礦用新型流量控制閥的出口過流面積分析

張敬芳，王進(jìn)京，尹彥超，郝尚清，魏碩

(1.太原科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原 030024；2.太重煤機(jī)技術(shù)中心，山西太原 030032)

0 前言

經(jīng)過改革開放40多年的創(chuàng)新發(fā)展,中國煤礦在開采技術(shù)方面取得了舉世矚目的成就，我國煤礦實(shí)現(xiàn)了從普通機(jī)械化、綜合機(jī)械化到自動(dòng)化的跨越, 并開始向智能化邁進(jìn), 為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供了可靠的能源保障[1-2]。

隨著礦井機(jī)械化程度的不斷提高，煤礦粉塵問題日趨突出。當(dāng)采煤工作面的粉塵濃度超過一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，不僅會(huì)嚴(yán)重污染工作環(huán)境，也將會(huì)嚴(yán)重影響作業(yè)工人的健康。在采煤機(jī)實(shí)際運(yùn)行的過程中，還存在瓦斯帶來的安全隱患。針對(duì)上述兩種問題，采煤機(jī)上的噴霧系統(tǒng)就起到了關(guān)鍵性的作用。但目前各種型號(hào)采煤機(jī)的噴霧管路系統(tǒng)中應(yīng)用較多的流量控制閥在人工設(shè)定其過流口面積的大小后，不能自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，很容易造成壓力水的流量分配不均勻[3-8]。因此，流量控制閥和其進(jìn)出口節(jié)流面積特性一直是研究熱點(diǎn)，許多學(xué)者在這方面做了大量的工作。冀宏等人[9]在2003年就解析推導(dǎo)了3種典型復(fù)雜閥口過流面積及等效閥口面積特性，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)量和流場(chǎng)計(jì)算得出的等效閥口面積進(jìn)行了比較。吳曉明等[10-11]基于Fluent軟件平臺(tái)，利用等效閥口面積原理理論計(jì)算了U+K形節(jié)流槽的過流面積及液動(dòng)力，繪制了液動(dòng)力曲線，并與仿真值進(jìn)行了比較。羅艷蕾等[12]以某型號(hào)多路閥的斗桿聯(lián)為分析對(duì)象，推導(dǎo)出閥口面積的計(jì)算公式，使用MATLAB編程得出閥口過流面積曲線、流量曲線，并比較不同形式節(jié)流槽兩種曲線的區(qū)別，分析其對(duì)微動(dòng)特性的影響。周永飛等[13]推導(dǎo)了幾種常見節(jié)流槽過流面積的計(jì)算公式，并根據(jù)Fluent軟件對(duì)利用該公式所算出的過流面積進(jìn)行了驗(yàn)算。以上研究分別用實(shí)驗(yàn)和軟件仿真的方法分析了不同類型節(jié)流閥口過流面積的特性，但是當(dāng)這些液壓閥運(yùn)用在采煤機(jī)噴霧系統(tǒng)上時(shí)，均不能很好地適應(yīng)進(jìn)出口壓力的變化，保持出口流量的穩(wěn)定。

本文作者所研究的流量控制閥的出口，由于自身的結(jié)構(gòu)特性，能夠適應(yīng)進(jìn)出口流場(chǎng)特性的變化，實(shí)現(xiàn)出口流量的穩(wěn)定。通過Fluent仿真，研究閥出口的流場(chǎng)特征；根據(jù)流場(chǎng)特征，推導(dǎo)出口節(jié)流面積的計(jì)算公式，并對(duì)比仿真結(jié)果和理論分析結(jié)果。

1 礦用新型流量控制閥的節(jié)流出口介紹

礦用新型流量控制閥的節(jié)流口結(jié)構(gòu)如圖1所示，它位于閥蓋一端的圓柱形結(jié)構(gòu)上，在其圓周方向上有4個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同且成對(duì)稱分布的節(jié)流口。

圖1 礦用新型流量控制閥的出口結(jié)構(gòu)

2 仿真分析

2.1 網(wǎng)格模型和仿真參數(shù)

把礦用新型流量控制閥的三維模型導(dǎo)入Fluent中，生成流道模型，并進(jìn)行簡(jiǎn)化。采用四面體的非結(jié)構(gòu)方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于閥結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，綜合考慮計(jì)算機(jī)的性能，得到閥的1/4網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 礦用新型流量控制閥的流道模型

采用基于壓力基的求解方法及κ-epsion標(biāo)準(zhǔn)模型，設(shè)水的密度為998.2 kg/m3、閥的入口壓力為4 MPa、出口壓力為0。

2.2 仿真結(jié)果

設(shè)閥芯位移x分別為0.5、3、8.5 mm，將此時(shí)的三維模型分別導(dǎo)入到Fluent中進(jìn)行仿真計(jì)算，得到閥出口的三維壓力云圖和對(duì)應(yīng)的平面投影壓力云圖如圖3—圖8所示。

由圖3—圖8并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)[14]可知：無論閥芯位移使得閥芯位于節(jié)流口何處位置，出口的過流面積都可以用它在平面上的投影面積近似代替。

圖3 x=0.5 mm時(shí)出口三維壓力云圖

圖4 x=0.5 mm時(shí)出口平面投影壓力云圖

圖5 x=3 mm時(shí)出口三維壓力云圖

圖6 x=3 mm時(shí)出口平面投影壓力云圖

圖7 x=8.5 mm時(shí)出口三維壓力云圖

圖8 x=8.5 mm時(shí)出口平面投影壓力云圖

3 礦用新型流量控制閥的節(jié)流出口面積理論分析

圖9—圖11為不同閥芯位移時(shí)的計(jì)算簡(jiǎn)圖。設(shè)△OP1P2的半頂角為α、節(jié)流圓口的直徑為D、閥芯初始位置到截面口的距離為L(zhǎng)?！鱋P1P2的面積為S1、扇形OP1P2的面積為S2、遮蓋面積為S3、過流面積為S4、閥芯位移為x，并建立笛卡爾直角坐標(biāo)系。為便于分析問題，取自動(dòng)控制閥中彈簧未受力時(shí)閥芯最右端的位置為坐標(biāo)原點(diǎn)、橫向?yàn)閄軸、縱向?yàn)閅軸。

(1)當(dāng)0

圖9 0

此時(shí)的過流面積等于整個(gè)圓的面積:

S4=π/4×D2

(1)

(2)當(dāng)L

圖10 L

(2)

(3)

S3=S2-S1

(4)

(5)

(3)當(dāng)L+D/2

圖11 L+D/2

此時(shí)：

(6)

(7)

S4=S2-S1

(8)

4 礦用新型流量控制閥的節(jié)流出口面積實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

根據(jù)公式(1)—(8)，運(yùn)用MATLAB編制相應(yīng)的程序代碼，可以得到閥出口過流面積的特性曲線。

再根據(jù)仿真計(jì)算得到的礦用新型流量控制閥的節(jié)流出口壓力和流量關(guān)系，由流量公式Q=CAΔpφ[15]可以反算出過流面積，其中：孔口形狀系數(shù)C=0.03；由節(jié)流口形狀決定的節(jié)流閥指數(shù)φ=0.75，理論計(jì)算和仿真計(jì)算過流面積的對(duì)比如圖12所示。

從圖12可以看出：仿真計(jì)算與理論計(jì)算的出口節(jié)流面積的變化趨勢(shì)基本相同，當(dāng)閥芯位移較小時(shí)，理論計(jì)算的出口節(jié)流面積大于仿真計(jì)算的結(jié)果，這時(shí)閥口開始發(fā)生躍遷，所以此時(shí)的誤差較大；隨著閥芯位移的增大，兩者的誤差越來越小，大約在閥芯位移為8.5 mm時(shí)，兩者結(jié)果基本相同；當(dāng)閥芯位移大于8.5 mm時(shí)，仿真計(jì)算的出口節(jié)流面積大于理論計(jì)算結(jié)果，這時(shí)壓力變化比較大，所以此時(shí)的誤差再一次變大。

圖12 礦用新型流量控制閥的過流面積對(duì)比

5 結(jié)論

采用Fluent軟件對(duì)不同位移下礦用新型流量控制閥的節(jié)流出口的流場(chǎng)進(jìn)行了仿真，確定了理論推導(dǎo)的計(jì)算方法；對(duì)流量控制閥的節(jié)流口出口過流面積進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：仿真模擬和理論推導(dǎo)相互驗(yàn)證的方法原理簡(jiǎn)單、計(jì)算精度高，為礦用新型流量控制閥的流量和壓力特性研究提供了參考。