□ 朱會東 □ 李鴻巖

1.阜新高等專科學(xué)校 機械系 遼寧阜新 123000 2.北方重工石油裝備有限公司 沈陽 110141

大流量安全閥是液壓支架的重要組成元件,通常指流量大于100 L/min的安全閥[1]。大流量安全閥的主要用途是限制立柱內(nèi)的最高壓力,以防止液壓支架在受到各種沖擊載荷時導(dǎo)致系統(tǒng)壓力急增,進而造成液壓支架部分元件損壞。使用該安全閥可保障工礦企業(yè)安全生產(chǎn)及工人的生命安全[2]。

大流量安全閥與其它普通安全閥相比,工作狀態(tài)為瞬變過程,具有動作時間短、壓力高、流量大、動態(tài)特性強的特點[3-5]。衡量大流量安全閥的動態(tài)性能指標(biāo)主要有動態(tài)壓力超調(diào)率、開啟時間、壓力穩(wěn)定時間、動態(tài)穩(wěn)定性等,通過研究這些動態(tài)性能指標(biāo),可以為設(shè)計大流量安全閥提供依據(jù)[6-8]。

1 大流量安全閥仿真試驗系統(tǒng)

1.1 工作原理

圖1所示為大流量安全閥仿真試驗系統(tǒng)簡化回路。在液壓支架升起的過程中,乳化液經(jīng)換向閥、液控單向閥至立柱下腔,使支架升起。當(dāng)支架需要下降時,乳化液通過液控口的壓力作用使液控單向閥反向打開,立柱下腔的乳化液流回油箱。在井下采煤過程中,由于采煤工藝引起地質(zhì)條件變化,會使巖石層頂板作用在支架頂梁上的壓力突然增大,超過支架的工作阻力。由于液控單向閥的閉鎖功能,這時立柱下腔的壓力會迅速增大。當(dāng)壓力大于安全閥的調(diào)定值時,高壓乳化液頂開安全閥閥芯,下腔乳化液經(jīng)安全閥溢出,起到保護支架系統(tǒng)安全的作用[9]。

圖1 大流量安全閥仿真試驗系統(tǒng)簡化回路

1.2 建模

在ADAMS Hydraulics軟件中創(chuàng)建模擬液壓回路[10-11],依次創(chuàng)建流體、壓力源、控制閥、液壓缸等部件,并設(shè)置相應(yīng)參數(shù),連接成液壓回路。在ADAMS Hydraulics軟件中應(yīng)用Connect命令功能,逐個選擇相應(yīng)液壓元件端口,并連接在一起,再將此液壓回路虛擬連接在液壓缸機械仿真模型上,分別進行靜力學(xué)和運動學(xué)仿真試驗分析[12]。

安全閥仿真模型采用直動式結(jié)構(gòu)彈簧,公稱壓力設(shè)置為50 MPa,公稱流量設(shè)置為500 L/min。利用最新研制設(shè)計FAD160/40型安全閥的經(jīng)驗,并進行改進,裝配后的安全閥實體模型如圖2所示,主要由接頭、過濾架、過濾網(wǎng)、閥芯、密封圈、彈簧、彈簧座、調(diào)壓螺栓等部件組成。

圖2 安全閥實體模型

在Pro/E軟件中建立液壓缸實體模型,如圖3所示。利用Pro/E與ADAMS之間的無縫連接功能,將液壓缸實體模型導(dǎo)入ADAMS Hydraulics軟件。導(dǎo)入過程中既要盡量合并沒有相對運動的零部件,又要確保實體模型的真實度。進行仿真前,要檢查模型的材料和質(zhì)量等重要參數(shù)設(shè)置是否正確,以確保液壓缸實體模型的準(zhǔn)確性。

圖3 液壓缸實體模型

在液壓缸實體模型活塞端位置1處施加階躍型沖擊載荷作用力,其函數(shù)表達式為step(time,2,0,2.1,-1.2e+6)+step(time,3.0,0,3.001,-0.5e+6)+step(time,3.3,0,3.301,+0.5e+6)。在液壓缸缸體位置2處設(shè)置附加滑移副。在液壓缸右端位置3處設(shè)置附加固定副,以保證液壓缸與大地固定。在液壓缸活塞桿左端位置處確定J Marker點,在液壓缸缸體右端位置處確定I Marker點。

對于已建立的壓力源、三位四通換向閥、液控單向閥、大流量安全閥、液壓缸、油箱等元件,依次單擊端口,連成一個回路,從而建立整個大流量安全閥仿真試驗系統(tǒng)。

2 仿真結(jié)果分析

在大流量安全閥仿真試驗中,對立柱活塞額定工況只選取施加一種階躍型載荷沖擊進行動態(tài)仿真,分析在此種載荷沖擊下大流量安全閥的動態(tài)性能是否滿足設(shè)計要求。

2.1 立柱活塞

對立柱活塞施加階躍型載荷沖擊,如圖4所示。0～2 s立柱活塞不受外力作用,只受液壓力作用向外伸出,即液壓支架升架。2～5 s立柱活塞主要受1 200 kN作用力,立柱正常工作,液壓支架處于恒壓階段。其中,在3～3.3 s立柱活塞突然受到一個1 700 kN階躍型載荷沖擊,破壞了立柱的恒壓狀態(tài),使立柱腔內(nèi)壓力迅速上升。如果安全閥不能及時開啟溢流,可能帶來的后果是立柱壓彎、壓粗、爆裂,以及頂梁和底座箱等焊接構(gòu)件開焊、斷裂。

圖4 階躍型載荷沖擊

立柱活塞在承受階躍型載荷沖擊時速度變化情況如圖5所示。2.95～3.00 s立柱活塞速度為0,3.00～3.075 s立柱活塞速度變化劇烈。由于載荷沖擊的突然作用,使3.003 s時立柱活塞回落速度最快,達到4.4 m/s。立柱活塞的回落勢必引起液壓缸內(nèi)壓強陡增,此時液壓缸內(nèi)最大壓強為52.5 MPa,如圖6所示。液壓缸缸體選用的材料能承受的最大壓強為54 MPa,如果大流量安全閥不能及時開啟,那么勢必造成立柱壓彎、壓粗,甚至爆裂。由圖5可以看出,立柱活塞在不斷振蕩且速度越來越慢,說明安全閥在不穩(wěn)定地開啟溢流。3.075～3.30 s立柱活塞以0.18 m/s勻速回落,反映了安全閥在穩(wěn)定溢流。3.3～3.4 s立柱活塞速度變化劇烈,這是載荷沖擊撤去后安全閥關(guān)閉時引起的立柱活塞正常振蕩。

圖5 立柱活塞速度變化情況

2.2 液壓缸

由圖6可見:0～2.0 s液壓缸伸出階段,由于沒有載荷作用,缸內(nèi)壓強低于10 MPa;2.0～3.0 s液壓支架在恒壓階段,缸內(nèi)壓強為32 MPa;3.0～3.3 s液壓缸承受階躍型載荷沖擊,其中在3.00～3.076 s有壓強波動,說明安全閥開啟時有振動,3.076～3.30 s腔內(nèi)壓強穩(wěn)定在44 MPa,說明安全閥穩(wěn)定溢流;3.3～3.4 s腔內(nèi)壓強波動很大,說明安全閥關(guān)閉過程中有振蕩現(xiàn)象;3.4～5.0s液壓缸在恒壓階段,腔內(nèi)壓強一直穩(wěn)定在32 MPa,說明安全閥密封可靠。

圖6 液壓缸壓強變化情況

2.3 安全閥

大流量安全閥的動態(tài)穩(wěn)定性能要求為動態(tài)壓強超調(diào)率不大于40%,開啟時間短于20 ms,壓強穩(wěn)定時間短于300 ms,這些都是衡量大流量安全閥動態(tài)性能的重要指標(biāo),可作為設(shè)計的依據(jù)[13]。圖7所示為大流量安全閥壓強與流量仿真曲線,可依據(jù)圖7來分析動態(tài)性能指標(biāo)是否合理。

圖7 大流量安全閥壓強與流量曲線

液壓缸制造材料所能承受的最大壓強為54 MPa,計算動態(tài)壓強超調(diào)率的最大值δmax=(Pmax-Pk)/Pk×100%=35%,Pmax為立柱液壓缸工作腔壓強;Pk為大流量安全閥開啟壓強。由圖7可知,在3.007 s時,Pmax為52.5 MPa,此時Pk為40 MPa,計算動態(tài)壓強超調(diào)率δmax=(Pmax-Pk)/Pk×100%=31%,此動態(tài)壓強超調(diào)率檢驗值符合系統(tǒng)的設(shè)計要求。

由圖7可知,載荷沖擊在3.0～3.007 s內(nèi),液壓缸工作腔壓強達到最大值52.5 MPa,所用的開啟時間為7 ms,此值小于20 ms,開啟時間經(jīng)檢驗滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。壓強從3.0 s開始變化,到3.06 s穩(wěn)定在44 MPa,可得出壓強穩(wěn)定時間為60 ms,此值小于300 ms,壓強穩(wěn)定時間經(jīng)檢驗滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。在3.005 s時安全閥流量達到了最大值0.008 5 m3/s,即510 L/min,在3.05 s后流量趨于穩(wěn)定,為0.007 5 m3/s,即450 L/min,流量經(jīng)檢驗滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。

圖8所示為大流量安全閥閥芯運動曲線。由圖8可知,閥芯在3 s內(nèi)未受載荷沖擊作用,閥芯位移為0 cm。自3 s起,安全閥承受了一個階躍型載荷沖擊。閥芯在3.003 s時開始有動作,到3.006 s閥芯位移為1 cm,說明閥芯全部開啟,開始傾瀉高壓乳化液。經(jīng)過0.007 s傾瀉,閥內(nèi)壓強開始減小。在彈簧力作用下,自3.01 s起閥芯開始回縮,經(jīng)過0.004 s閥芯回縮了0.5 cm,導(dǎo)致溢流量減小,閥內(nèi)壓強又開始迅速上升,自3.014 s時再次向外伸出,到3.018 s閥芯位移為1.0 cm,說明安全閥重新全部開啟溢流。3.018～3.301 s閥芯位移基本在1.0 cm處,反映了安全閥在這段時間內(nèi)都是在穩(wěn)定工作,說明選用的立柱彈簧滿足安全閥在高壓力、大流量下準(zhǔn)確開啟的要求。

圖8 大流量安全閥閥芯運動曲線

3 結(jié)束語

以FAD160/50型安全閥為設(shè)計基礎(chǔ),基于虛擬樣機技術(shù)建立大流量安全閥和液壓缸模型,通過ADAMS Hydraulics軟件建立液壓仿真控制系統(tǒng),將兩者結(jié)合應(yīng)用設(shè)計了大流量安全閥仿真試驗系統(tǒng)。利用這一仿真試驗系統(tǒng)可以較好地模擬液壓支架在實際工況下的運行情況,并可以對所設(shè)計的大流量安全閥進行仿真測試,進而驗證大流量安全閥設(shè)計參數(shù)的正確性。通過仿真分析,確認(rèn)所設(shè)計的大流量安全閥可以滿足使用要求。