高壓脈動(dòng)水錘裝置動(dòng)態(tài)特性的Simulink仿真研究

高飛

（中國礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

高壓脈動(dòng)水錘裝置動(dòng)態(tài)特性的Simulink仿真研究

高飛

（中國礦業(yè)大學(xué)電力工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

利用仿真研究高壓脈動(dòng)水錘裝置 （新型煤層注水設(shè)備）的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能的影響，對(duì)該裝置的工作過程進(jìn)行了受力分析。利用微分方程建立該裝置工作過程的數(shù)學(xué)模型，借助Matlab/Simulink動(dòng)態(tài)仿真工具構(gòu)建了裝置的仿真模型，并將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了仿真模型的可行性。利用仿真模型分析了主彈簧剛度對(duì)裝置輸出壓力及主閥芯開度的影響，結(jié)果表明:主彈簧剛度從2250kN/m減小到1000kN/m，裝置輸出的峰值壓力增大，穩(wěn)定壓力也增大，主閥芯開度均為10mm。

高壓脈動(dòng)水錘;動(dòng)態(tài)特性;Matlab/Simulink;仿真

煤層注水是治理煤礦井下災(zāi)害的綜合性措施，具有防塵、防治沖擊礦壓和預(yù)防瓦斯突出的“三防”效果，但是隨著煤層開采深度的增加，煤層的滲透性越來越差，傳統(tǒng)的注水方法已經(jīng)不能很好地滿足煤層注水要求。針對(duì)這種狀況，中國礦業(yè)大學(xué)張景松教授發(fā)明了高壓脈動(dòng)水錘裝置［1］。目前，該裝置經(jīng)過煤層現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其在增加煤體水分、提高瓦斯抽采效果方面比傳統(tǒng)注水方法有了很大提高，是目前解決低透氣性煤層注水的最有效技術(shù)手段之一［2］。

為了分析高壓脈動(dòng)水錘裝置的參數(shù) （主彈簧的剛度等）對(duì)裝置性能 （輸出峰值壓力，穩(wěn)定壓力等）的影響，本文采用Matlab/Simulink構(gòu)建該裝置仿真模型，將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了該模型的可行性。在此基礎(chǔ)上，利用該模型分析了不同主彈簧剛度對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。

1 高壓脈動(dòng)水錘裝置及數(shù)學(xué)模型的建立

作為一種激發(fā)壓力沖擊的設(shè)備，高壓脈動(dòng)水錘裝置以水為工作介質(zhì)，水泵為動(dòng)力源，結(jié)構(gòu)見圖1。該裝置由高壓缸體、低壓缸體和主彈簧座組成。低壓缸體和主彈簧座內(nèi)設(shè)有可上下移動(dòng)的活塞組件，活塞組件下方為主彈簧，主彈簧和活塞組件構(gòu)成了一個(gè)彈簧－質(zhì)量系統(tǒng)。工作時(shí)水泵提供的壓力水進(jìn)入低壓缸推動(dòng)活塞組件壓縮主彈簧，主彈簧蓄能，到裝置的觸發(fā)位置時(shí)，彈簧蓄能瞬間釋放，推動(dòng)活塞組件以極大的加速度沖擊高壓缸內(nèi)的水，進(jìn)而在管路中產(chǎn)生高壓水力沖擊波［3］。裝置連續(xù)工作時(shí)，以一定的周期不斷地激發(fā)高壓水力沖擊波。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):裝置輸出的峰值壓力可以達(dá)到水泵供水壓力的4～5倍。

若將出口管路接入煤層注水孔就可以通過高壓脈動(dòng)水力沖擊波對(duì)煤層施加一種交變應(yīng)力，進(jìn)而溝通煤層內(nèi)部封閉孔隙，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該裝置煤層注水效果明顯［2］。

圖1 高壓脈動(dòng)水錘裝置

該裝置沖擊過程中活塞組件的受力情況如圖2所示。由此可建立活塞組件在沖擊過程中的運(yùn)動(dòng)微分方程:

式中，P（t）為高壓缸內(nèi)的壓力，Pa;f1為活塞組件密封段O型圈的摩擦力，N;f2為潤滑油黏性引起的內(nèi)摩擦力，N;F1為低壓缸內(nèi)水體對(duì)活塞組件端面的作用力，N;F2為低壓缸內(nèi)水體對(duì)主閥芯端面的作用力，N;S2為柱塞端面的面積，m2;k為主彈簧剛度，N/mm;x為彈簧位移量，mm。

圖2 活塞組件受力

2 仿真模型

建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型后，就可以利用Matlab/Simulink的動(dòng)態(tài)仿真功能將前面所建立的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為易于被計(jì)算機(jī)數(shù)值求解的仿真模型［4－5］。該模型封裝了6個(gè)子系統(tǒng)，有5個(gè)輸入量，分別為低壓缸內(nèi)活塞組件端面直徑D、活塞組件質(zhì)量m、高壓缸內(nèi)活塞組件端面直徑d、觸發(fā)壓力P0、主彈簧剛度k，輸出量為高壓缸內(nèi)水壓P（t）。系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

圖3 高壓脈動(dòng)水錘裝置仿真模型

圖3中包括了6個(gè)子系統(tǒng):子系統(tǒng)1為潤滑油黏性引起的內(nèi)摩擦力模塊，與公式 （1）中的項(xiàng)f2對(duì)應(yīng);子系統(tǒng)2為觸發(fā)時(shí)主彈簧的位移量模塊，與公式 （1）中的項(xiàng)x對(duì)應(yīng);子系統(tǒng)3為水錘沖擊模塊;子系統(tǒng)4為活塞組件密封段O型圈的摩擦力模塊，與公式 （1）中的項(xiàng)f1對(duì)應(yīng);子系統(tǒng)5為管路中壓力沖擊波模塊;子系統(tǒng)6為低壓缸內(nèi)水體對(duì)活塞組件作用力模塊，對(duì)應(yīng)公式 （1）中的項(xiàng)F1和F2。

3 仿真結(jié)果

以裝置柱塞觸發(fā)時(shí)刻為仿真初始時(shí)刻，根據(jù)系統(tǒng)觸發(fā)時(shí)刻的參數(shù)值對(duì)Simulink仿真模塊中各參數(shù)進(jìn)行初始化和賦值。在運(yùn)行仿真之前，需要設(shè)置仿真參數(shù)，本文采用Variable－step類型，微分方程求解器選用ODE45，仿真時(shí)間設(shè)定為0.5s，誤差控制為10－5，其余為默認(rèn)值。仿真得出的輸出壓力曲線與實(shí)驗(yàn)曲線如圖4所示。

由圖4可知，仿真曲線與實(shí)驗(yàn)曲線除峰值壓力有所偏差外，變化趨勢(shì)基本一致，尤其是后期的壓力穩(wěn)定值吻合得很好。分析認(rèn)為:前期峰值壓力的誤差原因可能有如下幾點(diǎn):仿真中高壓缸出口端的局部損失沒有考慮，高低壓缸之間不能完全密封，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的誤差等。在以后的仿真工作中，會(huì)逐步考慮這些因素的影響，使仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加接近。綜上所述，該仿真模型用于該系統(tǒng)的研究是可行的，可以用來指導(dǎo)裝置的改進(jìn)。

圖4 輸出壓力仿真曲線與實(shí)驗(yàn)曲線

接下來采用本文建立的仿真模型考察主彈簧剛度對(duì)高壓缸內(nèi)壓力及主閥芯開度的影響，設(shè)定主彈簧剛度分別為2250kN/m和1000kN/m，其余參數(shù)不變，圖5所示的是不同主彈簧剛度條件下，高壓缸內(nèi)壓力變化。

圖5 輸出壓力隨時(shí)間變化

由圖5可知，改變主彈簧剛度可以改變高壓缸內(nèi)產(chǎn)生的壓力峰值及穩(wěn)定值。主彈簧剛度從2250kN/m變?yōu)?000kN/m時(shí)，輸出壓力峰值變大，穩(wěn)定值也變大。

圖6為不同彈簧剛度條件下，主閥芯開度仿真結(jié)果。由圖6可知，在主彈簧剛度分別為2250kN/ m和1000kN/m時(shí)，裝置主閥芯的開度都能達(dá)到限定值10mm。當(dāng)主彈簧剛度k=2250kN/m時(shí)，主閥芯開度增大到10mm時(shí)所需時(shí)間為0.65ms;當(dāng)主彈簧剛度k=1000kN/m時(shí)，所需時(shí)間為0.63ms，時(shí)間略有減小。

圖6 裝置主閥芯開度仿真曲線

4 結(jié)論

本文介紹了高壓脈動(dòng)水錘裝置的工作過程，通過微分方程建立了其數(shù)學(xué)模型，并利用 Matlab/ Simulink對(duì)高壓脈動(dòng)水錘裝置進(jìn)行了仿真研究。通過與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，驗(yàn)證了所建仿真模型的可行性，并通過仿真得出了不同主彈簧剛度對(duì)裝置輸出壓力及主閥芯開度的影響。

［1］張景松.高壓脈動(dòng)水錘裝置［P］.中國專利: CN200610161401，2007－06－06.

［2］魏利軍.煤層高壓脈動(dòng)水力錘擊注水技術(shù)研究［D］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)，2009.

［3］魏利軍，張景松，等.高壓脈動(dòng)水錘裝置及其試驗(yàn)分析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2009（08）.

［4］田樹軍，張 宏.液壓管路動(dòng)態(tài)特性的Simulink仿真研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006（05）:1136－1138，1146.

［5］李 穎，朱伯立，張 威.Simulink動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模與仿真［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

Simulation Research on Dynamic Characteristic of High-pressure Pulsation Water-hammer with Simulink

GAO Fei

（Electrical Power Engineering School，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221116，China）

Stress state of pulsation water-hammer with high pressure（new coal water-injection equipment）was analyzed based on its influence of structure parameter on its function by simulation method.Mathematic model of this equipmentwas set up by differential equation.Simulationmodelwas builtup with Matlab/Simulink dynamic simulation tools.Simulation resultwas proved be feasible by comparing it with experimental result.Influence of main spring rigidity on output pressure and opening of main valve core was analyzed.Results showed that rigidity ofmain spring reduced from 2250Kn/m to 1000Kn/m，summit pressure of the equipment increased and stable pressure increased also，opening ofmain valve core were 10mm.

high-pressure pulsation water-hammer;dynamic characteristic;Matlab/Simulink;simulation

TD714.4

A

1006-6225（2011）04-0026-03

2011－03－21

“十一五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目——深部礦井瓦斯災(zāi)害綜合治理成套技術(shù)子項(xiàng)目:難以抽放煤層的高壓脈動(dòng)水錘裂化技術(shù)研究（HNKY－JT－JS－（2008）10）

高 飛 （1987－），男，江蘇盱眙人，碩士研究生，從事流體力學(xué)、流體機(jī)械及工程方面的研究。

［責(zé)任編輯:徐亞軍］

開采與設(shè)計(jì)