基于AMESim自適應(yīng)大流量安全閥動態(tài)特性影響因素研究

高宇龍，姚麗英，張占東

(1.山西大同大學(xué)教學(xué)實驗與實訓(xùn)中心，山西大同 037003；2.山西大同大學(xué)機電工程學(xué)院，山西大同 037003）

現(xiàn)階段煤炭仍然是我國最經(jīng)濟安全的能源資源，其生產(chǎn)和利用方式向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型，將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈、5G等新技術(shù)與傳統(tǒng)采礦技術(shù)深度融合，推進建設(shè)智能化煤礦[1-3]。在智能化綜采設(shè)備中，液壓支架作為“三機配套”設(shè)備之一，與采煤機、刮板輸送機相互配合共同完成作業(yè)空間維護、采煤、落煤、運煤等作業(yè)任務(wù)[4]。安全閥作為液壓支架的主要控制元件，在有沖擊地壓和堅硬難冒的特殊頂板條件下可以實現(xiàn)對液壓支架的安全保護，其動態(tài)特性的優(yōu)劣直接決定其支護性能的可靠性[5]。

目前，大流量安全閥的研究主要集中在單作用閥，對雙作用閥的研究較少。其中，宋宇寧[6]研究的雙級保護大流量安全閥的一級直動閥存在行程長，動態(tài)響應(yīng)慢，密封效果不良等問題，需繼續(xù)開展具有優(yōu)良啟閉特性的安全閥。據(jù)此，現(xiàn)對結(jié)構(gòu)優(yōu)化的雙級保護大流量安全閥的動態(tài)特性進行研究，使安全閥在劇烈高壓沖擊（50～55 MPa）、較高壓擾動（45～50 MPa）兩種高壓同時沖擊下，能開啟不同大小流量的卸荷，這樣的自適應(yīng)大流量安全閥更能迎合將來智能開采的需求。

1 工作原理

自適應(yīng)大流量安全閥分為一級普通錐閥和二級平面錐形差動閥，結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 自適應(yīng)大流量安全閥結(jié)構(gòu)

一級普通錐閥由錐閥閥芯、一級閥芯彈簧座、閥座、一級閥芯彈簧、一級閥芯彈簧調(diào)節(jié)座、一級閥芯彈簧調(diào)節(jié)座止推螺堵組成；二級錐形差動閥由平面錐形差動閥閥芯、二級閥芯彈簧、二級閥芯彈簧座、二級閥芯彈簧調(diào)節(jié)座、二級閥芯彈簧調(diào)節(jié)座止推螺堵組成；其余零件還包括閥套、閥座等。當(dāng)液壓支架頂板受到?jīng)_擊程度較小、采動壓力等較高壓擾動（45～50 MPa），一級小流量錐閥閥芯開啟，通過排放液壓系統(tǒng)內(nèi)小流量的工作液體來緩解立柱回路受到的低壓沖擊，此時二級差動閥芯任然處于閉合狀態(tài)；當(dāng)頂板受到劇烈沖擊（50～55 MPa）時，一級閥芯開啟的小流量不足以卸壓，此時二級閥芯打開，以大流量迅速卸壓，從而保證液壓支架工作的可靠性。因此，這種自適應(yīng)大流量安全閥更能適應(yīng)復(fù)雜頂板條件下液壓支架的使用環(huán)境。

2 仿真模型及參數(shù)設(shè)置

依據(jù)自適應(yīng)大流量安全閥結(jié)構(gòu)及工作原理，并將兩級閥芯進行聯(lián)合仿真，模型如圖2。按照設(shè)計要求，自適應(yīng)大流量安全閥的一級錐閥額定開啟壓力為45 MPa，二級差動錐閥額定開啟壓力為50 MPa。

圖2 自適應(yīng)大流量安全閥仿真模型

在AMESim 軟件的參數(shù)設(shè)置模式中，將自適應(yīng)大流量安全閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行相應(yīng)的設(shè)置，其結(jié)構(gòu)參數(shù)詳細見表1。

表1 自適應(yīng)大流量安全閥仿真模型參數(shù)

此外，工作介質(zhì)為高水基乳化液，密度值設(shè)為998 kg/m3，動力粘度0.051 Pa·s，彈性模量1 980 MPa；流量源設(shè)置1個階段，一級錐閥仿真流量源設(shè)置為階躍信號，值為50 L/min，二級錐形差動閥仿真流量源設(shè)置為階躍信號，值為2 000 L/min，流量沖擊時間都設(shè)置為0.2 s；計算時間為0.1 s，計算步長為0.000 1 s，選用標(biāo)準(zhǔn)計分器，單次運行，計算允許誤差10-5，按動態(tài)模式仿真。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 一級錐閥與一級直動閥的動態(tài)特性對比

一級直動閥的仿真模型如圖3，其仿真參數(shù)設(shè)置見表2。將設(shè)置完成的參數(shù)運行仿真后，得出描述一級錐閥及一級直動閥的動態(tài)特性相關(guān)曲線如圖4。

圖3 自適應(yīng)大流量安全閥仿真模型

表2 一級直動閥仿真參數(shù)

圖4 一級錐閥與直動閥動態(tài)特性對比仿真曲線

根據(jù)圖4的壓力曲線和流量曲線可知，自適應(yīng)大流量安全閥的一級錐閥在17 ms 時開啟，開啟后最大壓力可達45.5 MPa，最大流量55 L/min，壓力穩(wěn)定時間6 ms，由此可計算得到一級錐閥的壓力超調(diào)率為1.1%，流量超調(diào)率為10%；一級直動閥的開啟時間為18 ms，開啟后最大壓力可達到48 MPa，最大流量為80 L/min，壓力穩(wěn)定時間為20 ms，同樣可得壓力超調(diào)率為6.7%，流量超調(diào)率為60%。通過閥芯位移曲線與閥芯速度曲線可以看出，一級錐閥剛開啟時，閥芯產(chǎn)生了非線性振蕩，閥芯開度最大可達0.28 mm，達到額定流量50 L/min 時一級錐閥閥芯開度為0.22 mm，一級錐閥閥芯速度最大為0.15 m/s；一級直動閥芯最大開度可達1 mm，一級直動閥閥芯速度最大可達0.4 m/s。

綜合分析可知，一級錐閥的壓力超調(diào)率及流量超調(diào)率都低于一級直動閥，壓力穩(wěn)定時間一級錐閥比一級直動閥短，閥芯最大位移及最大速度都是一級錐閥的小，由此可得出優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的一級錐閥具有更加優(yōu)良的動態(tài)特性。

3.2 不同彈簧剛度對二級閥芯動態(tài)特性的影響

根據(jù)二級閥芯的受力分析可知，二級閥芯彈簧彈力的大小不僅與彈簧剛度成正比，同時與彈簧預(yù)壓縮量也稱正比，如果單一改變彈簧剛度這一參數(shù)，閥芯開啟壓力會受到明顯的影響，不符合二級錐形差動閥的額定壓力的要求，對閥芯動態(tài)特性的影響不能全面反應(yīng)。

其他仿真參數(shù)不變，選取二級閥芯彈簧剛度為240、300、360 N/mm，對應(yīng)彈簧預(yù)壓縮量分別為15、12、10 mm，設(shè)置完成后分別進行相應(yīng)的仿真試驗，并將不同組的仿真實驗結(jié)果匯總在一起得出二級閥芯的動態(tài)特性曲線如圖5。

圖5 二級閥芯不同彈簧剛度的動態(tài)特性曲線

通過圖5可知，增加彈簧剛度的同時減少彈簧預(yù)壓縮量，使安全閥的額定工作壓力仍為50 MPa，二級閥芯壓力超調(diào)量減小，壓力上升時間、壓力穩(wěn)定時間幾乎一樣。隨著彈簧剛度的增大，安全閥的流量超調(diào)量有一定程度的降低，同時閥芯在動態(tài)平衡過程中最大位移在降低，最大閥芯速度無明顯變化，所以在進行二級閥芯彈簧剛度的設(shè)計計算及選型時要適當(dāng)增大彈簧剛度，減少彈簧預(yù)壓縮量。

3.3 不同差動腔容積對二級閥芯動態(tài)特性的影響

差動腔與二級閥芯進液口在二級閥芯開啟過程中存在流體的交換，最終達到穩(wěn)定狀態(tài)時二級閥芯的穩(wěn)定壓力與差動腔容積有關(guān)。本文設(shè)置其他仿真參數(shù)不變，將差動腔容積拖入?yún)?shù)研究中并設(shè)置差動腔容積分別為30、40、50 mL，在仿真運行設(shè)置欄中進行批處理設(shè)置并運行，最終得到二級閥芯不同差動腔容積的動態(tài)特性曲線如圖6。

圖6 不同差動腔容積的動態(tài)特性曲線

由圖6 可知，隨著差動腔容積的增加，二級閥芯壓力超調(diào)量、流量超調(diào)量均有一定程度的下降，二級閥芯的位移沒有明顯變化，但二級閥芯的最大速度增大。因此，為得到優(yōu)良動態(tài)特性的二級錐形差動閥，可適當(dāng)增大差動腔的容積。

4 結(jié)論

針對目前雙級保護大流量安全閥一級直動閥存在的不足，對雙級保護大流量安全閥進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及動態(tài)特性仿真分析，并將結(jié)果進行了分析對比，主要得出以下結(jié)論：

（1）將雙級保護大流量安全閥一級直動閥優(yōu)化為一級普通錐閥結(jié)構(gòu)，最終得到動態(tài)特性更加優(yōu)良的自適應(yīng)大流量安全閥。

（2）借助AMESim 軟件對安全閥的仿真分析可知，一級錐閥的壓力超調(diào)率及流量超調(diào)率都低于一級直動閥，壓力穩(wěn)定時間、閥芯最大位移及最大速度都是一級錐閥的小，所以優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的一級錐閥具有更加優(yōu)良的動態(tài)特性。

（3）利用AMESim 軟件對安全閥的動態(tài)特性仿真分析可知，增大二級閥芯的彈簧剛度及差動腔的容積都可得到動態(tài)性能更加優(yōu)良的自適應(yīng)大流量安全閥。