轉(zhuǎn)換成方式運轉(zhuǎn),從而實現(xiàn)了三相異步電動機的丫換接起動的自動控制。Y連接方式的運行時間由555定時器外接阻容元件的大小來決定,所以通過調(diào)整555定時器外接阻容元件的大小就可以改變Y連接方式的運行時間。其中Y連接方式的運行時間為T低=1.1R2C。若R2=300K,C=22F,則T高=7.26S。4結(jié)語555定時器在電力拖動方面的應(yīng)用設(shè)計具有成本低、硬件電路簡單、控制方便、運行穩(wěn)定、精確等優(yōu)點,擴展了三相異步電動機在電器拖動方面的使用。參考文獻1葛劍青.基礎(chǔ)電工控制應(yīng)用電路M.北京:電子工業(yè)出版社,2007.2李中發(fā).數(shù)字電子技術(shù)M.北京:中國水利水電出版社,2005.3王鵬飛.電工技術(shù)M.湖北:科學(xué)技術(shù)出版社,2007.Electronic Control Designs of Three-phase Asyn-chronous Motor Based on555T