基于插装阀的三用阀优化设计与仿真

基于插装阀的三用阀优化设计与仿真

0用阀改进方案设计的提出悬浮式单臂式仪表支架主要由连接顶盖、组件、活柱、油藏、三次阀、主缸、复位弹簧、座椅、连接钢丝、导向环和其他零件组成。三用阀是单体液压支柱的控制中心,对支柱的整体综合性能有着重要的影响。目前,我国单体液压支柱三用阀,存在功率小、通流能力小、抗污染力差、密封性不好等缺陷,在煤层工作面突变载荷作用下,三用阀一般不能及时开启,支柱腔体内峰值压力过大,导致活柱被压弯或破坏,造成冒顶事故。基于上述原因,本文提出对现有三用阀改进设计,并利用AMESim软件对改进后的支柱动态性能与改进前的进行对比分析。此研究对改善柱塞单体液压支柱工作性能,增加其可靠性与稳定性,保障煤矿安全生产,具有重要的研究意义和实用价值。1支柱管口插装阀使用压力柱塞悬浮式单体液压支柱乳化液的流动完全通过管式三用阀来进行控制。普通管式三用阀由单向阀、安全阀和卸载阀组成,在支柱中承担升柱、过载保护和卸载降柱3种功用,其液压系统原理如图1(a)所示。其工作过程:高压乳化液经注液枪打开单向阀进入支柱下腔,完成支柱升柱和初撑;当工作面顶板压力超过安全阀限定压力时,支柱腔体内高压乳化液将安全阀打开,乳化液溢流,支柱开始收缩,当且仅当支柱所承受的外载荷低于工作阻力时,乳化液停止溢流,安全阀关闭,支柱此时停止收缩,安全阀的作用保证了工作载荷始终维持在额定工作阻力附近;当需要回柱时,打开卸载阀,将乳化液排至采空区外,立柱在自重和复位弹簧作用下收缩。现有普通管式三用阀功率小、通流能力差,若通过增加阀的通径来满足高压、大流量、大功率工作场合,势必使三用阀体积增大,相应的压力损失和内泄漏也增加,导致支柱整体工作性能变坏,同时工作时操纵阻力增加,阀芯磨损加剧,大大降低了三用阀的正常使用寿命。因插装阀具有流动阻力小、密封性能好、通流能力大、抗污染能力强等特点,在高压大功率场合广泛使用。因此,本文提出基于插装阀原理对现有普通管式三用阀进行技术改造,将普通单向阀改为插装阀,普通安全阀改为具有插装单元的先导式安全阀,普通卸载阀改为具有插装单元的的先导式卸荷阀,经改造后的液压系统原理如图1(b)所示。2支架amesim模型的构建2.1安全阀流量方程根据单体液压支柱柱塞、阀芯受力及通过的流量,分别建立支柱运动微分方程、支柱流量连续方程、安全阀流量连续性方程和安全阀阀芯运动微分方程。(1)支柱运动微分方程其中,活柱断面面积式中my———支柱位移,m;BKfp(2)支柱流量连续方程进入支柱的流量式中Vβ(3)安全阀流量连续性方程式中KK(4)安全阀阀芯运动微分方程式中mKxFA2.2建立仿真模型在AMESim软件中,利用标准液压元件库组建普通管式三用阀模型,利用液压元件设计库HCD组建插装式三用阀模型,利用液压元件设计库和机械库组建立柱模型,利用信号控制库对支柱施加外部冲击载荷,最后根据液压支柱系统工作原理,用液压管路连接这些元件,分别建立管式三用阀和插装式三用阀液压支柱控制系统仿真模型如图2所示。仿真以DW28-250/100X型柱塞悬浮单体液压支柱为例进行研究,根据支柱工况条件及三用阀结构确定系统仿真条件:泵站压力p3讨论插装式三用阀控制点击工具栏左侧的“Simulationmode”按钮,进入仿真模式,单击“Startasimulation”按钮,运行仿真。完成仿真后,通过“Variablelist”菜单查看仿真结果,利用plot按钮分别获得支柱升柱和承载溢流阶段动态特性仿真曲线,如图3和图4所示。从图3(a)可以看出,升柱阶段,在正常载荷作用下,采用插装式三用阀控制的单体支柱与普通管式三用阀控制的单体支柱相比,插装式三用阀控制的单体支柱腔体压力峰值波动小,且能较快地达到溢流阀设定的工作压力;同时从图3(b)曲线可以看出,插装式三用阀控制的单体支柱升柱过程所需时间短,约为3.2s,而普通管式三用阀控制的单体支柱所需时间约为3.4s。图3(a)和图3(b)仿真特性曲线在理论上是趋于一致的,其结果共同表明:插装式三用阀通流能力大,且控制的单体支柱具有较快的动态响应特性。承载溢流阶段,在冲击载荷作用下,溢流阀开启,支柱下腔压力变化曲线如图4(a)所示,普通管式三用阀控制的单体支柱腔体峰值压力可达36.2MPa,而插装式三用阀控制的单体支柱腔体峰值压力不超过32.1MPa,曲线结果表明:采用插装式三用阀控制的单体支柱可明显降低腔体峰值压力。此时支柱位移变化曲线如图4(b)所示,由于煤层向下移动距离短,2种控制方式支柱位移变化曲线趋于一致。4用阀插装式单体液压支柱动态特性基于插装阀理论对普通管式三用阀进行改造设计,利用AMESim软件对DWX型单体液压支柱2种控制方式进行对比,从理论上仿真分析升柱阶段和承载溢流阶段支柱动态特性曲线变化情况,结果表明:采用插装式三用阀控制的单体液压支柱通流能力大,动态响应较快,且在承载溢流阶段腔体峰值压力变化较为平缓,即当煤层顶板周期来压时,采用插装式三用阀控制单体液压支柱可明显降低腔体峰值压力,此时可延长支柱工