基于微造型閥芯的煤礦水壓安全閥研究.pdf

1、煤礦安全閥是保證單體液壓支柱裝備支護(hù)安全的核心部件。目前單體液壓支柱使用乳化液為工作介質(zhì),但是乳化液影響工作環(huán)境和工作人員的身體健康,且嚴(yán)重污染地下水資源。隨著人們對(duì)可持續(xù)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)境的重視,全球各國(guó)迫切需要發(fā)展一種新型液壓技術(shù),保證其向著環(huán)保、節(jié)能和安全的方向發(fā)展。水具有安全性好、價(jià)格低廉、環(huán)境友好等一系列優(yōu)點(diǎn),成為當(dāng)今液壓技術(shù)研究新課題。本文以單體液壓支柱中的安全閥為研究對(duì)象,設(shè)計(jì)一種以水為工作介質(zhì)的水壓安全閥。通過(guò)設(shè)計(jì)水壓

2、安全閥新結(jié)構(gòu),有效抑制氣穴氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生;同時(shí)利用微造型可以產(chǎn)生動(dòng)壓潤(rùn)滑,將其應(yīng)用到安全閥上,以降低摩擦副摩擦磨損問(wèn)題。論文研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下:
　　1.利用微造型形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng),將微造型技術(shù)引入到水壓安全閥,以提高閥芯潤(rùn)滑性能,改善閥芯摩擦副的摩擦磨損問(wèn)題。研究不同微造型形貌對(duì)水壓安全閥閥芯潤(rùn)滑的影響,同時(shí)對(duì)水壓安全閥微造型閥芯潤(rùn)滑性能正交試驗(yàn)分析。結(jié)果表明:(1)球冠形和圓柱形微造型均可以在閥芯表面產(chǎn)生壓力。兩種微造型的

3、閥芯表面壓力幅值隨著面積率與深度的增加而增大,且圓柱形微造型的壓力幅值比球冠形大。(2)通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與CFD數(shù)值模擬,對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行極差分析得到影響閥芯微造型承載力的因素由大到小依次是微造型深度hp,微造型半徑rp,微造型形貌,摩擦副間隙ho,閥芯運(yùn)動(dòng)速度U,微造型深度對(duì)承載力的影響最大,是最主要因素。(3)由正交試驗(yàn)的結(jié)果得到優(yōu)化方案,設(shè)計(jì)出的優(yōu)選方案為A4B4C4D3E4,即微造型深度為8μm,微造型半徑為40μm,摩擦副間隙為

4、5μm,閥芯運(yùn)動(dòng)速度為4m/s,微造型形貌為圓臺(tái)形。相比于正交試驗(yàn)方案中承載力最大的A4B4C1D3E2組合,優(yōu)選方案的承載力提高了22％。
　　2.通過(guò)對(duì)閥芯徑向孔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,建立了水壓安全閥閥腔CFD模型,研究了閥芯重要區(qū)域氣蝕的削減,提高了水壓安全閥的抗氣蝕性能。結(jié)果表明:當(dāng)安全閥閥芯徑向孔的夾角α取45°、徑向孔左下角采用直線結(jié)構(gòu)時(shí),使得徑向孔內(nèi)部氣穴消失,能顯著抑制氣蝕破壞,氣蝕破壞的區(qū)域由徑向孔等關(guān)鍵位置轉(zhuǎn)移到閥出

5、口等對(duì)安全閥性能影響較小的位置,有效提高了安全閥抗氣蝕性能。
　　3.設(shè)計(jì)了新型水壓安全閥的新結(jié)構(gòu),計(jì)算了具體尺寸,基于Matlab軟件對(duì)水壓安全閥進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。研究了等效阻尼、彈簧剛度以及閥芯質(zhì)量三種參數(shù)對(duì)安全閥閥芯壓力和位移動(dòng)態(tài)性能的影響。結(jié)果表明:閥芯質(zhì)量對(duì)安全閥的壓力和位移特性影響較小,而等效阻尼、彈簧剛度的影響較大。增大等效阻尼可以減少閥芯調(diào)整時(shí)間,減弱閥芯振動(dòng),使安全閥更加穩(wěn)定,但是會(huì)降低安全閥的靈敏度;隨著彈簧剛度的