高壓高水基液壓閥的理論及設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、采煤工作面用的液壓支架是一種復(fù)雜的煤礦機(jī)械，它能夠可靠有效地支撐和控制工作面的頂板，保證工人安全和各種作業(yè)的正常進(jìn)行。電液控制液壓支架是當(dāng)前先進(jìn)采煤技術(shù)裝備的重要標(biāo)志之一，而高壓高水基電磁先導(dǎo)閥是電液控制系統(tǒng)的核心元件，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密度高，目前世界上只有德國(guó)和美國(guó)等少數(shù)國(guó)家研究和生產(chǎn)制造，屬高難技術(shù)。我國(guó)曾嘗試過(guò)自行設(shè)計(jì)、制造這種液壓閥，但由于沒(méi)有運(yùn)用多學(xué)科理論和現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)等手段去深入研究液壓閥的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，只是憑借經(jīng)驗(yàn)和已有的資

2、料進(jìn)行設(shè)計(jì)，致使研制失敗。因此，目前我國(guó)高壓高水基電磁先導(dǎo)閥仍然依靠進(jìn)口，成為制約我國(guó)采煤技術(shù)由機(jī)械化向自動(dòng)化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。 本論文首先研究高壓高水基液壓閥的沖蝕磨損與密封泄漏機(jī)理等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。然后，將該成果應(yīng)用于液壓支架電磁先導(dǎo)閥的理論分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，使基礎(chǔ)研究與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，為成功開(kāi)發(fā)高水基電磁先導(dǎo)閥提供理論支持。作者以計(jì)算流體力學(xué)(CFD)理論、分形(FRACTAL)理論與多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論等為依托，采用理論

3、、仿真、試驗(yàn)相結(jié)合的方法，建立液壓閥流場(chǎng)仿真模型、泄漏機(jī)理模型、動(dòng)力學(xué)仿真模型和系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，為此類液壓閥的設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。 高水基液壓閥流動(dòng)過(guò)程的壁而磨損行為，嚴(yán)重影響液壓閥的使用壽命。作者綜合應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)理論與沖蝕(EROSION)理論的分析方法，研究高速高壓條件下液壓閥的沖蝕磨損機(jī)理，建立高水基液壓閥流體湍流和沖蝕的數(shù)學(xué)模型。通過(guò)可視化模擬，預(yù)測(cè)了煤粒對(duì)高水基平面閥和球閥不同部位

4、的沖蝕磨損分布，比較準(zhǔn)確地確定了沖蝕磨損對(duì)關(guān)鍵元件的影響區(qū)位和程度。研究閥芯和頂桿間的微動(dòng)磨損與沖蝕的交互破壞，指出了采用側(cè)頂桿結(jié)構(gòu)可以避免磨損疊加。另外，作者對(duì)幾種非金屬材料的沖蝕磨損特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為高水基液壓閥密封副材料的優(yōu)選提供了依據(jù)。 作者使用現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)，開(kāi)展高水基介質(zhì)液壓閥氣蝕(CAVIATION)問(wèn)題的研究，以解決這個(gè)難于用實(shí)驗(yàn)方法研究的問(wèn)題。通過(guò)高水基液壓閥流體氣蝕的數(shù)學(xué)模型,研究高水基液壓閥低壓密封的汽穴形

5、成，找出最易產(chǎn)生氣穴與氣蝕現(xiàn)象的位置。分析表明，低壓區(qū)對(duì)應(yīng)氣體體積百分比高的氣穴區(qū)域，側(cè)頂桿結(jié)構(gòu)同樣可以減輕液壓閥的氣蝕磨損。 分形(FRACTAL)幾何學(xué)的建立，為研究復(fù)雜無(wú)規(guī)律的現(xiàn)象提供了新的理論與方法。在考慮端面形貌變化的基礎(chǔ)上，作者提出了基于分形理論研究高水基液壓閥的微觀密封機(jī)理的思路。分析了密封副端面粗糙輪廓波谷面積和彈性接觸點(diǎn)面積的微觀接觸機(jī)理及相互關(guān)系。以縫隙流動(dòng)的N-S方程為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出泄漏量與表面粗糙度、分形參

6、數(shù)、密封接觸比壓之間的關(guān)系及相應(yīng)的計(jì)算公式，建立了泄漏量分形模型。通過(guò)數(shù)值仿真，討論了分形參數(shù)、密封力與泄漏量問(wèn)的相互關(guān)系，結(jié)果表明，控制表面形貌參數(shù)可以有效降低液壓閥泄漏量。另外，作者對(duì)泄漏量與不同的表面粗糙度、密封比壓、密封而寬度之間的關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出了具有工程應(yīng)用指導(dǎo)意義的定量結(jié)論。 針對(duì)電液控制支架的特殊要求，作者設(shè)計(jì)了先導(dǎo)閥的螺線管結(jié)構(gòu)電磁鐵。模擬了磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小及其在空間的磁場(chǎng)分布情況，并對(duì)電磁鐵的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

7、參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，保證該電磁鐵響應(yīng)速度快，動(dòng)作平穩(wěn)可靠。通過(guò)可視化模擬和分析得知，磁通密度最高的地方是銜鐵與極靴導(dǎo)套端重疊部分，極靴內(nèi)徑單側(cè)間隙的變化對(duì)吸力起決定作用。最后，對(duì)電磁鐵的吸力特性進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)值分析的正確性。 在研究電磁先導(dǎo)閥的運(yùn)動(dòng)特性時(shí)，虛擬樣機(jī)技術(shù)有助于做出前瞻性的決策。為了評(píng)定先導(dǎo)閥動(dòng)態(tài)特性，作者引入位移響應(yīng)曲線來(lái)衡量其動(dòng)態(tài)性能。通過(guò)求解先導(dǎo)閥的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，獲得反映動(dòng)態(tài)特性的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。綜合考慮先導(dǎo)閥內(nèi)部

8、運(yùn)動(dòng)元件的接觸碰撞及運(yùn)動(dòng)拓?fù)潢P(guān)系，建立先導(dǎo)閥詳細(xì)的三維實(shí)體模型。研究阻尼系數(shù)、質(zhì)量和剛度變化對(duì)先導(dǎo)閥動(dòng)力學(xué)特性的影響，準(zhǔn)確地預(yù)知其在實(shí)際工況下的動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)預(yù)定的系統(tǒng)性能和預(yù)期的目標(biāo)反復(fù)修正幾何參數(shù)，最終達(dá)到預(yù)期的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，為先導(dǎo)閥的設(shè)計(jì)開(kāi)辟了一條新的思路。 電磁先導(dǎo)閥工作口壓力的變化，會(huì)引起其內(nèi)部流場(chǎng)相應(yīng)變化，而先導(dǎo)閥出口壓力又受到液控主閥、立柱等負(fù)載的影響。因此，作者從系統(tǒng)角度對(duì)先導(dǎo)閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行研究，建立了基于AM

9、ESim的支架電液控制系統(tǒng)的仿真模型，得到先導(dǎo)閥工作口的不同壓力、流量響應(yīng)曲線，為先導(dǎo)閥流場(chǎng)仿真的初始邊界條件的設(shè)定提供依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，研究先導(dǎo)閥的流場(chǎng)分布。根據(jù)先導(dǎo)閥的壓力損失、速度分布等隨流量、出口壓力和入口位置的變化關(guān)系，確定高水基電磁先導(dǎo)閥的最JI佳合理結(jié)構(gòu)。 本文的研究工作涉及多學(xué)科理論和現(xiàn)代試驗(yàn)技術(shù)，主導(dǎo)思想是在創(chuàng)新體系下進(jìn)行多種學(xué)科的交叉與融合，以此途徑對(duì)高壓高水基液壓閥的理論問(wèn)題及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，從而解決實(shí)際