乳化液泵動態(tài)性能測試系統(tǒng)關(guān)鍵元部件結(jié)構(gòu)分析

張占東，崔永霞，2

（1.山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003；2.太原理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

乳化液泵是煤礦綜采工作面液壓支架的動力源，乳化液泵的穩(wěn)定、可靠工作是實現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)的必要前提。為了能更好地模擬乳化液泵真實工況，充分考慮液壓支架等負載設(shè)備的工作特點對其動態(tài)性能的影響，本文設(shè)計了乳化液泵動態(tài)性能測試平臺，并針對其中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件開展了強度分析與校核。

1 乳化液泵動態(tài)性能試驗平臺簡介

在絕大多數(shù)應(yīng)用場合中，液壓支架都是乳化液泵的主要負載。本測試平臺正是為了模擬乳化液泵在實際工況中推動支架完成初撐動作而設(shè)計的，按照時間先后順序?qū)⑦@一初撐動作分為2個階段進行研究，即以支架頂梁接觸到工作面頂板的時刻為時間界限，在這之前，乳化液泵的負載阻力主要包括支架頂梁和立柱的自重、管路沿程損失和液體流經(jīng)換向閥的壓力損失，這段過程的歷時較長；在這之后，乳化液泵的負載阻力除上述3項外，還包括支架頂梁接觸頂板后產(chǎn)生的阻力，這段過程的歷時較短。這兩個動作完成后，支架初撐動作完成，乳化液泵卸荷閥工作，乳化液泵這一工作循環(huán)完成。經(jīng)過估算，將液壓支架頂梁和立柱的自重折算成系統(tǒng)壓力約為3 MPa，管路沿程損失及在各接頭、彎通、變徑的局部損失約為3 MPa，乳化液流經(jīng)換向閥的壓力損失約為3 MPa。據(jù)此，在支架頂梁接觸頂板前，本試驗平臺將乳化液泵的負載阻力取為10 MPa，在這之后乳化液泵負載阻力迅速達到卸荷閥額定最高工作壓力。

圖1為試驗平臺液壓原理圖。乳化液泵4的高壓出口經(jīng)換向閥7接通到小液壓缸12的無桿腔，小液壓缸12的有桿腔液體經(jīng)節(jié)流閥10回流液箱。小液壓缸12的行程包括兩部分，即行程1和行程2。在行程1段，小液壓缸由節(jié)流閥10加載，用以模擬支架頂梁接觸工作面頂板前的工況；在行程2段由節(jié)流閥10和大液壓缸13共同加載，大液壓缸13無桿腔出口連接了節(jié)流閥14，用以模擬支架頂梁接觸工作面頂板后的支撐動作。在乳化液泵的進、排液口和液壓缸12無桿腔進液口分別設(shè)置了壓力傳感器3、5、8，用以測試各位置處的液體壓力。

圖1 試驗平臺液壓原理圖

2 乳化液泵動態(tài)性能試驗平臺關(guān)鍵元部件性能參數(shù)

本文搭建的乳化液泵動態(tài)性能測試平臺關(guān)鍵元部件的性能參數(shù)見表1。

3 乳化液泵動態(tài)性能試驗平臺關(guān)鍵元部件強度分析

圖2為乳化液泵動態(tài)性能測試平臺三維實體模型。考慮到大液壓缸13在行程2中通過與小液壓缸12的對頂完成其加載任務(wù)，本文在大、小液壓缸活塞桿端部都設(shè)計了球頭，以減小接觸應(yīng)力；在借鑒了四柱壓力機的典型結(jié)構(gòu)后，本文首先將大、小液壓缸分別通過螺栓固定在2塊支撐板上，然后由4根連接桿將2塊支撐板聯(lián)接、固定，以使液壓缸在對頂過程中產(chǎn)生的推力封閉在支撐板之間。

表1 關(guān)鍵元部件性能參數(shù)

圖2 試驗平臺三維模型

經(jīng)過計算，當(dāng)系統(tǒng)壓力達到乳化液泵最大額定工作壓力31.5 MPa時，大、小液壓缸間的推力達到387 k N。在完成結(jié)構(gòu)細節(jié)選型設(shè)計和強度初步設(shè)計、校核后，將圖2的三維實體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 14.5進行有限元強度分析。把推力作用面設(shè)定在液壓缸活塞的遠端面，將支撐板底面各節(jié)點沿各方向的自由度約束為0，將兩球頭表面的接觸類型選為“No Separation（不分離）”。有限元分析得到的兩液壓缸球頭等效應(yīng)力分布見圖3和圖4，支撐架等效應(yīng)力分布見圖5和圖6。

由圖3和圖4可以看出：兩液壓缸球頭上的等效應(yīng)力分布較為均勻，并維持在同一水平。由圖5和圖6可以看出：支撐架上的等效應(yīng)力主要是由彎曲變形導(dǎo)致的，最大應(yīng)力出現(xiàn)在支撐架與液壓缸法蘭接觸的環(huán)形區(qū)域；小液壓缸缸徑較小，使得其支撐板上的環(huán)形區(qū)域到連接桿中心的距離較大，這導(dǎo)致了小液壓缸支撐架的應(yīng)力水平整體高于大液壓缸；支撐架底部的應(yīng)力值較小，可以看出兩液壓缸的對頂推力被完全限制在了支撐板之間。

圖3 小液壓缸球頭等效應(yīng)力

圖4 大液壓缸球頭等效應(yīng)力

圖5 小液壓缸支撐架等效應(yīng)力

圖6 大液壓缸支撐架等效應(yīng)力

4 總結(jié)

為了能夠更加真實地模擬乳化液泵的實際工況，本文搭建了以液壓缸作為負載的乳化液動態(tài)性能測試平臺，借助該平臺可以較為全面地模擬乳化液泵推動液壓支架完成支撐動作這一典型工況。并由ANSYS Workbench對其中的關(guān)鍵部件進行了靜強度分析，結(jié)果顯示本方案是可行的。

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