沖擊作用下液壓支架雙級安全閥動態(tài)特性研究

宋宇寧，徐曉辰，張文武

(營口理工學(xué)院機(jī)械與動力工程學(xué)院， 遼寧 營口 115014)

1 引言

隨著煤炭開采工作面不斷向綜合機(jī)械化和無人化的方向發(fā)展，對煤礦開采和運(yùn)轉(zhuǎn)過程的工作效率和安全系數(shù)的要求也越來越高。液壓支架的工作面支護(hù)是綜采工作面的采煤過程高效安全進(jìn)行的主要保障。目前國內(nèi)大部分采場最常見的問題就是隨著采煤掘進(jìn)深度的加大，直接頂或老頂出現(xiàn)斷裂，使得與直接頂接觸的液壓支架頂梁承受較大的沖擊載荷。根據(jù)煤礦發(fā)生事故的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，因頂板出現(xiàn)事故的概率在50%以上。立柱是液壓支架完成頂板工作面支護(hù)的主要動力元件，為了使液壓支架在應(yīng)對工作面的沖擊載荷時能有較高的抗沖擊能力，保證采煤工作面安全穩(wěn)定，一般通過改進(jìn)立柱結(jié)構(gòu)形式或提升立柱回路安全閥卸荷能力來實(shí)現(xiàn)。隨著大采高工作面的出現(xiàn)，液壓支架安全閥也向高壓、大流量方向發(fā)展。文獻(xiàn)[7]對霍爾辛赫礦液壓支架安全閥大量損壞的現(xiàn)象進(jìn)行了統(tǒng)計分析，證明安全閥液壓油的品質(zhì)及沖擊載荷過大是其損壞的主要原因。文獻(xiàn)[8-11]從流體力學(xué)的角度，對安全閥的閥芯進(jìn)行了液動力分析及仿真。李閣強(qiáng)通過對直動式500 L/min安全閥進(jìn)行了啟溢閉特性仿真及試驗(yàn)，得到了安全閥的壓力和流量特性曲線。

雖然上述專家學(xué)者對安全閥進(jìn)行了大量的仿真分析，但主要研究對象為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的安全閥，且在沖擊作用下安全閥卸荷特性的仿真及試驗(yàn)研究方面略顯不足。本文基于直動溢流閥和差動錐閥的組合結(jié)構(gòu)，試制了公稱流量為1 000 L/min的雙級聯(lián)動式安全閥。模擬不同的頂板沖擊形式，對雙級安全閥的動態(tài)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，自制快速加載沖擊試驗(yàn)臺對安全閥的動態(tài)性能進(jìn)行驗(yàn)證并作出評價。

2 雙級安全閥建模

2.1 安全閥結(jié)構(gòu)及原理

根據(jù)GB 25974.3—2010，煤礦用液壓支架第3部分：液壓控制系統(tǒng)及閥，參照液壓支架直動式安全閥的結(jié)構(gòu)形式，文中的安全閥為雙級聯(lián)動結(jié)構(gòu)，一級直動閥額定流量=50 L/min，額定壓力=45 MPa，當(dāng)立柱回路壓力波動范圍較小時，通過排出一定量的液體來保障回路壓力穩(wěn)定，由于其結(jié)構(gòu)的限制，一級直動閥的流量較小，開啟壓力相對較低；二級差動主閥額定流量=1 000 L/min，額定壓力=50 MPa，當(dāng)立柱回路因頂板沖擊產(chǎn)生較大的壓力波動時，通過排出大量高壓液體對回路進(jìn)行卸荷保護(hù)，使安全閥在壓力突變的情況下能夠保持良好的卸荷能力。雙級安全閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.閥連接頭；2.閥座；3.差動閥芯；4.閥套；5.外彈簧座；6.直動閥芯；7.內(nèi)彈簧座；8.外彈簧；9.內(nèi)彈簧；10.內(nèi)彈簧調(diào)節(jié)螺套；11.防塵罩

雙級安全閥卸荷過程為：當(dāng)液壓支架頂梁受到?jīng)_擊，立柱下腔的壓力急劇升高，立柱內(nèi)液體進(jìn)入安全閥的閥腔，高壓液體經(jīng)差動閥芯內(nèi)部，通過閥芯上的阻尼口C進(jìn)入安全閥差動腔，作用在差壓面積B上，同時部分液體還會通過閥芯空腔作用在直動閥芯上。當(dāng)立柱下腔內(nèi)壓力升高到直動閥芯的開啟壓力時，直動閥開啟，液體從安全閥防塵罩上的射流口流出，使立柱下腔的壓力得到初步控制。當(dāng)頂板下沉速度較快、產(chǎn)生較大的沖擊載荷時，支架立柱下腔壓力突然升高，需要快速排出下腔內(nèi)大量的高壓液體，對立柱進(jìn)行卸荷保護(hù)，而直動閥的額定流量較小，閥芯全部開啟也無法實(shí)現(xiàn)短時間進(jìn)行卸荷，此時差動閥開啟，高壓液體通過出液口A流出，對立柱進(jìn)行快速卸荷，從而保證液壓支架整個回路的穩(wěn)定。

2.2 雙級安全閥數(shù)學(xué)模型

根據(jù)雙級安全閥的額定流量和額定壓力，對安全閥的兩級閥芯進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

直動閥進(jìn)液口流量方程：

(1)

式中：為直動閥入口流量，m/s；為安全閥進(jìn)口壓力，MPa；為液體彈性模量，N/m；為直動閥入口面積，m；1為直動閥內(nèi)液體體積，m。

直動閥出液口流量方程：

(2)

式中：為直動閥流量，m/s；為過流濕周，m；為流量系數(shù)；為直動閥芯位移，m；為安全閥出口壓力，MPa；為液體密度，kg/m。

直動閥閥芯動力方程：

(3)

式中：為直動閥芯質(zhì)量，kg；為等效阻尼系數(shù)，N·s/m；1為內(nèi)彈簧剛度，N/m；為內(nèi)彈簧預(yù)壓縮量，m；為液動力剛度系數(shù)，N/m。

差動閥進(jìn)液口流量方程：

(4)

式中：為差動閥進(jìn)口截面積，m；2為差動閥內(nèi)液體體積，m。

差動閥出液口流量方程：

(5)

式中：為差動閥芯位移，m。

因差動閥芯與直動閥芯的結(jié)構(gòu)差異，使得差動閥芯受到環(huán)形差動面積產(chǎn)生的軸向液壓力·Δ，所以差動閥芯的動力方程為：

(6)

式中：為差動閥芯質(zhì)量，kg；Δ為差動閥的差動面積，m；2為外彈簧剛度，N/m；為外彈簧預(yù)壓縮量，m；其他參數(shù)意義與直動閥相同。

3 沖擊來源及立柱回路建模

3.1 頂板沖擊分析模型

液壓支架在工作面支護(hù)時經(jīng)常面臨因煤層頂板斷裂與垮落產(chǎn)生的沖擊載荷。沖擊載荷主要有2種情況：① 直接頂出現(xiàn)裂縫或斷裂產(chǎn)生沖擊；② 直接頂之上的老頂因開采深度增加導(dǎo)致受力失衡產(chǎn)生沖擊。工作面支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 工作面支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

液壓支架所受沖擊載荷的傳遞規(guī)律，采場頂板產(chǎn)生斷裂或失衡時，直接頂迅速下沉，瞬間產(chǎn)生較大的沖擊載荷作用于液壓支架頂梁，使立柱內(nèi)的壓力和容積發(fā)生變化，此時需要立柱回路中的安全閥通過連續(xù)、快速的卸荷降壓，才能保證支架不被沖擊破壞。由于沖擊需要短暫的積累及傳遞的過渡，因此立柱活塞腔壓力、容積的變化又會導(dǎo)致液體的壓縮及立柱缸體材料的膨脹變形。

基于以上分析，用充滿整個采空區(qū)為衡量標(biāo)準(zhǔn)來認(rèn)定直接頂?shù)牡袈涓叨?，則其厚度為

(7)

式中：為直接頂?shù)暮穸龋琺；為采高，m；為巖層的松散系數(shù)，一般在125～150內(nèi)取值。

由此可得直接頂?shù)闹亓繛?/p>

==(2～4)

(8)

式中：為液壓支架頂梁的長度，m；為液壓支架頂梁的寬度，m；為巖體容重，N/m。

將頂板對液壓支架產(chǎn)生的沖擊等效成直接頂?shù)闹亓颗c沖擊載荷系數(shù)的乘積，則液壓支架所受最大沖擊載荷為：

==(2～4)

(9)

式中：為沖擊載荷系數(shù)。

沖擊載荷系數(shù)與采高距離相關(guān)，以2～4 m的采高距離為例取=2，代入到式(9)中可得：

=(4～8)

(10)

3.2 立柱回路動態(tài)特性建模

液壓支架立柱回路頂梁受周期性載荷的沖擊作用，頂板不同的沖擊形式直接影響立柱活塞腔壓力的變化規(guī)律。立柱回路通過安全閥的開啟、閉合動作實(shí)現(xiàn)對立柱活塞腔的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。因此，安全閥的壓力、流量特性可反映立柱活塞腔壓力的變化規(guī)律。支架立柱液壓回路原理如圖3所示。

圖3 支架立柱液壓回路原理示意圖

支架頂梁受直接頂沖擊載荷作用而下沉，使得立柱活塞腔的壓力上升，當(dāng)壓力升高至安全閥的開啟壓力，閥芯開啟為支架卸荷降壓，隨著液體排出，壓力得以釋放，安全閥關(guān)閉，繼續(xù)為系統(tǒng)保壓。

沖擊作用下，立柱回路的流量動態(tài)特性方程為：

(11)

式中：為立柱活塞底面面積，m；為頂板沖擊速度，m/s；為立柱活塞腔液體容積，m；Δ為安全閥壓力超調(diào)量。

頂板產(chǎn)生沖擊時，導(dǎo)致立柱缸體發(fā)生剛性變形，立柱活塞腔體積發(fā)生變化，且立柱壁厚遠(yuǎn)小于缸體直徑，可將缸體視為薄壁圓筒。則立柱活塞腔的體積變化方程為：

(12)

式中：為缸體材料彈性模量，N/m；為缸體材料泊松比；為立柱活塞初始高度，m；為立柱活塞下降后的高度，m；為缸體內(nèi)徑，m；為缸體外徑，m；Δ為缸體內(nèi)徑形變量，m。

沖擊作用下，雙級安全閥開啟溢流，為立柱卸荷降壓；沖擊消失后，安全閥關(guān)閉為立柱保壓，此過程立柱回路的動態(tài)方程為：

4 沖擊作用下安全閥動態(tài)特性數(shù)值模擬

根據(jù)沖擊作用下的回路動態(tài)方程，利用Matlab/Simulink模擬頂板不同的沖擊形式，對安全閥動態(tài)特性進(jìn)行模擬，仿真模型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 雙級安全閥仿真模型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)[5]給出的液壓支架立柱沖擊外載特征曲線，雙級安全閥主要技術(shù)參數(shù)如表1、表2所示：

模擬沖擊持續(xù)時間一定，沖擊速度不同的沖擊形式，設(shè)定沖擊持續(xù)時間為0.1～0.5 s，沖擊速度分別為：0.26 m/s、0.41 m/s、0.53 m/s、0.64 m/s、0.80 m/s的三角沖擊。雙級保護(hù)安全閥動態(tài)特性如圖5所示。

由圖5可知，頂板沖擊速度增加，安全閥壓力、流量上升時間減少，并產(chǎn)生非線性振蕩。0.17～0.31 s，大量的高壓液體通過安全閥排出，安全閥壓力超調(diào)增加，隨沖擊速度的增加出現(xiàn)較大波動，壓力最大值為54 MPa，流量最大值為1 500 L/min。 0.31 s后，沖擊速度減少，支架立柱回路內(nèi)的壓力趨于穩(wěn)定，閥芯逐漸閉合為系統(tǒng)保壓，最終安全閥壓力約為38 MPa。

模擬沖擊速度一定，不同沖擊持續(xù)時間的沖擊形式，設(shè)定沖擊速度為0.53 m/s，沖擊持續(xù)時間分別為0.04～0.56 s、0.07～0.53 s、0.1～0.5 s、0.13～0.47 s、0.16～0.44 s的三角波沖擊，雙級安全閥的動態(tài)特性如圖6。

表1 直動閥芯主要技術(shù)參數(shù)

表2 差動閥芯主要技術(shù)參數(shù)

圖5 不同沖擊速度下安全閥動態(tài)特性曲線

圖6 不同沖擊持續(xù)時間下安全閥動態(tài)特性曲線

由圖6可知，沖擊持續(xù)時間縮短，閥芯非線性振蕩加劇，閥芯開啟進(jìn)行卸荷階段所需時間變短。在0.31 s前，壓力超調(diào)量增加，壓力振蕩加劇，最大壓力可達(dá)54 MPa，安全閥出現(xiàn)較大的流量波動，流量最大值為1 020 L/min，隨著大量高壓液體的排出，沖擊產(chǎn)生的載荷逐漸被卸載；到達(dá)0.31 s后，閥芯開始閉合保壓，此階段安全閥壓力超調(diào)量減小，額定工作壓力降低，系統(tǒng)保持壓力值為38 MPa。

根據(jù)不同沖擊形式下安全閥動態(tài)特性仿真的結(jié)果，頂板沖擊持續(xù)時間越短、沖擊速度越大，對立柱回路造成沖擊越大，安全閥閥芯非線性振蕩越劇烈，出現(xiàn)較大的壓力-流量波動，通過閥芯的反復(fù)開啟，將大量的高壓液體排出，為系統(tǒng)卸荷降壓；當(dāng)系統(tǒng)壓力下降至安全閥開啟壓力，閥芯閉合為系統(tǒng)保壓。整個卸荷過程雙級安全閥壓力上升時間約為20 ms，壓力穩(wěn)定時間約為18 ms，靈敏度較高，在應(yīng)對頂板不同沖擊形式時，均能夠快速開啟和卸荷，保證液壓支架立柱回路壓力穩(wěn)定。

5 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)安全閥動態(tài)測試指標(biāo)：壓力超調(diào)量≤30%，壓力上升時間≤25 ms，利用煤礦支護(hù)裝置“高抗-快卸”沖擊實(shí)驗(yàn)臺，對雙級安全閥進(jìn)行沖擊加載測試。加載壓力分別為58 MPa、57 MPa、56 MPa。測試條件為常溫，高水基乳化液(中性水∶乳化液=0.95∶0.05)，液體初始粘度1.5 mm/s。測試時，為防止高壓液體噴濺，將雙級安全閥置于護(hù)罩內(nèi)，閥體外聯(lián)接頭與實(shí)驗(yàn)臺通過2SN-50-60型礦用高壓膠管連接，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過Bee Data信號采集系統(tǒng)導(dǎo)出。雙級安全閥樣件及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場如圖7所示。

圖7 雙級安全閥樣件及沖擊實(shí)驗(yàn)臺布置圖

對雙級安全閥進(jìn)行加載之前，首先利用乳化液泵對液壓缸充液，使液壓缸保持一定高度，隨后通過主油泵對蓄能器組加壓，沖擊壓力達(dá)到設(shè)定值后對雙級安全閥進(jìn)行沖擊加載。忽略實(shí)驗(yàn)過程中存在的微量泄露及管路波動等誤差來源，得到不同加載壓力下，雙級安全閥的壓力、流量特性曲線分別如圖8、圖9。

圖8 安全閥壓力

圖9 安全閥流量

由圖8可知，在第10.39 s前，系統(tǒng)處于充液、加壓階段，沖擊尚未開始，安全閥壓力幾乎為0。10.39 s時沖擊開始，安全閥壓力在10 ms內(nèi)上升至加載壓力設(shè)定值，安全閥開啟溢流；10 ms后壓力稍有降低，閥芯略有閉合，導(dǎo)致安全閥出現(xiàn)一定的壓力波動。經(jīng)過的反復(fù)壓力振蕩，最終維持在安全閥額定工作壓力45 MPa左右，隨著高壓液體經(jīng)安全閥排出，安全閥閥芯回彈直至閉合為系統(tǒng)保壓，此時系統(tǒng)壓力維持在30 MPa左右。

由圖9可知，在第10.39 s沖擊開始，安全閥流量由初始的0 L/min升高到1 210 L/min，隨著安全閥反復(fù)開啟卸荷，出現(xiàn)流量波動且在950 L/min左右，大量的高壓液體經(jīng)出液口排出后，安全閥閉合，安全閥出液口流量降至0 L/min。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，雙級安全閥穩(wěn)態(tài)壓力為45 MPa，穩(wěn)態(tài)流量為950 L/min，壓力超調(diào)量為22.3%，壓力上升時間為20 ms，保持壓力為30 MPa，雙級安全閥在應(yīng)對高壓沖擊時動態(tài)性能表現(xiàn)良好。

5 結(jié)論

1) 沖擊持續(xù)時間一定，沖擊速度越大，雙級安全閥非線性振蕩越劇烈，壓力-流量波動越明顯，最大流量越高。

2) 沖擊速度一定，沖擊持續(xù)時間縮短，雙級安全閥壓力穩(wěn)定時間縮短，但壓力上升時間不變。

雙級安全閥的穩(wěn)態(tài)壓力為45 MPa，穩(wěn)態(tài)流量為950 L/min，壓力上升時間為20 ms，雙級安全閥壓力超調(diào)量為22.3%，壓力上升時間較短、靈敏度較高。對不同的頂板沖擊形式及不同沖擊壓力均可快速、大流量對液壓支架進(jìn)行卸荷降壓，動態(tài)特性滿足煤炭開采工作面支護(hù)的要求。