基于插裝閥的三用閥優(yōu)化設(shè)計與仿真

基于插裝閥的三用閥優(yōu)化設(shè)計與仿真

0用閥改進(jìn)方案設(shè)計的提出懸浮式單臂式儀表支架主要由連接頂蓋、組件、活柱、油藏、三次閥、主缸、復(fù)位彈簧、座椅、連接鋼絲、導(dǎo)向環(huán)和其他零件組成。三用閥是單體液壓支柱的控制中心,對支柱的整體綜合性能有著重要的影響。目前,我國單體液壓支柱三用閥,存在功率小、通流能力小、抗污染力差、密封性不好等缺陷,在煤層工作面突變載荷作用下,三用閥一般不能及時開啟,支柱腔體內(nèi)峰值壓力過大,導(dǎo)致活柱被壓彎或破壞,造成冒頂事故?；谏鲜鲈?本文提出對現(xiàn)有三用閥改進(jìn)設(shè)計,并利用AMESim軟件對改進(jìn)后的支柱動態(tài)性能與改進(jìn)前的進(jìn)行對比分析。此研究對改善柱塞單體液壓支柱工作性能,增加其可靠性與穩(wěn)定性,保障煤礦安全生產(chǎn),具有重要的研究意義和實用價值。1支柱管口插裝閥使用壓力柱塞懸浮式單體液壓支柱乳化液的流動完全通過管式三用閥來進(jìn)行控制。普通管式三用閥由單向閥、安全閥和卸載閥組成,在支柱中承擔(dān)升柱、過載保護(hù)和卸載降柱3種功用,其液壓系統(tǒng)原理如圖1(a)所示。其工作過程:高壓乳化液經(jīng)注液槍打開單向閥進(jìn)入支柱下腔,完成支柱升柱和初撐;當(dāng)工作面頂板壓力超過安全閥限定壓力時,支柱腔體內(nèi)高壓乳化液將安全閥打開,乳化液溢流,支柱開始收縮,當(dāng)且僅當(dāng)支柱所承受的外載荷低于工作阻力時,乳化液停止溢流,安全閥關(guān)閉,支柱此時停止收縮,安全閥的作用保證了工作載荷始終維持在額定工作阻力附近;當(dāng)需要回柱時,打開卸載閥,將乳化液排至采空區(qū)外,立柱在自重和復(fù)位彈簧作用下收縮。現(xiàn)有普通管式三用閥功率小、通流能力差,若通過增加閥的通徑來滿足高壓、大流量、大功率工作場合,勢必使三用閥體積增大,相應(yīng)的壓力損失和內(nèi)泄漏也增加,導(dǎo)致支柱整體工作性能變壞,同時工作時操縱阻力增加,閥芯磨損加劇,大大降低了三用閥的正常使用壽命。因插裝閥具有流動阻力小、密封性能好、通流能力大、抗污染能力強等特點,在高壓大功率場合廣泛使用。因此,本文提出基于插裝閥原理對現(xiàn)有普通管式三用閥進(jìn)行技術(shù)改造,將普通單向閥改為插裝閥,普通安全閥改為具有插裝單元的先導(dǎo)式安全閥,普通卸載閥改為具有插裝單元的的先導(dǎo)式卸荷閥,經(jīng)改造后的液壓系統(tǒng)原理如圖1(b)所示。2支架amesim模型的構(gòu)建2.1安全閥流量方程根據(jù)單體液壓支柱柱塞、閥芯受力及通過的流量,分別建立支柱運動微分方程、支柱流量連續(xù)方程、安全閥流量連續(xù)性方程和安全閥閥芯運動微分方程。(1)支柱運動微分方程其中,活柱斷面面積式中my———支柱位移,m;BKfp(2)支柱流量連續(xù)方程進(jìn)入支柱的流量式中Vβ(3)安全閥流量連續(xù)性方程式中KK(4)安全閥閥芯運動微分方程式中mKxFA2.2建立仿真模型在AMESim軟件中,利用標(biāo)準(zhǔn)液壓元件庫組建普通管式三用閥模型,利用液壓元件設(shè)計庫HCD組建插裝式三用閥模型,利用液壓元件設(shè)計庫和機(jī)械庫組建立柱模型,利用信號控制庫對支柱施加外部沖擊載荷,最后根據(jù)液壓支柱系統(tǒng)工作原理,用液壓管路連接這些元件,分別建立管式三用閥和插裝式三用閥液壓支柱控制系統(tǒng)仿真模型如圖2所示。仿真以DW28-250/100X型柱塞懸浮單體液壓支柱為例進(jìn)行研究,根據(jù)支柱工況條件及三用閥結(jié)構(gòu)確定系統(tǒng)仿真條件:泵站壓力p3討論插裝式三用閥控制點擊工具欄左側(cè)的“Simulationmode”按鈕,進(jìn)入仿真模式,單擊“Startasimulation”按鈕,運行仿真。完成仿真后,通過“Variablelist”菜單查看仿真結(jié)果,利用plot按鈕分別獲得支柱升柱和承載溢流階段動態(tài)特性仿真曲線,如圖3和圖4所示。從圖3(a)可以看出,升柱階段,在正常載荷作用下,采用插裝式三用閥控制的單體支柱與普通管式三用閥控制的單體支柱相比,插裝式三用閥控制的單體支柱腔體壓力峰值波動小,且能較快地達(dá)到溢流閥設(shè)定的工作壓力;同時從圖3(b)曲線可以看出,插裝式三用閥控制的單體支柱升柱過程所需時間短,約為3.2s,而普通管式三用閥控制的單體支柱所需時間約為3.4s。圖3(a)和圖3(b)仿真特性曲線在理論上是趨于一致的,其結(jié)果共同表明:插裝式三用閥通流能力大,且控制的單體支柱具有較快的動態(tài)響應(yīng)特性。承載溢流階段,在沖擊載荷作用下,溢流閥開啟,支柱下腔壓力變化曲線如圖4(a)所示,普通管式三用閥控制的單體支柱腔體峰值壓力可達(dá)36.2MPa,而插裝式三用閥控制的單體支柱腔體峰值壓力不超過32.1MPa,曲線結(jié)果表明:采用插裝式三用閥控制的單體支柱可明顯降低腔體峰值壓力。此時支柱位移變化曲線如圖4(b)所示,由于煤層向下移動距離短,2種控制方式支柱位移變化曲線趨于一致。4用閥插裝式單體液壓支柱動態(tài)特性基于插裝閥理論對普通管式三用閥進(jìn)行改造設(shè)計,利用AMESim軟件對DWX型單體液壓支柱2種控制方式進(jìn)行對比,從理論上仿真分析升柱階段和承載溢流階段支柱動態(tài)特性曲線變化情況,結(jié)果表明:采用插裝式三用閥控制的單體液壓支柱通流能力大,動態(tài)響應(yīng)較快,且在承載溢流階段腔體峰值壓力變化較為平緩,即當(dāng)煤層頂板周期來壓時,采用插裝式三用閥控制單體液壓支柱可明顯降低腔體峰值壓力,此時可延長支柱工