基于液壓支架的液控單向閥故障分析與處理

基于液壓支架的液控單向閥故障分析與處理

1工業(yè)性試驗結(jié)果分析國家科技創(chuàng)新項目“600萬噸全球轉(zhuǎn)移供水設(shè)備”在興莊煤礦3286條支流進(jìn)行了工業(yè)測試。該工作面長度為300多公里，配備了203套zfs6800、18.35和建筑物。支架安裝了由德國進(jìn)口的電液控制系統(tǒng),主進(jìn)回液管路采取環(huán)行供液和分組供液方式,管路通徑分別達(dá)到38mm和51mm,前部供液系統(tǒng)流量達(dá)到610L/min,在支架質(zhì)量達(dá)到24t、截深1m的條件下單架移架時間成功控制在12s以內(nèi),實現(xiàn)了快速移架,而工作面高月產(chǎn)量達(dá)到63萬t,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。在工業(yè)性試驗過程中,部分設(shè)備出現(xiàn)不同程度的故障,本文主要分析對象是支架的立柱液控單向閥(如圖1)在使用過程中存在的問題、處理方法和改進(jìn)方案。該元件與國產(chǎn)同類產(chǎn)品相比,流量大,達(dá)到320L/min,使用壽命數(shù)萬次,國產(chǎn)同類產(chǎn)品流量只有200L/min,壽命只有6000次。另外,設(shè)計中采用了插裝式結(jié)構(gòu),便于井下更換,有利于維護(hù)和檢修工作,因此,總體上該閥比國產(chǎn)同類產(chǎn)品具有很明顯的優(yōu)越性。但是該產(chǎn)品在中國首次使用卻出現(xiàn)了問題,從系統(tǒng)角度分析,已排除了系統(tǒng)其他環(huán)節(jié)存在問題的可能性,本文注重研究液控單向閥在結(jié)構(gòu)、原理方面存在的不足,提出解決的方案。2單向閥使用過程中存在的一些問題作為立柱液控單向閥,其主要功能是在與系統(tǒng)聯(lián)結(jié)的A1、A2口壓力為零時實現(xiàn)立柱下腔(與A口相連)的閉鎖,從而平衡工作阻力F,阻止支架頂梁下降,實現(xiàn)支架支護(hù)頂板的功能。整個閥的動作過程如下:(1)保壓狀態(tài)——A1、A2口壓力為零,液控單向閥處于關(guān)閉狀態(tài),立柱下腔液體不能排出,支架不能下降。(2)進(jìn)液及增壓過程——A2口供液,單向閥打開,立柱下腔進(jìn)液,支架升起。(3)卸壓及降柱過程——A1口供液,液控口C進(jìn)液,閥芯在頂桿推動下被強(qiáng)行打開卸壓,同時立柱上腔供液,下腔液體排出,支架下降。以上3個過程完成支架的升降操作。在使用過程中,液控單向閥及安全閥存在以下問題:(1)降支架時,液控單向閥產(chǎn)生很大的聲響,同時,與閉鎖腔相連的安全閥(見圖1)開啟,這在其它支架的操作中是沒有的,是一種異?，F(xiàn)象。(2)液控單向閥和安全閥損壞嚴(yán)重,主要損壞零件是液控單向閥頂桿(見圖1)、安全閥閥芯和閥口密封圈。3液控單向閥運動機(jī)理該液控單向閥卸載瞬時,其動作可以用以下力平衡方程表示πPad214+πPb(d23?d22)4=πPcd234(1)πΡad124+πΡb(d32-d22)4=πΡcd324(1)式中Pa、Pb、Pc——a、b、c腔(圖2)壓力;d1、d2、d3——對應(yīng)閥芯和頂桿直徑。此時Pc值為液控單向閥開啟壓力。由于開啟瞬間Pb=0,因此公式(1)可以簡化為Pad21=Pcd23(2)Ρad12=Ρcd32(2)隨Pc增大,式(2)平衡打破,閥芯左移,閥口開啟量加大。閥開啟后,由于閥芯和閥座之間存在間隙節(jié)流,節(jié)流行程為L(圖2),此時液控單向閥閥芯的受力為F=πPad224?πPcd234(3)F=πΡad224-πΡcd324(3)由于d2<d3,結(jié)合式(2),F<0,閥芯快速完成節(jié)流行程L,以很快的速度打開閥口(處于圖2狀態(tài)),此時閥芯的受力為F=πPad224+πPb(d23?d22)4?πPcd234(4)F=πΡad224+πΡb(d32-d22)4-πΡcd324(4)很明顯,打開閥口后Pb突然增大,F>0,閥芯又迅速往回運動,閥口趨于關(guān)閉,關(guān)閉后處于式(3)甚至退回關(guān)閉狀態(tài),如此反復(fù),引起閥芯和頂桿的振動。這種振動可以導(dǎo)致以下2個后果:①閥口突然打開再關(guān)閉,液體流速發(fā)生急變,導(dǎo)致水錘現(xiàn)象發(fā)生;②閥芯和頂桿發(fā)生振動,降低元件的使用壽命。理論分析表明,該閥在結(jié)構(gòu)方面存在問題,振動是不可避免的。在井下采煤工作面、試驗室測試的結(jié)果同樣可以說明這個問題。圖3～圖5表示了在工作面和試驗室測試得的該閥卸載時封閉腔壓力動態(tài)變化(振動)曲線。曲線1:其中Pa為液控單向閥封閉腔壓力,P0為安全閥開啟壓力,Pa接近于P0,開啟液控單向閥,圖2所示a腔壓力Pa出現(xiàn)波動,振幅在15%左右,同時安全閥卸載,伴隨卸載出現(xiàn)很大的振動聲響。曲線2:液控單向閥封閉腔壓力大于Pa小于安全閥開啟壓力P0,與圖3曲線相比,雖然開啟單向閥時有振動,但振動峰值未超過安全閥開啟壓力P0,安全閥沒有卸載。曲線3:與曲線所示封閉腔壓力相同,卸載同樣出現(xiàn)波動,振動呈衰減狀態(tài),壓力峰值沒有超過安全閥開啟壓力P0,安全閥沒有卸載。以上3種試驗結(jié)果,除液控單向閥封閉腔壓力不同之外,開啟壓力(Pc)也不同,同時也與試驗地點有關(guān)。表1反映了不同試驗條件與該閥各種振動曲線的關(guān)系。進(jìn)一步試驗分析。根據(jù)公式(2)建立圖6所示的液控單向閥開啟壓力Pc與封閉腔壓力Pa關(guān)系圖,圖中陰影部分為液控單向閥開啟區(qū),產(chǎn)生曲線3、4所示振動現(xiàn)象的區(qū)域為開啟區(qū)緊靠單向閥開啟線部分,其寬度用ΔP表示。理論和試驗結(jié)果表明,ΔP與工作阻力(如圖1中的F)特性以及其它系統(tǒng)環(huán)節(jié)有關(guān),在實際使用時,由于支架具有很大的彈性變形,頂板隨支架下沉等原因,ΔP值較大,這就是為什么工作面供液系統(tǒng)壓力很高時出現(xiàn)卸載振動的根本原因。因此,該閥在卸載時必然要出現(xiàn)閥芯的振動,造成對系統(tǒng)及元件本身影響較大的是圖3、4所示的情況。理論計算和試驗室均能通過提高開啟壓力(系統(tǒng)壓力)消除這2種振動的影響,但在實際使用時如果負(fù)載惡劣則很難做到,需要從根本上解決問題。4減少振動的主要途徑是通過擴(kuò)展閥芯密封來減少閥芯振動,從而減輕振動圖7是改進(jìn)后液控單向閥閥芯部分的結(jié)構(gòu)示意圖,新結(jié)構(gòu)有4處與原結(jié)構(gòu)不同,因而閥的開啟力學(xué)模型相應(yīng)有所變化(由于篇幅限制不細(xì)述),改造思路有以下幾點:(1)加大閥芯節(jié)流長度L,延長閥芯動作從式(3)進(jìn)入式(4)的時間,使高壓液體的卸壓時間延長,降低Pa值,從而減小振動。(2)取消原頂桿與閥座之間的間隙,用“O”形圈密封,同時增加2個小孔與B腔連通,在閥芯進(jìn)入式(4)狀態(tài)后以PB代替Pb,由于PB<Pb,從而可以消除部分閥芯回復(fù)的力,達(dá)到減小振動的目的。(3)C口與頂桿腔之間增加了節(jié)流。閥芯振動,必然導(dǎo)致頂桿腔C的容積變化,在其與系統(tǒng)接口處增加節(jié)流,可以降低容腔變化速度