基于AMESim液壓支架液控單向閥卸荷過程研究

張東東，樊小波，魏國蓮，李文明，宗帥

基于AMESim液壓支架液控單向閥卸荷過程研究

張東東，樊小波，魏國蓮，李文明，宗帥

（青海高等職業(yè)技術學院，青海 海東 810799）

液控單向閥作為液壓支架上的關鍵元件，其性能好壞直接決定支架工作面的可靠性和安全性。介紹了FDY480/50液控單向閥的工作原理和主要特點，利用AMESim搭建了支架系統(tǒng)仿真模型，得出其在卸載時的閥口流量、壓力及閥芯位移曲線，并對液控單向閥卸荷過程進行了分析研究。

液壓支架；液控單向閥；液壓沖擊；卸荷過程

液壓支架是綜采支護面支護設備，它的主要作用是支護采場頂板，維護安全作業(yè)空間，推移工作面采運設備[1]。目前，正規(guī)煤礦均采用液壓支架進行綜合機械化開采[2]。液控單向閥性能好壞直接影響礦井工作的安全性和可靠性。目前，國內使用的液控單向閥普遍存在卸載沖擊大、壽命短、密封易損壞的問題。其密封一般采用軟密封結構，即聚甲醛或聚四氟乙烯等非金屬材料[3]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生這種問題的原因是液壓支架在卸載過程中產(chǎn)生液壓沖擊。實踐表明，瞬間沖擊壓力太大不僅影響系統(tǒng)正常工作，甚至可能使液控單向閥、管道、接頭及安全閥等元件損壞，嚴重時還會導致傷人事故發(fā)生[4-5]。

本文以FDY480/50液控單向閥為例進行分析，對液控單向閥卸荷過程進行研究。

1 FDY480/50液控單向閥工作原理和主要特點

液控單向閥結構如圖1所示，液控單向閥由閥體、大小閥芯、控制活塞等部件組成。液控單向閥正向開啟時，高壓乳化液由A口進入閥內，推開大小閥芯，液體通過單向閥進入立柱下腔，立柱升起；液控單向閥關閉時，立柱下腔液體不能排除，支架不能下降，支架處于穩(wěn)壓狀態(tài)；液控單向閥反向開啟時，高壓油液進入控制口K口，推動高壓油作用在控制活塞上先頂開小閥芯，系統(tǒng)中的高壓油液從小閥芯與大閥芯中間的環(huán)形縫隙中溢出，實現(xiàn)壓力卸荷。隨著小閥芯的不斷開啟，高壓容腔中的乳化液壓力不斷降低，當控制活塞打開大閥芯時，系統(tǒng)實現(xiàn)了低壓大流量通過主閥口，立柱完成降柱[6]。

2 液壓支架液控單向閥AMESim仿真

2.1 建立AMESim仿真模型

立柱液壓控制系統(tǒng)AMESim/HCD下模型如圖2所示。立柱液壓控制系統(tǒng)由乳化液泵、溢流閥、液控單向閥、立柱、安全閥等組成。仿真時，將電液控制閥置于左位，高壓乳化液進入立柱下腔，立柱升起，達到初撐力后，液控單向閥置于中位，使負載加壓到50 MPa，然后快速將控制閥置右位，系統(tǒng)向液控口供液，液控單向閥被控制活塞反向打開，系統(tǒng)卸載。

1—接頭；2—閥體；3—閥套；4—彈簧；5—控制活塞；6—大閥芯；7—小閥芯；8—彈簧；9—外閥套；10—端堵。

圖2 立柱液壓控制系統(tǒng)AMESim/HCD下模型

2.2 仿真分析

為了研究液控單向閥及立柱活塞的動態(tài)特性，進行AMESim仿真分析：①首先進入AMESim環(huán)境，在Sketch模式下從不同的應用庫中選取圖形模塊來建立系統(tǒng)的模型；②利用Submodels為各元件選擇子模型；③parameters模式下為各子模型設置參數(shù)；④Run模式下設置仿真參數(shù)運行。

液壓泵額定流量為480 L/min，液控單向閥控制口K直徑設為0.5 mm，控制活塞直徑為26 mm，活塞桿直徑為 14 mm。小閥芯：錐桿直徑為18 mm，錐孔直徑為11.5 mm，閥桿直徑為10.5 mm，半錐角45°，質量為0.01 kg。大閥芯質量為0.04 kg；大、小閥芯相對位移為0.5 mm，小閥芯相對固定坐標最大位移為3.5 mm，大閥芯相對固定坐標最大位移為3 mm。

2.3 仿真結果分析

液控單向閥開啟階段立柱下腔壓力如圖3所示。由圖3可知，立柱升柱開始時，立柱下腔存在液壓沖擊，立柱下腔壓力出現(xiàn)瞬時波動，下腔壓力升至18 Bar，在安全閥作用下0.4 s后壓力趨于穩(wěn)定。

圖3 液控單向閥開啟階段立柱下腔壓力

大小閥芯位移曲線如圖4所示。從圖4可以看出，立柱卸載過程中，9.05 s時小閥芯打開，閥芯位移0.5 mm，9.45 s時大閥芯也開啟，大閥芯帶動小閥芯，大小閥芯開口頻繁波動，隨后大小閥芯完全打開。

閥口流量曲線如圖5所示。從圖5可看出，9.05 s小閥芯打開后閥口流量迅速上升，最高達190 L/min，穩(wěn)定后流量為40 L/min；9.45 s后大閥芯開啟，最高流量達700 L/min，穩(wěn)定后流量為360 L/min。從流量曲線也可以看出，卸載過程中流量也出現(xiàn)波動。

圖5 閥口流量曲線

閥口壓力曲線如圖6所示。從圖6可以看出，小閥芯開啟后壓力瞬間增大，油液從小閥芯開口溢出，實現(xiàn)小流量卸荷；隨后大閥芯開啟，產(chǎn)生劇烈震蕩，但是因前期小流量卸荷不會產(chǎn)生過大的壓力沖擊。

圖6 閥口壓力曲線

液壓支架支護時，液控單向閥處于關閉狀態(tài)，立柱下腔油液被壓縮且處于高壓狀態(tài)。液壓支架降柱時，換向閥處于右位，高壓乳化液一部分進入立柱上腔，一部分通過控制口K口作用在控制活塞上。此時，泵站輸出的高壓油液作用在控制活塞大端面，立柱下腔的高壓油液作用在控制活塞環(huán)形端面，控制活塞的受力平衡被破壞，小閥芯先開啟，立柱下腔高壓油液小流量卸荷釋壓；隨后大閥芯開啟，出現(xiàn)閥芯不斷開啟一關閉一再開啟，即閥芯的非線性震蕩。當壓力能被消耗后，控制活塞將液控單向閥大小閥芯穩(wěn)定的打開，立柱下腔開始大流量卸流。

3 結論

利用仿真軟件AMESim對二級卸載液控單向閥卸荷過程的研究，得出卸荷時液控單向閥閥口流量曲線、閥芯運動曲線及閥口壓力曲線，液控單向閥卸載時存在較小的壓力沖擊。液控單向閥閥芯反向開啟時，控制活塞和主閥閥芯在立柱下腔油液壓力和泵站輸出油液壓力的作用下，控制活塞的受力平衡被破壞，小閥芯先開啟小流量卸荷釋壓；之后大閥芯開啟出現(xiàn)閥芯不斷啟閉，即閥芯的持續(xù)振蕩，導致下腔壓力不斷變化，產(chǎn)生壓力沖擊；當壓力被消耗后，閥芯穩(wěn)定開啟實現(xiàn)大流量卸荷。

［1］王啟廣，耿東鋒，李琳，等.液壓支架的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢［J］.礦山機械，2008（4）：9-13.

［2］孫長春.液壓支架的現(xiàn)狀及發(fā)展思路［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2009（6）：150-152.

［3］高揚.新型液壓支架用液控單向閥系統(tǒng)動態(tài)特性的分析與研究［D］.鄭州：鄭州大學，2007.

［4］江玲玲.基于AMESim的液壓系統(tǒng)動態(tài)特性仿真與優(yōu)化研究［D］.綿陽：西南科技大學，2007.

［5］高郁，馮旻.我國液壓支架技術現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.煤炭技術，2003（7）：4-6.

［6］高揚，馬勝鋼，王永強，等.新型液控單向閥與液壓支架卸載系統(tǒng)的性能分析與研究［J］.礦山機械，2007（6）：48-50.

TH137

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.19.022

2095－6835（2019）19－0056－02

張東東（1991—），男，甘肅臨夏人，主要從事液壓元件及自動控制方面的教學與科研工作。

〔編輯：嚴麗琴〕