三伸縮立柱底閥的設(shè)計(jì)

(鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司， 河南 鄭州 450016)

引言

目前國內(nèi)液壓支架立柱有的三種形式：?jiǎn)紊炜s、單伸縮機(jī)械加長(zhǎng)、雙伸縮。其中雙伸縮立柱伸縮比最大，可以滿足多數(shù)煤礦的需求。但少數(shù)地區(qū)煤層賦存厚度頻繁變化，特別是采區(qū)有斷層需要穿過，都需要支架能夠降得更低。這時(shí)需要工作面內(nèi)液壓支架的支護(hù)高度范圍非常大，而支架的支護(hù)高度是由立柱的調(diào)高范圍決定的，而目前使用廣泛的雙伸縮立柱已不能完全滿足使用要求，因此需要研發(fā)伸縮比更大的三伸縮立柱，以滿足市場(chǎng)的需要。而三伸縮立柱的缸徑與活柱的面積比更大，這就需要底閥的承壓能力必須要有突破性的提高，才能滿足三伸縮立柱的使用要求。因此建立了三伸縮立柱底閥研發(fā)項(xiàng)目，研發(fā)承壓能力更強(qiáng)、可靠性更高的底閥以滿足市場(chǎng)的需求。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

依據(jù)三伸縮立柱各級(jí)缸缸徑為360/280/200，作為參照設(shè)計(jì)三伸縮立柱底閥，三伸縮立柱的一級(jí)缸最高工作壓力為45 MPa，對(duì)應(yīng)的二級(jí)缸壓力為74.4 MPa，三級(jí)缸壓力為145.8 MPa。這時(shí)三伸縮立柱底閥的最大壓差為71.4 MPa，因此設(shè)計(jì)時(shí)確定其密封壓力確定為80 MPa，根據(jù)立柱試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，底閥最大密封試驗(yàn)壓力為120 MPa，因三級(jí)缸在采煤過程中時(shí)動(dòng)作較少，所以對(duì)流量的要求不高，根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定該底閥在壓差為15 MPa時(shí)，流量大于200 L/min，就能夠滿足支架升柱的速度要求。

2 底閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于該底閥的最大密封試驗(yàn)壓力高120 MPa，所以密封副采用聚甲醛或PEEK等材料已不能滿足設(shè)計(jì)要求，因此該底閥密封結(jié)構(gòu)采用鋼對(duì)鋼的硬密封結(jié)構(gòu)。底閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 底閥結(jié)構(gòu)圖

該底閥的關(guān)鍵技術(shù)是形成密封副的兩個(gè)錐面的錐角有一定的角度差， 這樣能保證密封壓力低時(shí)密封副的密封形式為線密封，以保證低壓密封性能，當(dāng)密封壓力升高時(shí)，由于鋼材有一定的彈性變形能力，密封副的密封形式會(huì)隨著密封壓力的升高由線密封變?yōu)槊婷芊猓疵芊飧钡慕佑|有一定的寬度。隨著密封壓力的升高，密封副的接觸面積越來也大，這樣的密封結(jié)構(gòu)使密封壓力和密封副的接觸強(qiáng)度做到了完整的統(tǒng)一。

該底閥正常工作時(shí)，閥芯會(huì)在液壓力和彈簧力的作用下左右運(yùn)動(dòng)，閥芯的運(yùn)動(dòng)以調(diào)壓絲堵的中心孔為導(dǎo)向，因?yàn)樵摰组y的密封結(jié)構(gòu)鋼對(duì)鋼的硬密封，因此對(duì)調(diào)壓絲堵、閥體、閥芯3個(gè)零件的同軸度要求極高，如果這3個(gè)零件中任何1個(gè)的同軸度達(dá)不到要求，該底閥的密封性能就不能保證，甚至無法起到密封作用。調(diào)壓絲堵和閥體的配合公差以及調(diào)壓絲堵和閥芯的配合公差必須足夠小，否則底閥在關(guān)閉的時(shí)候，閥芯有少許傾斜，該底閥的密封性能就會(huì)受到很大的影響。

由于閥體和閥芯形成密封副的兩個(gè)錐面的角度不同，在密封壓力低時(shí)，密封副的接觸形式為線接觸，理論上接觸面積為無窮小，隨著密封壓力的升高，閥體和閥芯接觸處會(huì)有微小的變形，密封副的接觸面積仍然很小。通過以上分析，閥體和閥芯接觸處是該底閥受力的最薄弱點(diǎn)，應(yīng)對(duì)此處進(jìn)行強(qiáng)度分析，確定底閥結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求。

3 底閥結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的有限元分析與計(jì)算

首先要簡(jiǎn)化分析模型，因?yàn)橛邢拊治鍪且粋€(gè)近似求解的計(jì)算過程，模型越復(fù)雜，分析的可靠性、可行性以及計(jì)算效率就會(huì)越低。

1) 簡(jiǎn)化底閥的強(qiáng)度分析模型(見圖2)

2) 參數(shù)設(shè)置

閥體、閥桿材料：3Cr13

底閥右端的封閉壓力：120 MPa

閥芯所受的彈簧力：900 N

3) 仿真分析結(jié)果

從圖3可以得出：底閥的最大壓應(yīng)力為525.84 MPa。

圖2 簡(jiǎn)化后的底閥強(qiáng)度分析模型

圖3 應(yīng)力云圖

4) 仿真結(jié)果分析計(jì)算與結(jié)論

已知：閥體、閥桿的材料為3Cr13，其力學(xué)性能如下：

抗拉強(qiáng)度σb：淬火回火≥735 MPa

條件屈服強(qiáng)度σ0.2：淬火回火≥540 MPa

從《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得[σ]為許用應(yīng)力，[σ]=σ0.2/n；安全系數(shù)n=1.2～2.2，現(xiàn)安全系數(shù)n取2；則[σ]=σ0.2/n=540/2=270 MPa；擠壓應(yīng)力[σjy]=njy[σ]，njy=1.5～2.5；現(xiàn)njy取2；則[σjy]=njy[σ]=2×270 MPa=540 MPa。

從圖3得出閥體上密封處的擠壓應(yīng)力最大值為525.84 MPa，小于540 MPa，故在安全系數(shù)為2時(shí)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4 底閥壓力-流量的仿真分析

1) 用AMESim搭建底閥模型(見圖4)

圖4 底閥的AMESim仿真模型

2) 參數(shù)設(shè)置

入口壓力在0～10 s內(nèi)勻速由0～30 MPa，彈簧剛度為800 N/mm，彈簧預(yù)壓緊力為900 N。

3) 仿真結(jié)果

從圖5得出：底閥在壓差15 MPa時(shí)，流量為227.588 L/min，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 底閥壓力-流量曲線

5 試驗(yàn)

該底閥的樣機(jī)實(shí)物照片如圖6所示。在我公司自行研制的大流量綜合試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)該底閥進(jìn)行流量特性測(cè)試。底閥流量特性試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖6 底閥

底閥型號(hào)FDLX底閥編號(hào)20140220002試驗(yàn)壓力/MPa15額定壓力/MPa80測(cè)試流量/L·min-1213．41檢測(cè)日期2014-01-20

(1) 密封性能試驗(yàn)：分別向底閥封閉腔打1 MPa和120 MPa的壓力，保壓分別保壓3 min，無泄漏，保壓性能良好，密封性能滿足要求。

(2) 流量特性試驗(yàn)：試驗(yàn)臺(tái)溢流閥的調(diào)定壓力為15 MPa時(shí)得到如圖7所示的測(cè)試結(jié)果。

圖7 試驗(yàn)壓力為15 MPa時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果

此時(shí)通過底閥的流量213.41 L/min；滿足設(shè)計(jì)要求，試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果差別不大，也驗(yàn)證了仿真分析的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出：該底閥能夠滿足設(shè)計(jì)要求。該底閥的研發(fā)成功為高水基超高壓液壓閥的研發(fā)提供了借鑒。它對(duì)我國大伸縮比液壓支架的研發(fā)提供了強(qiáng)有力的支持，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

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