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高压超大流量高水基安全阀的研究

马珑福  
【摘要】:随着煤矿开采技术的发展,液压支护设备作为综采技术核心设备之一逐步向安全、高效、智能化逼近,而同时液压支架在大采高、超前支护、大工作阻力方向的发展,使得液压支护设备整体尺寸增加,对乳化液泵站系统的要求也越来越高。高压大流量安全阀(压力40MPa,流量1800L/min)应用于乳化液泵站及液压支架中,是液压支护和动力供给设备不可或缺的液压阀件,主要起稳压控制、过载泄压保护的作用,防止液压支架或乳化液泵站在面临骤然增压,卸荷不及时对整个系统造成破坏、变形等危害,其性能的好坏将直接影响乳化液泵站的安全系数与液压支架支护性能。通过对高压大流量安全阀不同结构在工作机理、密封方式、阀口结构优缺点方面的分析和研究,基于密封易失效、动态响应时间长及液动力对阀芯非线性干扰问题,根据安全阀的性能指标要求,提出随动式高压超大流量安全阀结构,对其运行机理与优缺点进行分析的同时完成结构的优化设计,进一步通过动静态特性的数学模型对安全阀其他参数值进行计算,后续对动态特性与阀芯液动力进行分析研究。利用AMESim对随动式安全阀的动态特性进行仿真,分别从冲击特性(流量阶跃)与启溢闭特性两方面对安全阀动态性能的影响进行了具体研究。分析了安全阀阻尼孔径和弹簧刚度在冲击工况时,不同取值对控制阀芯与主阀芯的压力超调率、过渡过程时间及响应时间的影响;对比了阻尼孔不同位置在启溢闭特性下对安全阀动态特性的影响。研究表明:在冲击特性下阀芯的振荡频率随阻尼孔径的增大而降低,振荡时间延长;弹簧刚度的增大导致稳态压力的增加,弹簧刚度过小,阀芯振荡剧烈,安全阀稳定性降低。安全阀的控制阀芯开设阻尼孔时调定压力略低于阀套开孔,但其动态响应性能较差,控制阀芯超调率较大且过渡过程时间较长,因此选取阀套设有阻尼孔的安全阀结构。通过液动力的仿真计算,对不同的阀口结构(普通锥阀结构、突缘结构、随动式结构)进行流场仿真,分析流场内部压力与速度场及液动力的变化情况,并针对空化现象对液动力的影响进行研究。结果表明,突缘结构对液动力补偿效果良好,随着阀芯开度与进出口压差的增加液动力值随之增大,其增长幅度较普通锥阀小;随动式结构主阀芯上液动力与普通锥阀相近,作用其上的流体力随开度的变化在零附近波动,当开度与调定压力接近设计数值时,主阀芯受流体力趋近于零,与构想结果一致,并可通过调整增压腔面积来控制调定压力的大小;空化现象的发生会导致液动力的数值略微减小,随开度的增加液动力变化趋势与湍流模型下基本一致。根据AMESim的仿真结果,进一步对安全阀不同阻尼孔位置的内部流场情况进行仿真分析,通过内部流场压力与速度云图结合动态特性仿真结果分析选取安全阀阀套设阻尼孔结构。增压腔面积的改变引起主阀芯流体力的增减,影响幅度较大,证明了随动式安全阀阀芯运行的稳定性能,为随动式安全阀方案可行性及优越的稳定性能提供了证明。本文针对提出的随动式安全阀结构动静态特性进行研究,为后续随动式安全阀研制的可行性提供理论支持,同时随动式结构为液压阀的设计提供思路与帮助。


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