煤礦井下排水系統(tǒng)多功能調(diào)節(jié)閥的研究

郭建幫

（同煤集團(tuán)虎龍溝煤業(yè)公司， 山西 懷仁 038399）

引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及煤炭開采技術(shù)的不斷進(jìn)步，煤炭生產(chǎn)企業(yè)不斷的增加對煤炭的開采量和開采力度，為了將開采過程中產(chǎn)生的積水及時(shí)排出，這就使煤礦對井下排水設(shè)備的需求量不斷地增加，調(diào)節(jié)閥作為水泵的核心元件，其工作情況直接影響著排水系統(tǒng)的運(yùn)行。傳統(tǒng)煤礦井下排水系統(tǒng)所使用的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、液動(dòng)調(diào)節(jié)閥普遍存在著成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、調(diào)節(jié)性能差的缺點(diǎn)，因此本文在深入研究井下排水系統(tǒng)安全運(yùn)行需要的基礎(chǔ)上，提出了一種新的多功能調(diào)節(jié)閥[1]。

1 多功能調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)及原理

新型的多功能調(diào)節(jié)閥主體結(jié)構(gòu)主要包括外管路和主閥芯，主閥芯又由直流結(jié)構(gòu)的主閥腔和依靠閥門進(jìn)、出口處的壓力差實(shí)現(xiàn)對閥板運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制的控制腔組成，調(diào)節(jié)閥外管路由過濾器、止回閥及球閥組成，其中球閥主要是通過調(diào)整閥板的運(yùn)行方式來實(shí)現(xiàn)對閥門開、合速度的控制，止回閥主要用于節(jié)流，確保閥門在開啟時(shí)保持時(shí)間能大于控制電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間，從而避免電機(jī)帶負(fù)載啟動(dòng)，能夠極大地延長電機(jī)的使用壽命，而且多功能調(diào)節(jié)閥的閥板為不同規(guī)格的雙板結(jié)構(gòu)，能夠確保在水泵啟動(dòng)時(shí)緩慢打開、水泵停止時(shí)緩慢關(guān)閉，在這個(gè)過程中完全依靠閥體進(jìn)、出口處的壓差來實(shí)現(xiàn)控制，無需其他電動(dòng)或者液動(dòng)控制裝置的輔助[2]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多功能調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖

該新型多功能調(diào)節(jié)閥在工作時(shí)，在排水泵開啟前，調(diào)節(jié)閥出口處的壓力直接作用在閥體的閥板上，將閥門關(guān)閉，這個(gè)時(shí)候膜片控制器的上端連通外界的壓力水，下端和閥門進(jìn)口處的低壓相連通。當(dāng)排水泵啟動(dòng)以后，閥門進(jìn)口處的水壓慢慢升高，與此同時(shí)上側(cè)壓力水從閥門進(jìn)口位置的連接管進(jìn)入到膜片控制器的下端。當(dāng)排水泵關(guān)閉后，閥體進(jìn)口位置的壓力逐漸減小，當(dāng)其流量降低到一定值之后，閥體的閥板利用自身的自重實(shí)現(xiàn)快速閉合，這個(gè)時(shí)候由于閥體進(jìn)口位置的壓力變小，閥體出口位置的壓力水就經(jīng)過連接管流入膜片控制器上端，此時(shí)下端的水就通過閥體進(jìn)口位置的連接管回到閥體的進(jìn)口位置，將閥板慢慢關(guān)閉[3]，其關(guān)閉的速度可以利用控制閥進(jìn)行控制。

2 多功能調(diào)節(jié)閥的建模

利用Creo三維軟件對多功能調(diào)節(jié)閥進(jìn)行三維建模，Creo三維軟件是一種可伸縮、可互操作、開放且易于使用的機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用程序[4]，能夠方便對調(diào)節(jié)閥的一些關(guān)鍵零件尺寸進(jìn)行調(diào)整，其三維建模結(jié)構(gòu)如下頁圖2所示。

為了對調(diào)節(jié)閥的性能進(jìn)行更深入分析，我們利用FLUENT流體分析軟件創(chuàng)建了多功能調(diào)節(jié)閥的流體流道模型，如下頁圖3所示，根據(jù)實(shí)際的多功能調(diào)節(jié)閥三維尺寸模型，我們將流道直徑設(shè)置為180mm，將閥體座通流直徑設(shè)置為160mm，閥板的最高高度設(shè)置為90mm，將閥板與水平軸線最大傾角設(shè)置為50°，同時(shí)為了確保閥體進(jìn)出口處的邊界條件符合實(shí)際情況，在利用流體分析軟件進(jìn)行建模的時(shí)候我們在閥體進(jìn)口、出口位置均增加了1個(gè)相同直徑的管道，用來確保流體在進(jìn)入閥體時(shí)候的穩(wěn)定性。同時(shí)因閥體出口段管道受流體流動(dòng)的影響要遠(yuǎn)大于閥體進(jìn)口段的管道，為了確保仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在出口段管路的長度調(diào)整為閥體長度的約2倍，約1000mm。

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，為了確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，我們采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分的方法，在結(jié)合部位對網(wǎng)格進(jìn)行重構(gòu)，采用這種將非網(wǎng)格劃分和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分的方法，不但極大的減少了劃分網(wǎng)格的總數(shù)量也極大的提高了網(wǎng)格劃分的品質(zhì)，如圖4所示，閥體流道進(jìn)出口的位置采用的是結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方案，其他部分采用的即為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分的方案，在此網(wǎng)格劃分中，所采用的最差網(wǎng)格品質(zhì)為0.82，滿足整體網(wǎng)格的劃分要求[5]。

圖2 多功能調(diào)節(jié)閥三維模型

圖3 閥體流道模型

圖4 閥體流道的網(wǎng)格劃分

3 三維仿真分析

將劃分好網(wǎng)格的流道模型導(dǎo)入FLUENT流體分析軟件，并設(shè)置好相關(guān)控制參數(shù)，對其進(jìn)行仿真分析，圖5所示為閥板的壓力監(jiān)測曲線，其在分析過程中閥板的壓力逐漸趨于穩(wěn)定，說明了分析結(jié)果的收斂性，證明了仿真分析結(jié)果的有效性。

圖6、圖7分別為閥體在完全開啟的狀態(tài)下管道截面上的壓力和速度云圖，從圖6可以看出在液體流動(dòng)的過程中，壓降主要發(fā)生在閥體內(nèi)部截面積發(fā)生突變的地方，在閥體出口段的彎道處負(fù)壓值相對較小，在此次容易發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，需進(jìn)一步加強(qiáng)。從圖7可知，流體在閥體內(nèi)部流動(dòng)時(shí)，在閥板的左側(cè)和出口位置交匯處，會產(chǎn)生兩個(gè)旋渦，導(dǎo)致水流的能量損耗。

圖5 閥板的壓力變化曲線

圖6 管道截面上的壓力（Pa）云圖

圖7 管道截面上的速度（m/s）云圖

4 結(jié)語

本文提出的多功能控制閥門系統(tǒng)，不僅克服了傳統(tǒng)調(diào)節(jié)閥的缺點(diǎn)，而且具有調(diào)節(jié)性好、操作簡單、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了井下排水系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，對確保煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)具有十分重要的作用。