（机械设计及理论专业论文）电磁卸荷阀动态特性仿真及流场数值模拟.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 电磁卸荷阀动态特性仿真及流场数值模拟 嬲 摘要 随着我国机械化采煤的快速发展，对乳化液泵站在压力控制和过载保 护的要求越来越高。泵站传统卸荷阀由于其本身存在的一些不足，不能很 好的满足这种要求。电磁卸荷阀的应用解决了这一难题。电磁卸荷阀作为 乳化液泵站压力控制和过载保护的关键部件，电磁卸荷阀的研究已经受到 足够重视。 为了满足电磁卸荷阀在卸载时灵敏、稳定及大流量的要求。论文分析 了电磁卸荷阀的结构和工作原理，运用流体力学、流体动力学相关知识建 立了阀腔的流量特性方程和阀芯的运动微分方程，完成了阀的动态数学模 型。并对卸荷阀关键尺寸参数进行了设计计算。 运用a m e s i m 仿真软件，建立了电磁卸荷阀的仿真模型，分析了卸荷 阀中不同参数对卸荷阀动态特性的影响。仿真结果表明：主阀芯阻尼孔直 径越小，主阀流量越大；主阀芯上腔容积越小，先导阀压力超调量越大，振 荡次数较多；主阀上腔容积越大，液控先导阀开启时间就越早，超调量越 小；主阀芯弹簧刚度越大，阀芯振荡次数越少，位移超调量也越小；卸荷阀 在电磁控制时较机械式控制时，主阀阀口压力波动较小，主阀开启卸荷时 间较早，达到稳态卸荷时间较短。 运用c f d 软件f l u e n t 建立了卸荷主阀和先导阀的二维流场流道模 型。仿真结果表明：高压流体在节流口处是速度突变最大和压降最大的地 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 方，在节流口区域处很容易观察到有气穴和漩涡现象发生。论文对卸荷主 阀的结构进行了优化改进，并对比了改进前后卸荷主阀的压力、速度分布 图和漩涡强度的大小，结论表明改进结构后的阀能够得到更好的流场特性。 论文进行的研究工作对电磁卸荷阀的结构设计和优化设计提供了理论 参考价值，对保证乳化液泵站稳定、可靠地运行有一定的现实意义。 关键词：电磁卸荷阀，动态特性，a m e s i m 仿真，流场数值模拟 太原理工大学硕士研究生学位论文 s i m u i ，a t io nd y n am i cc h ar ac t e i u s t i csa - n df l o w f i e l d so fe l e c t r o m a g n e t i cu 小儿o a d n 呵gv a l v e a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i n i n gm e c h a n i z a t i o n ，t h ed e m a n d f o rp r e s s u r ec o n t r o la n do v e r l o a dp r o t e c t i o nf o re m u l s i o np u m pb e c o m e sm o r e a n dm o r e h i g h b e c a u s eo fs o m es h o r t a g eo f t r a d i t i o n a lu n l o a d i n gv a l v ei np u m p s t a t i o n ，i tc a n n o tm e e tt h er e q u i r e m e n t s t h ed i f f i c u l tp r o b l e m sw e r es o l v e db y a p p l y i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i cu n l o a d i n gv a l v e t h ee l e c t r o m a g n e t i cu n l o a d i n g v a l v ew a ss e l e c t e da st h ek e yp a r t sf o rp r e s s u r ec o n t r o la n do v e r l o a dp r o t e c t i o n i ne m u l s i o np u m p ，t h er e s e a r c ho fe l e c t r o m a g n e t i cu n l o a d i n gv a l v eh a sa l r e a d y b e e np a i de n o u g ha t t e n t i o n i no r d e rt om e e tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs e n s i t i v i t y , s t a b i l i t ya n db i gf l o wr a t e o fe l e c t r o m a g n e t i cu n l o a d i n gv a l v e t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h e e l e c t r o m a g n e t i cu n l o a d i n gv a l v ew e r ea n a l y z e da n dt h eb o d yc a v i t y f l o w c h a r a c t e r i s t i c se q u a t i o n ，k i n e m a t i c sd i f f e r e n t i a le q u a t i o nw e r ed e s c r i b e db y u s i n gf l u i dm e c h a n i c sa n df l u i dd y n a m i c ，l a s t l yt h ed y n a m i cm a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h ev a l v ew a se s t a b l i s h e d ，t h ek e ys i z ep a r a m e t e r so fu n l o a d i n gv a l v e w a sc a l c u l a t e d t h i sp a p e ru s e da m e s i mc o d et oe s t a b l i s ht h es i m u l a t i o nm o d e lo f e l e c t r o m a g n e t i cu n l o a d i n g v a l v ea n d a n a l y z e dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 i n f l u e n c e db yt h ed i f f e r e n tp a r a m e t e r so ft h eu n l o a d i n gv a l v e t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h eb i g g e rf l o wr a t eo ft h em a i nv a l v ew a s ，t h es m a l l e rc o r e d a m p i n gh o l ed i a m e t e ro ft h em a i nv a l v ew a s ；t h ep i l o tv a l v ep r e s s u r e o v e r s h o o tw a sh i g h e ra n dt h en u m b e ro ft h ev a l v eo s c i l l a t i o nw a sm o r e g r e a t e r w h e nt h em a i nv a l v ec o r eo nc a v i t yv o l u m ei sm o r es m a l l e r ；t h eb i g g e rc a v i t y v o l u m eo ft h em a i nv a l v ew a s ，t h ee a r l i e rt h ep i l o tv a l v eo p e nt i m ei sa n dl o w e r p r e s s u r eo v e r s h o o to ft h ep i l o tv a l v ew a s ；t h er e s u l t ss h o w e dt h a tw i t ht h e i n c r e a s eo ft h es p r i n gs t i f f n e s s ，t h en u m b e ro ft h eo s c i l l a t i o no ft h ev a l v ec o r e a n dt h eo v e r s h o o t so ft h ed i s p l a c e m e n td e c r e a s e d ；t oc o m p a r e dw i t hu n l o a d i n g v a l v ec o n t r o l l e db ye l e c t r o m a g n e t i ca n dm e c h a n i c a l ，w h e nu n l o a d i n gv a l v e c o n t r o l l e db ye l e c t r o m a g n e t i c ，t h ep r e s s u r ef l u c t u a t i o no fm a i nv a l v ew a s l o w e r ，t h eo p e nt i m eo ft h em a i nv a l v ew a se a r l i e r ，t h es t e a d yu n l o a d i n gt i m e w a ss h o r t e r t h ep a p e ru s e dc f dc o d ef l u e n tt oe s t a b l i s ht h e2 df l o wf i e l d s i m u l a t i o nm o d e lo fm a i nv a l v ea n dt h eu n l o a d i n gp i l o tv a l v e t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh i g hp r e s s u r ef l u i ds p e e dm u t a t i o na n d p r e s s u r ed r o pi s t h el a r g e s tw h e nh i g h p r e s s u r ef l u i df l o wt h r o u g ht h et h r o t t l em o u t hp l a c e t h e a p p e a r a n c eo fc a v i t a t i o n sa n de d d yw a se a s i l yt oo b s e r v ea tt h ep l a c eo f t h r o t t l i n gm o u t h a r e a t h ep a p e ro p t i m i z e da n di m p r o v e dt h es t r u c t u r eo fm a i n v a l v e ，t h e nm a d et h ec o n t r a s t so ft h e p r e s s u r e ，v e l o c i t y d i s t r i b u t i o na n d w h i r l p o o li n t e n s i t yt ot h eo r i g i n a ls t r u c t u r e ，r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei m p r o v e d v a l v ec a ng e tb e r e rf l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c s i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h er e s e a r c hw o r ko fe l e c t r o m a g n e t i c u n l o a d i n gv a l v ec a np r o v i d ea t h e o r e t i c a lr e f e r e n c ev a l u ef o ri t ss t r u c t u r ed e s i g na n do p t i m i z a t i o nd e s i g n ，i t a l s oh a sac e r t a i np r a c t i c a lm e a n i n gt oe n s u r et h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h e e m u l s i o np u m p k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cu n l o a d i n gv a l v e ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ， a 匝s i ms i m u l a t i o n ，f l o wf i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题背景及问题的提出 第一章绪论 1 1 1 乳化液泵站卸载系统的应用现状及发展趋势 乳化液泵站自动卸载的工作系统是在乳化液泵中靠液压控制进行工作的主要系统 之一，乳化液泵卸载系统在进行自动卸载时，其工作的可靠性、灵敏性以及恢复性都是 我们作为衡量判断乳化液泵质量好坏的重要技术指标，显然这些因素也决定着乳化液泵 站是否能够及时满足液压支架不同时期的压力要求，以及乳化液泵正常工作，稳定工作 时的使用寿命。其工作性能的好坏将直接影响着采煤工作面上的液压支架。自动卸载系 统顾名思义就是自动完成压力过载，从而保护本身的内部各系统。自动卸载阀是自动卸 载系统的主要工作部件，它是在乳化液泵站中起到压力控制和过载保护的作用的。乳化 液泵的自动卸载阀在采煤液压系统各执行机构如液压支架不动作时，乳化液泵所排出来 的乳化液液体压力将远远大于系统工作所需要的压力的情况下，乳化液泵通过自动卸载 阀卸荷，将乳化液卸载回到油箱，此时乳化液泵空载运行，有效的起到保护乳化液泵的 作用以及整个液路系统n 副。 在我国国内的乳化液泵站就其卸载结构上看有多种多样，不过其共同点就是采用机 械式的自动卸载系统，结构上的多种多样体现在卸载方式的不同分类，就机械式自动卸 载阀来看，就只存在两种方式，一种是外卸载阀自动卸载，另一种内卸载阀式自动卸载。 就安装位置而言，自动卸载阀安装在乳化液泵的吸排液阀之后，在系统需要供压或降压 的时候，自动完成加载和卸荷。目前，在我国乳化液泵上使用比较普遍的是2 0 世纪7 0 年代初从西德引进的，也是在世界上使用最广的外卸载式自动卸载阀。而外卸载阀也主 要有两种结构形式，其中一种就是我国目前使用的从西德引进的这种。另外一种结构是 在上世纪9 0 年代自英国引进的，这两种外卸载式卸载阀其动作性可靠，技术完善，尤 其是我国从英国进口的一种外卸荷式卸载阀，这种阀在结构和技术上应用压差式传感活 塞以及节流原理、取缔了以往使用的往复密封元件。这样使得静摩擦力大为减小，阀芯 运动中的爬行现象以及运动中存在的机械死区得到了改善，另外由于不存在往复运动的 太原理工大学硕士研究生学位论文 密封元件，从而很大程度上减少了由于进行往复运动所依赖的液压力和弹簧作用力。不 过这两种外卸载方式也有其不足的地方，它们都是将乳化液泵和自动卸载阀之间的高压 能突然换向，造成瞬间能量的释放，显然这产生了巨大的冲击，其破坏力很大，对部件 的损害非常大，维修、维护费用加大还影响生产。随着煤矿开采的高效，高产的要求加 大，乳化液泵站发展的要求也越来越高，乳化液泵朝着高压大流量方向发展，由此而带 来的问题有，卸载阀在内部结构上变得更加复杂、阀芯与阀体间的密封带更多，阀芯及 阀口的直径变得更大、这样就使得卸载阀在维护、检修时更加困难，势必将影响卸载阀 的使用寿命。除此之外，这两种外卸载方式在乳化液泵空载运行以及卸载时，泵中的的 乳化液流量要全部经由卸载阀排出进油箱，高压大流量乳化液泵的应用，随之而来的是 对阀体结构尺寸参数更高的要求，流量越大，结构尺寸就越大，反之，越小。泵的不同 流量要求就是必须配备有与之适合的不同结构尺寸的卸载阀。问题也就随之而来，在随 着高压乳化液泵流量不断增大的同时，设计稳定、可靠的大流量卸载阀的难度也不断增 大 3 o 内卸载同外卸载的不同之处就是内卸载它不是在卸载阀内部完成，内卸载通是过调 节乳化液泵吸液口处的液控活塞来实现的，其特点在于卸载时，压力不会施在乳化液泵 上，乳化液泵相当于空载状态，这样就使得乳化液泵的承压能力和使用寿命的空间上有 了很大的提升：由于内卸载阀在卸载时乳化液泵不排出流量，则就不会产生卸载冲击， 因此就不需要和外卸载那样依靠蓄能器来吸收冲击：同外卸载阀相比内卸载阀卸载时泵 的流量不经过卸载阀是内卸载的一个巨大的优点，鉴于内卸载阀这个优点，那么我们在 给乳化液泵站配备卸载阀的时候就不再需要考虑卸载阀的结构参数的大小，能够使用同 一结构参数的卸载阀对乳化液泵站来进行卸载，来对乳化液的压力进行控制，内卸载阀 这样通用性的优点体现在卸载阀的生产以及更新内卸载阀产品上尤为方便，另外就是内 卸载阀的阀体结构也较外卸载阀阀体结构简单。不过其不足之处在于，在乳化液泵站实 际应用中发现，这种卸载方式带来的问题是它会使得乳化液泵恢复性不好，恢复压力偏 低，而这样产生的后果将是使的液压工作面执行机构供液不足，影响到工作面采煤效率， 甚至不能正常工作h 5 1 。 在科技技术理论日益发展的今天，液压技术理论不再单单的独立应用，它与微电子、 单片机、传感器技术等现代控制技术结合起来的的电液控制技术越来越被人们所重视， 随着煤矿开采技术要求越来越高的前提下，煤矿液压工作系统作为其中至关重要的组成 ， 太原理工大学硕士研究生学位论文 部分，电液控制技术已经广泛的应用在煤矿机械中3 。就乳化液泵站自动卸载的技术上， 国外已经成功研发电磁卸荷阀，它利用电液控制技术成功的实现了对乳化液泵的自动卸 载。在国内，煤炭企业龙头神东集团引进的英国博尔顿公司生产的乳化液泵就配备了电 液卸载系统，电磁卸荷阀就是其中的核心部件，生产实际表明这种电液卸载系统与传统 的卸载系统相比表现出了很高的稳定性，可靠性以及灵敏性。由于电液控制技术在煤矿 生产上巨大的优越性，在我国国内许多厂家也相继生产了电磁卸荷阀，然而就其实用性 上比较和国外的还是有很大的差距，在技术方面存在着很大的差距。随着我国对电磁卸 荷阀深入的研究，我相信我国在电磁卸荷阀的生产和研制上会有长足的进步，电液卸载 系统的应用代表着煤矿开采高效、稳定的技术要求，其取代机械式卸载系统已经成为乳 化液泵卸载系统发展的必然趋势。 1 1 2 问题的提出 在整个煤矿综采工作面上，在我国综合机械化采煤的迅速发展及大采高液压支架应 用的今天，乳化液泵站的自动化控制已经受到足够重视。乳化液泵站是整个电液控制系 统的心脏，乳化液泵站提供的乳化液就像人身体需要血液一样重要，那么乳化液压力的 高低，稳定与否都将直接关系到整个综采工作面。然而，由于液压系统本身的复杂性以 及各部之间的关联性，液压支架在工作过程中会引起乳化液泵站压力的波动，这些波动 将直接影响到整个系统的工作稳定性，然而波动的大小不是人为能够控制的，在不同的 工况下会有不一样的情况。如果波动幅度太大就势必会导致整个系统工作稳定性变差， 这样产生的后果就是，除了影响整个工作面的设备使用寿命，还影响液压支架的移架速 度，甚至导致整个系统无法正常工作。因此，及时调节乳化液泵站的压力显得非常重要。 卸荷阀作为调节乳化液泵站的压力关键部件，它性能的好坏直接关系到其他液压系统工 作的稳定性，可靠性。在国外乳化液泵大都已经配备了电磁卸荷阀，而国内国产乳化液 泵大都配备机械式卸荷阀，调节精确度较低，压力波动较大，显然不能满足压力调节的 及时性和整个工作面稳定性要求口3 。这是不能够满足我国高产，高效大趋势的需要。 目前在我国已经有很多学者在乳化液泵站自动化控制方面进行着研究，不过学者们 大都将研究重心放在了乳化液泵油温的监测、水箱液位的监测、乳化液配比和电机参数 的监测上船3 。而对泵站卸荷阀自动化控制的方面则非常少，国内目前对电磁卸荷阀的研 究基本停留在初级阶段，还没有学者专门对电磁卸荷阀的动态特性的研究，也没有相关 气 太原理工大学硕士研究生学位论文 设计改进方面的建议，这就造成了国内目前厂家生产电磁卸荷阀在可靠性上与进口的乳 化液泵站上配备的仍然有相当大的差距，因此很有必要对电磁卸荷阀进行动态特性研究 并对其内部进行流场特性分析，为我国电磁卸荷阀的研制、生产，更新提供一定的理论 根据。 1 2 国内外研究现状 遗氆邃譬廷 图1 - 1 矿用乳化液泵 f i g 1 1m i n i n ge m u l s i o np u m ps t a t i o n 电磁卸荷阀作为新型乳化液泵站卸载保护的关键部件，电磁卸荷阀实际上是在泵站 传统机械式自动卸荷阀的基础上引入电磁先导阀进行控制的卸载阀，电磁卸荷阀能够以 机械一电磁两种控制方式进行卸载，探讨电磁卸荷阀的研究，有必要熟悉了解电磁先导 阀和卸荷阀两种阀的研究情况进行分析。在电磁先导阀的研究上，就研究时间而言，国 内对电磁卸载阀的研究要较国外晚很多。就研究的方面和深度上，国内研究虽然起步晚， 但是到目前为止，也有了相当数量和质量的理论研究文献；在卸荷阀的研究上，国内外 学者深入对其静态特性进行了研究，研究文献比较全面，在动态特性的研究方面则相对 较少。以下就是国内外学者在电磁先导阀及卸荷阀方面的相关研究。 k d a s g u p t a ，r k z r m a k a r 对先导型卸荷阀进行了研究，通过建立其功率键合图，仿 真分析了先导型卸荷阀的动态特性，研究结果表明，不同的临界参数对卸荷阀系统的瞬 态响应曲线有着很大的影响阳。 m r m o k h t a r z a d e h - d e h g h a n 等对卸荷阀阀芯压力的大小及分布进行了研究，通过对 卸荷阀阀芯半锥角不同的情况下层流运用有限元法进行了分析，另外对其处于稳定条件 下进行了动态特性仿真，研究结果表明，流体流动过程中不断变化的流场及阀芯结构导 致阀腔内出现了回流，回流现象直接影响阀芯处压力的大小以及其分布情况，阀芯处压 力的大小亦受阀芯开口量不同的影响h 0 j 。 d 太原理工大学硕士研究生学位论文 z h i f e n gl i u ，k u ny a n g ，w e n t o n gy a n g ，l i n gl i 对高压卸荷阀的流场进行了数值模 拟，根据不同的结构参数，得到了相应的压力和速度场曲线。研究结果表明不同的结构 参数对流场和压力速度特性有较大的影响。并通过实验测试验证数值模拟的结果m 3 。 r o g e r y a n g ，p h d 对液压阀内部运用a n s y s 软件和f l o t r a n 软件联合对其内部 进行了流场数值模拟，在对液压阀相关液压元件的相应表面积处压力及速度积分后，计 算得到了液压阀受到的液动力n 引。 x i u l e i ，y a j u nw u 对先导式溢流阀的动态特性进行了仿真研究，同过应用a m e s i m 软件建立了先导式溢流阀的动态系统仿真模型，通过批处理参数模拟溢流阀的动态特 性。分析了先导控制阀芯的直径大小对溢流阀动态特性的影响，其次是由主阀阻尼孔直 径大小对溢流阀动态特性的影响n3 | 。 k d a s g u p t a ，j w a t t o n 对先导控制型比例溢流阀进行了研究，通过应用b o n d g r a p h 进行仿真模拟。从系统的非线性微分方程导出了系统的模型，在求解系统方程数值时， 压力及通过阀门流体特性均考虑在内。仿真研究确定了一些关键参数，仿真结果表明这 些关键参数对系统的瞬态响应有显著影响n 4 | 。 x u e g u a n s o n g ，j ih o o nj u n g ，h y e o n gs e o kl e e ，d o n gk w a nk i m ，y o u n gc h u lp a r k 采用c f d 技术研究了安全阀的流场数值特性。分析了阀芯在开口度运动在不同的情况 下，不同进口压力条件下的速度和压力分布，分析了不同情况下对安全阀瞬态响应的影 响。研究结果能够更好的认识流体运动和流动特性，因此有助于优化安全阀设计n 副。 m a t t h e wj s t e v e n s o n ，x i a od o n gc h e n 应用c f d 分析软件f l u e n t ，对高压阀进行 了流场数值模拟，并进行了可视化实验分析。对比了理论分析与实验结果，对比结果证 实了实验误差与仿真结论很小，数值模拟能够更为快速，准确的得到流体的流场特性n 6 1 。 m b o r g h i ，m m i l a n i ，r p a o l u z z i 应用f l u e n t 软件对安全阀在不同开口度时其流 体的各个流场特性，仿真得到了在不同开口度时的流量、压力、速度分布云图，另外对 阀芯表面上的压力进行积分计算，得到了阀芯所受的液动力大小以及稳态液动力与瞬态 液动力的比值n 7 1 。 国内，韦文术、宋艳亮分析了传统乳化液泵站卸荷阀的工作原理，对传统乳化液泵 站卸荷阀存在的问题进行分析，提出了应用电磁先导阀对传统泵站卸荷阀进行控制来解 决机械式自动卸荷阀存在的问题，具体分析了电磁先导阀的控制流程，对电磁卸荷阀原 理进行了初步分析n 剐。 太原理工大学硕士研究生学位论文 太原理工大学的张延军，寇子明对井下机车卸荷溢流阀特性进行了分析研究，分析 了其组成结构和工作原理，依据流体力学相关知识建立了其动态数学模型，深入分析了 卸荷溢流阀在保压和卸载时的动态特性n 钔。 太原科技大学的武宗才，刘志奇，煤炭科学研究总院太原研究院的袁利才对矿用电 磁卸荷溢流阀进行建模与仿真研究，通过运用a m e s i m 软件对电磁卸荷阀进行了建模 并仿真，得到的仿真曲线在与传统卸荷阀的比较之后，证实使用电磁卸荷阀能够有效的 减少泵的输出功呦1 。 太原科技大学的韩建华，刘志奇分析了矿用乳化液泵站中卸载阀的工作原理，应用 流体力学的相关知识建立了卸载阀的数学模型。另外根据卸载阀系统的工作原理及卸载 阀的结构，运用a m e s i m 软件建立卸载阀系统的仿真模型，对影响卸载阀动态特性较 大的参数进行了仿真对比，然后运用遗传算法优化原理，做出对这些参数的优化。最后 通过仿真证明优化结果的可行性瞳。 韩新苗，聂松林，葛卫，刘谦在分析了典型先导式溢流阀的结构和工作原理基础上， 对阀的结构进行了改进并选择了不锈钢作为加工材料，最后对改进后的溢流阀通用 a m e s i m 软件搭建了其工作的仿真系统模型，仿真结果表明不同结构参数对阀动态特性 影响较大乜别。 刘远波，廉自生运用a m e s i m 软件，建模并仿真分析了电液控制阀工作系统的的动 态特性，得到了电磁先导阀出口的流量、压力曲线以及主控阀的位移曲线，通过仿真结 果，定性分析了电磁先导阀动态特性与其控制主阀动态特性的关系乜3 l 。 大连理工大学的高诚，屈福政系统分析卸荷阀的结构及工作原理并通过仿真计算， 拟定了一套卸荷阀装配准则，以提高卸荷阀的动态性能。仿真模型中针对卸荷阀不同的 结构参数对卸荷阀动态性能影响大小进行了对比，提出了优化、改进的相关建议乜4 | 。 侯明亮等对二位二通电液换向阀的启闭过程的动态特性进进行了分析，建立阀在开 启和关闭时动态的数学模型，通过应用四阶龙格库塔算法对其进行了仿真研究，研究结 果表明阀的不同结构参数选取对阀的开、闭动态性能的影响较大，最后依据仿真结果对 阀的各个结构参数进行确定盟引。 上海交通大学的沈娆洁，施光林对高压卸荷溢流水阀进行了建模及性能优化研究， 分析了高压卸荷溢流水阀的使用工况及性能指标，并对其进行了结构上的优化改进。为 了验证改进后阀在性能上的优越性，建立了阀在改进前后的数学模型，通过运用 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 m a t l a b s i m u l i n k 软件建立了阀在改进前后的动态仿真模型并进行仿真对比。对比 改进前后的仿真结果，证明了优化改善结构后的阀的动态性能大大改善乜6 1 。 袁桂锋，赵连春，王传礼等运用m a t l a b 软件对直动式纯水溢流阀进行了动态特性 仿真。通过分析仿真结果，得到了影响直动式纯水溢流阀动态特性的主要结构参数。参 考溢流阀的设计标准，仿真结果表明该阀的动态性能符合预期设计要求 。 刘轶，贺小峰运用m a t l a b 软件对先导式水压溢流阀进行了动态特性仿真，运用流 体力学，流体动力学相关知识，建立了先导阀及主阀的受力平衡方程以及其阀口流量方 程和阀腔内的流量连续性方程。并对此数学模型中的微分方程在某个稳定工作点进行拉 氏变换，得到系统工作的方框图。然后运用m a t l a b s i m u l i n k 软件进行仿真，仿真结果表 明，主阀阻尼孔、主阀芯上腔容积、主阀进口腔容积、先导阀进口容积的大小对溢流阀 的动态特性有很大的影响。 焦黎栋，廉自生研究了大流量安全阀的动态特性及阀道内流体流场数值特性。运用 功率结合图法对大流量安全阀进行了数学建模，并运用m a t l a b s i m u l i n k 软件对大流量安 全阀进行了仿真分析，得到安全阀阀口处相应的压力、流量曲线及位移和速度曲线。另 外分析了安全阀不同结构参数对安全阀动态性能的影响。提出了改进建议。最后通过运 用f l u e n t 软件对安全阀进行了流场仿真，分析了在不同边界条件下阀口处的流体的速 度、压力以及在阀腔内产生的气穴、漩涡现象，并提出相应的改进措施引。 太原理工大学的张宏，廉自生，熊晓燕，赵国栋等人对高水基液压阀进行了研究， 运用f l u e n t 软件建立了液压阀内流体的流道仿真模型，采用计算流体动力学与两相 流结合进行仿真分析，仿真结果得到了先导阀气穴发生的位置，分析了气穴发生的原因。 得到了先导阀内流体流场的速度、压力分布，并对阀体的内部结构进行了优化改进以消 除阀腔内气蚀磨损日们。 张玉真运用f l u e n t 软件对先导式纯水溢流阀主阀阀口进行了三维流场数值模拟， 分析了主阀芯半锥角变化对压力场、流场的影响及气穴现象的影响，得到了阀口处流体 的速度，压力分布云图及气穴分布图，仿真结果表明在压差较大的情况下，阀口后方发 生气穴的现象较高，半锥角越大，相同压差的情况下，气穴现象程度较低口。 闻德生，李永安，张月忠，孙江波，杜利斌运用f l u e n t 软件对锥形阀口滑阀进 行了流场数值模拟，仿真得到了滑阀中流场的数值特性如压力场、速度场、漩涡分布等， 并对在滑阀开口度不同情况下，分析对比了其流场分布情况及滑阀受到的液动力大小。 太原理工大学硕士研究生学位论文 对深入了解锥形阀口滑阀的流场分布有很大的帮助，为滑阀的优化改进有一定的参考意 义3 羽。 太原理工大学的雷红霞，权龙深入研究里了液压锥阀内部流体的流场特性，理论上 分析了阀芯上压强分布、阀芯所受的液动力及阀口流量系数。通过f l u e n t 软件对液 压锥阀的三维模型进行了流场仿真，分析了阀芯在不同开e t 度，不同阀芯半锥角以及 不同边界条件下流体的数值特性。对比理论分析与仿真分析结果证明了理论分析与仿真 分析基本相一致，对液压锥阀的优化改进提供参考口副。 1 3 本课题研究的内容、目的及意义 1 3 1 研究内容 本课题的主要研究目的是仿真模拟电磁卸荷阀内部动态特性及流场数值特性，为电 磁卸荷阀的设计提供一定的理论参考。为国内电磁卸荷阀的优化设计与生产提供一定的 理论根据。论文主要研究内容如下： ( 1 ) 熟悉了解电磁卸荷阀的组成部分，内部结构和流道设计。了解电磁卸荷阀在 乳化液泵站工作系统中的工作机理，利用流体力学，流体动力学建立了阀腔的流量特性 方程和阎芯的运动微分方程，完成了阀的动态数学模型。并对卸荷阀关键尺寸参数进行 了设计计算。 ( 2 ) 利用a m e s i m 仿真软件对电磁卸荷阀建模并进行仿真，得到仿真结果。 ( 3 ) 利用流体动力学分析软件f l u e n t 对电磁卸荷阀流道内二维模型进行仿真， 得到仿真结果。 ( 4 ) 对得到的仿真结果进行分析，提出并优化将局部设计，对比优化后的仿真数据。 1 3 2 研究的目的及意义 本论文论述了电磁卸荷阀的结构，原理以及其在乳化液泵站中所起的作用，建立了 电磁卸荷阀的数学模型，并运用a m e s i m 软件对电磁卸荷阀进行建模并仿真研究，分析 不同参数对电磁卸荷阀动态特性的影响。运用流体仿真软件f l u e n t 软件对电磁卸荷阀 内流道建立几何模型，并进行流场仿真分析。分析电磁卸荷阀内的流体各流场特性及漩 太原理工大学硕士研究生学位论文 涡和气穴现象的发生区域，分析原因，并对相关结构做出改进，对比改进前后的仿真结 果，提出改进措施。 电磁卸荷阀解决了原有泵站压力波动大的问题，提高了泵站系统的自动化，适应采 煤自动化的需要，电磁卸荷阀使得泵站压力调节准确、方便，使远程控制成为可能；另 外也使得泵站多了一套保护措施，提高了使用的安全性。电磁卸荷阀具有以上优点，可 以替代原有的泵站卸荷阀，在采煤自动化逐渐普及的今天，电磁卸荷阀的市场非常广阔。 也势必会对我国煤炭高产，高效有着非常重大的意义。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章卸荷阀工作系统 2 1 乳化液泵站液压工作系统 图2 1 为乳化液泵站系统图口4 3 1 一自动卸载阀组( a 一单向阀、b 一阻尼孔、c 一液控先导阀、d 一电磁先导阀、e 一卸载主阀、f _ 手 动阀) ；2 一蓄能器；3 一手动卸液阀；4 一吸液阀；5 一磁性过滤器；6 一安全阀 图2 - 1 泵站系统图 f i g 2 - 1p u m ps t a t i o ns y s t e mg r a p h 乳化液泵站为液压支架提供动力，泵站由限压保护、卸荷和缓冲等元件构成一独立 液压系统，向支架供液。乳化液泵站系统有以下特点口5 1 ( 1 ) 乳化液泵站作为液压支架的动力源，在液压支架需要高压液体来进行完成动作 时，泵站要及时的提供高压液体；当液压支架不动作，乳化液泵照常仍然运转时，此时 乳化液泵通过卸载阀自动卸荷；当液压支架动作遇阻，液压工作系统中液体压力升高， 超过泵站卸载阀中先导阀设定的压力值时，卸载阀开启，进行限压保护。因此，在乳化 液泵站系统中必须配置自动卸载系统。 ( 2 ) 为了有利于乳化液泵的运转，泵要进行空载起动，因此，将手动卸载阀配设在 太原理工大学硕士研究生学位论文 泵站的高低压回路之间。 ( 3 ) 在乳化液泵站工作系统中单向阀的配设，是因为在泵站停止工作运转时，单向 阀阻止输出管路中的乳化液体倒流；泵站中手动卸液阀的配设，则是为在拆除支架或检 修支架管路时，能泄回管路中的液体。 ( 4 ) 蓄能器在泵站中起到了缓冲减振作用。 2 2 卸荷阀的结构及工作原理 2 2 1 传统卸荷阀结构及工作原理 图2 - 2 传统卸荷阀工作原理图 f i g 2 - 2t r a d i t i o n a lu n l o a d i n gv a l v ew o r kp r i n c i p l e 对于乳化液泵站传统卸荷阀，卸荷阀的开启由液控先导阀进行控制，而液控先导阀 又受负载端压力控制，当负载端大于卸荷阀中液控先导阀的调定压力时，液控先导阀开 启溢流，随着先导阀开口量的增大，主阀阻尼孔压力损失增大，达到主阀开启压差时， 主阀开启溢流，单向阀关闭，乳化液泵通过主阀卸载。当负载端压力低于液控先导阀调 定压力时，先导阀在调压弹簧力的作用下复位，卸载阀内无液体流动，主阀腔上下腔内 压力相等，压差为零，阻尼孔不存在压力损失。主阀关闭，单向阀重新开启，泵站向工 作面供液。阳们 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 2 电磁卸荷阀结构及工作原理 电磁卸荷阀是在传统泵站卸荷阀的基础上引入本安型电磁先导阀组成。电磁卸荷阀 包括卸载主阀、装有控制活塞的机械先导阀、电磁先导阀。其结构如图2 3 所示，工作 原理如图2 - 4 所示。 泵供藏 回油 1 一单向阀2 一主阀3 一主阀阻尼孔 4 一先导阀5 一控制活塞6 一电磁先导阀 图2 3 电磁卸荷阀结构图 f i g 2 3u n l o a d i n gv a l v es t r u c t u r e 至工作面 图2 4电磁卸荷阀工作原理图 f i g 2 4p r i n c i p l ec h a r to fu n l o a d i n gv a l v e 泵站电磁卸荷阀是在泵站传统卸荷阀的基础上引进本安型电磁先导阀，组合而成的 太原理工大学硕士研究生学位论文 自动卸荷阀组，并引入压力传感器等，通过压力检测，比较电磁先导阀的设定压力和检 测到的压力，控制电磁先导阀的电磁铁的通电和断电，进而控制电磁先导阀的开启和关 闭，最后完成泵站卸荷阀的卸荷和加载。电磁卸荷阀的具体工作原理是：乳化液泵出口 高压乳化液分三路：一路推开单向阀向液压系统工作面提供高压液体，提供高压动力； 一路经卸载阀阀体节流孔流进控制活塞前腔；另一路流进主阀阀腔，经主阀阻尼孔流进 液控先导阀前腔( 控制活塞后腔) ，在乳化液泵正常工作时，液压支架在动作受阻时， 系统负载端压力升高，直接反应在卸荷主阀下腔的压力升高，通过压力传感器检测，比 较，压力升高到电磁先导阀调定的开启压力时，电磁先导阀开启溢流，此时由于主阀阻 尼孔压力损失，主阀芯上下腔压差克服主阀芯弹簧的弹簧力，主阀开启进行卸载，此时 单向阀反向关闭，泵站出口乳化液向蓄能器充压b7 | 。另外在电磁卸荷阀卸压到电磁先导 阀调定的压力下限之后，电磁先导阀受控关闭，此时，主阀芯阻尼孔没有液体流过，主 阀芯前后腔不存在压力损失，主阀芯在弹簧作用力下关闭，停止卸载，此时单向阀重新 开启，泵站进行加载。其中电磁先导阀控制流程如图2 5 所示8 j 。 另外电磁卸荷阀在电磁先导阀出现故障，受控开启时未能开启，这时，系统压力继 续升高，在系统压力达到液控先导阀调定的开启压力时，此时电磁卸荷阀以机械式自动 卸荷，与传统泵站卸荷阀原理一样。 从以上分析我们可以看出，电磁卸荷阀能够进行电磁一机械两种方式进行自动卸 荷，电磁卸荷阀的运用为泵站卸载压力提供了双保险，这样能够更加有效的保证乳化液 泵站正常运转以及整个液压支架正常工作。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 5 电磁先导阀控制流程图 f i g 2 5t h ec o n t r o lf l o wc h a ro fe l e c t r o m a g n e t i cp i l o tv a l v e 2 3 泵站卸荷阀使用工况及性能指标要求 泵站卸荷阀的使用工况就是，在液压支架系统中工作压力超过液压支架允许的最高 工作压力之后，乳化液泵站通过卸荷阀进行压力卸载，达到保护液压工作系统的目的； 另外在液压支架系统压力降低之后，乳化液泵站必须恢复供液，停止卸荷，这时，卸荷 阀受控关闭卸载，乳化液泵为液压支架工作面正常供液。 根据我国卸载阀技术条件要求，卸荷阀的性能指标有口钔： ( 1 ) 阀的公称流量与公称压力，应满足配套泵站的要求。 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 阀在公称压力的8 0 糊o 状态下，保压5 m i n ，应无外渗漏。 ( 3 ) 阀在公称压力的8 0 状态下，其内渗漏量应该小于等于5 m l m i n 。 ( 4 ) 阀的压力调压范围、调定压力偏差、恢复压力偏差、压力损失等应满 足表2 1 的要求。 表2 1 卸载阀调压性能要求 f o r m 2 1u n l o a dv a l v ep r e s s u r er e g u l a t i n gp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s 公称压力压力调压调定压力公称恢复压力恢复压力偏差压力损失 范围偏差 6 3 6 3 - 4 00 7一般泵的恢复0 7o 5 1 01 0 _ 一60 7压力是其额定0 7o 5 1 61 6 1 0 o 8公称压力的0 7o 6 2 52 5 1 6o 8 7 0 7 5 o 7o 6 3 1 53 1 5 - 2 01 00 70 7 4 0 4 0 - 2 51 oo 7o 7 除了上述规定，电磁卸荷阀还应满足以下其它要求： l 、因为乳化液泵站中液体介质是高水基乳化液，那么卸载阀应该有比较好 的抗锈蚀能力。 2 、过流能力大，压力损失和内泄漏量小。 3 、单向阀压力损失小。 4 、自动升压与卸荷特性好，蓄能器充压时间短。 2 4 本章小结 本章分析了乳化液泵站液压工作系统以及泵站系统的特点，对比分析了泵站上传统 卸荷阀及电磁卸荷阀的的结构及工作原理，分析了电磁卸荷阀中电磁先导阀的控制流 程，最后分析了泵站卸荷阀的使用工况以及卸荷阀的相关性能指标。 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章阀的动态数学模型及阀的设计计算 电磁卸荷阀作为乳化液泵站供压的枢纽，电磁卸荷阀在乳化液泵站工作系统中