液壓支架底閥流場的仿真分析和試驗驗證

吳 鵬

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)靈北煤礦， 山西 靈石 031300）

引言

底閥是雙伸縮立柱上的一個重要的閥件，其實質(zhì)是位置控制的單向閥，它控制著雙伸縮立柱的伸縮順序并保證立柱在整個行程范圍內(nèi)有相同的工作阻力，使液壓支架的支護(hù)能力滿足其設(shè)計要求[1-2]。

由于底閥不需要國家安標(biāo)檢驗認(rèn)證，生產(chǎn)廠家在廠內(nèi)完成基本的密封試驗后即對液壓支架配套。基于生產(chǎn)和設(shè)計水平，底閥的質(zhì)量在一定程度上影響了立柱以及液壓支架的質(zhì)量。因此對底閥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計很有必要。

流體在流道內(nèi)部表現(xiàn)出的有關(guān)運動學(xué)及動力學(xué)方面的流動特性，是對底閥進(jìn)行流場仿真的理論基礎(chǔ)。流場分析可以縮短設(shè)計驗證的時間，減少多次生產(chǎn)加工試驗驗證，有效地找到改進(jìn)的根源。閥流道流場壓力分布和流速矢量分布分析，可以計算出底閥在一定流量的流體通過時的壓力損失，通過速度矢量分布圖來觀察流體流過時流速的變化情況，為改善底閥的動態(tài)特性和元件的設(shè)計提供了理論依據(jù)[3]。

1 底閥流道三維模型建立

建立適當(dāng)?shù)牧鞯廊S模型對數(shù)值模擬是否能夠真實反映底閥流道的流動狀態(tài)的起著重要的作用，同時會影響對計算機資源的要求，也影響仿真計算的時間和工作量。

幾何模型建立后，在FLUENT的workbench中利用網(wǎng)格劃分工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分?？紤]底閥內(nèi)部流道的形狀、閥芯的開度、及通流孔對流場的影響，為了得到更加精確的仿真結(jié)果，對閥體內(nèi)流場進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化處理。

底閥在正向工作時靠壓力打開，影響其開度的因素很多，底閥的開度在不同的流量、壓力等工況下會有不同的數(shù)值，模擬時分別對開口度為6 mm和3 mm的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，經(jīng)過處理后的網(wǎng)格模型，如圖1所示。

圖1 開度為6 mm和3 mm時的網(wǎng)格劃分模型

假設(shè)底閥閥體內(nèi)的工作介質(zhì)不可壓縮，流動是單相流，且工作介質(zhì)和閥體無熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。工作介質(zhì)乳化液為95%的水+5%的乳化液，物理特征和水相近，模擬流體選用液態(tài)水，密度為998.2 kg/m3。動力黏度為0.001 003 kg/（m·s），流動狀態(tài)為湍流，流動模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ξ兩方程湍流模型。

根據(jù)底閥工作的情況，入口處采用速度入口邊界條件，進(jìn)口作為入口邊界，底閥入口端面的流量為400 L/min，計算得出入口處的流速值取4.2 m/s；出口處采用outflow邊界條件，在出口截面上的相對壓力取為0.15 MPa。流體與壁面接觸的邊界為靜止，無滑移壁面。如果邊界壁面是靜止的，那么邊界上的流速也只能為零[4-5]。開口度為6 mm時經(jīng)過228次迭代計算達(dá)到收斂，開口度為3 mm時經(jīng)過194次迭代計算達(dá)到收斂。

2 仿真結(jié)果與分析

本文通過對閥體流道內(nèi)部的仿真可以得到流道內(nèi)部的流速的云圖（圖2）、壓力云圖（圖3）和速度矢量圖（圖4），并分析開度為6 mm和3 mm對計算結(jié)果的影響。

由圖2速度云圖可以看出，開度為6 mm時流道內(nèi)最大流速為60.5 m/s，流速較大的地方集中在頂桿和過濾器的環(huán)形面積內(nèi)。開度為3 mm時流道內(nèi)的最大流速為72.1 m/s，流速較大的地方集中在閥芯錐面和閥座錐面之間的環(huán)形面積內(nèi)。其中，進(jìn)口處由于擋圈和半環(huán)對進(jìn)口的遮擋，12-Φ6孔的進(jìn)口處存在較高的流速，會產(chǎn)生較大的壓力損失。

圖2 速度（m/s）云圖

底閥設(shè)計需充分考慮底閥的裝配對進(jìn)口的影響，需采取合適的裝配形式，避免零件對進(jìn)口處的遮擋。

由圖3壓力云圖可以看出，開度為6 mm時底閥進(jìn)出口的壓力差為2.81 MPa，開度為3 mm時底閥進(jìn)出口的壓力差為3.8 MPa，可知底閥的開度對底閥進(jìn)出口兩端的壓力差有重要的影響。

圖3 壓力（Pa）云圖

圖4 速度矢量（m/s）圖

底閥設(shè)計需充分考慮底閥的裝配和加工中產(chǎn)生的誤差對底閥開度的影響，會影響到整個支架液壓系統(tǒng)的正常工作。

3 試驗驗證

模型的簡化和處理、計算條件和邊界條件的設(shè)置會對計算模型進(jìn)行修正，試驗的測量方法和儀器儀表的精度也存在誤差，會導(dǎo)致理論分析和實際試驗數(shù)據(jù)間存在差異。應(yīng)用中通過理論計算和分析指導(dǎo)底閥結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，通過試驗驗證理論分析結(jié)果[4-5]。

3.1 試驗內(nèi)容

試驗項目有密封性試驗、開啟壓力試驗、正向流阻試驗。密封性試驗為包括高壓密封性試驗和低壓密封性試驗。高壓密封性試驗要求反向加壓至閉鎖壓力，保持2 min，不得有泄漏，低壓密封性試驗要求反向加壓至2 MPa，保持2 min，不得有泄漏。開啟壓力試驗為底閥正向開啟時的壓力。正向流阻試驗為底閥正向開啟，通過額定流量時底閥進(jìn)出液兩端的壓力差。

3.2 試驗原理

密封性試驗原理見圖5。由于底閥工作時壓力為50 MPa，液壓泵直接供壓滿足不了壓力需要，在系統(tǒng)中設(shè)置增壓缸，增壓缸的增壓比設(shè)置為1：4，滿足試驗壓力要求。為了減少系統(tǒng)中的壓力沖擊和管路的振動，同時為系統(tǒng)提供壓力補償，在系統(tǒng)中設(shè)置蓄能器。底閥密封性試驗為靜壓試驗，對泵的流量要求較低，廠內(nèi)試驗時一般選用63 L/min的泵即可滿足日常的試驗要求。試驗介質(zhì)是乳化液，泵一般使用軸向柱塞泵，額定壓力為31.5 MPa。系統(tǒng)中設(shè)置有兩片手動換向閥，3-1用于增壓，增壓缸為雙向增壓，換向閥的兩個工作位置都是增壓，換向閥3-2用于增壓缸高壓端的卸壓。試驗時在底閥的進(jìn)口端設(shè)置壓力表，記錄壓力降。

密封性試驗時，由圖中3-1手動換向閥控制增壓缸實現(xiàn)底閥反向密封端的供液，底閥進(jìn)口端與大氣相連，分別進(jìn)行高壓密封性試驗、低壓密封性試驗，試驗完成后由3-2手動換向閥卸壓。

流阻試驗和開啟壓力試驗的試驗原理見圖6。廠內(nèi)的試驗臺一般會將圖6的試驗回路和圖5回路合并成一個試驗系統(tǒng)。

圖5 密封性試驗原理

圖6 流阻和開啟壓力試驗原理

開啟壓力試驗時將底閥后的管路斷開，底閥出口與大氣相連，控制手動換向閥控制向底閥進(jìn)口端緩慢加壓，系統(tǒng)壓力逐漸升高至底閥開啟，當(dāng)乳化液在出口成線狀時底閥開啟，記錄底閥的開啟壓力值，試驗完成后由3-2手動換向閥回到中位，試驗系統(tǒng)卸壓。由于底閥開啟壓力較低，液壓系統(tǒng)壓力較高，試驗時應(yīng)選擇量程合適的壓力表，操作手動換向閥時需緩慢加壓，以免影響試驗數(shù)據(jù)的可靠性。

流阻試驗時需保證底閥進(jìn)口的流量滿足流量要求，為400 L/min，廠內(nèi)使用200 L/min+125 L/min+80 L/min的泵組提供流量，試驗時節(jié)流孔在流阻試驗時不使用。操作手動換向閥實現(xiàn)底閥的正向開啟，記錄底閥進(jìn)出口之間的壓力差即底閥的正向流阻。

經(jīng)過試驗驗證，試驗數(shù)據(jù)見表1。改進(jìn)后的立柱底閥的開啟壓力為0.25 MPa，也有將開啟壓力設(shè)計為0.075 MPa的，不同的設(shè)計開啟壓力值會不同。正向進(jìn)口400 L/min時流阻為2 MPa，反向時在閉鎖壓力下不泄漏，經(jīng)過批量配套使用，滿足使用要求，未出現(xiàn)問題。

表1 試驗數(shù)據(jù)

支架在裝配過程中出現(xiàn)底閥嘯叫是較為常見的問題，研究發(fā)現(xiàn)是由于底閥開啟壓力高，彈簧的剛度大，流道設(shè)計不合理等導(dǎo)致正向開啟時的開度較小是嘯叫的主要原因。經(jīng)過分析主要原因可能有以下幾個方面：缸徑設(shè)計不合理，活塞桿上腔的面積大于中缸上腔的面積；密封件摩擦力不均衡；中缸和活塞桿的同軸度精度低。改進(jìn)后的底閥試驗中未出現(xiàn)嘯叫問題。

4 結(jié)論

將目前主流高端液壓支架用立柱底閥FD（G）作為研究對象，在總結(jié)和對比分析同類產(chǎn)品的特點后進(jìn)行了底閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并對改進(jìn)后的底閥進(jìn)行仿真和試驗分析，通過仿真和試驗對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行驗證，流道的仿真和分析對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改進(jìn)具有指導(dǎo)意義。