礦用液壓支架純水安全閥使用性能的研究

周永超

（山西焦煤西山煤電集團(tuán)有限公司屯蘭礦， 山西 古交 030206）

引言

純水安全閥是保障液壓支架正常工作的關(guān)鍵部件之一。由于井下環(huán)境的惡劣性，加上純水安全閥中流體雜質(zhì)較多，導(dǎo)致其在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)侵蝕、泄露、磨損等故障現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著液壓支架的正常工作和井下作業(yè)安全。因此，有必要對(duì)其運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究。

1 純水安全閥的結(jié)構(gòu)特性

純水安全閥主要由閥芯、閥座、彈簧、密封圈、閥殼、防塵冒等零件組成，其結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。在工作過(guò)程中，當(dāng)外界產(chǎn)生較大壓力時(shí)，安全閥可通過(guò)調(diào)整壓力至適當(dāng)值，以保護(hù)液壓支架不被頂板壓壞，其中，要求安全閥的流量要與立柱及頂板壓力相匹配，并在液壓支架工作過(guò)程中，將安全閥保持開(kāi)啟狀態(tài)，而安全閥過(guò)大或過(guò)小的公稱流量，均可能導(dǎo)致液壓支架工作時(shí)出現(xiàn)壓壞現(xiàn)象。同時(shí)，當(dāng)液壓支架卸載后，可通過(guò)關(guān)閉安全閥，并將閥內(nèi)壓力保持在85%以上，較好地對(duì)液壓支架進(jìn)行保護(hù)。因此，選用合適的安全閥，并保證其工作時(shí)的正常性能，對(duì)保證液壓支架的正常工作及進(jìn)行作業(yè)安全至關(guān)重要[1-3]。

2 純水安全閥使用過(guò)程中存在的問(wèn)題

2.1 拉絲侵蝕、泄漏

由于水與潤(rùn)滑油相比水具有更低的黏度，當(dāng)安全閥工作過(guò)程中，閥內(nèi)水在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)將在離心力作用下甩出去，產(chǎn)生較大的沖擊力，較大的沖擊力作用在安全閥接觸表面并形成凹槽，長(zhǎng)時(shí)間的沖擊作用，最終使安全閥出現(xiàn)了拉絲侵蝕現(xiàn)象，這將導(dǎo)致安全閥的表面精度降低和摩擦力明顯增加。同時(shí)，煤層中的顆粒在水中進(jìn)行高速流動(dòng)時(shí)，會(huì)加大對(duì)安全閥表面的摩擦磨損。另外，隨著安全閥表面精度的降低，加上表面受到長(zhǎng)時(shí)間的侵蝕，純水隨高速運(yùn)動(dòng)而從縫隙出流出，使安全閥出現(xiàn)了泄露現(xiàn)象。

圖1 液壓支架純水安全閥結(jié)構(gòu)組成圖（單位：mm）

2.2 磨損

由于安全閥中無(wú)潤(rùn)滑油作用，而主要靠純水進(jìn)行潤(rùn)滑，導(dǎo)致安全閥內(nèi)較難形成較好的潤(rùn)滑膜，降低了安全閥的潤(rùn)滑效果，使安全閥運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生了干摩擦現(xiàn)象。同時(shí)，純水在安全閥表面形成的潤(rùn)滑膜相對(duì)較薄，隨著純水的流動(dòng)，使水的溫度逐漸升高，也導(dǎo)致潤(rùn)滑膜的潤(rùn)滑效果大大降低[4]。另外，水中夾雜的煤層顆粒隨純水的一起流動(dòng)，不僅導(dǎo)致安全閥表面出現(xiàn)了較大程度的侵蝕，也使安全閥出現(xiàn)了較嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，導(dǎo)致安全閥的使用壽命嚴(yán)重降低，影響了安全閥的使用安全。

3 純水安全閥模型的建立

3.1 三維模型的建立

結(jié)合安全閥的結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)，采用PROE軟件，建立了包含閥芯、閥座、彈簧、密封圈、閥殼、防塵冒等部件組成的三維模型。為了使安全閥的分析結(jié)果與實(shí)際工作情況相吻合，將安全閥上的非關(guān)鍵部件、非關(guān)鍵倒角、圓角及其他特征進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化，僅保留了安全閥上的關(guān)鍵零部件，由此，建立了純水安全閥的三維模型，如下頁(yè)圖2所示。

3.2 仿真模型的建立

安全閥實(shí)際使用時(shí)，由于經(jīng)常與水進(jìn)行接觸，要求其結(jié)構(gòu)具有較好的防腐性能，故主要采用了不銹鋼材料。因此，采用ANSYS仿真分析軟件，將安全閥閥體材料設(shè)置為了不銹鋼材料，閥芯、閥座采用具有一定耐腐蝕的工程陶瓷材料。同時(shí)，結(jié)合安全閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)安全閥進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，主要采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小設(shè)置為4 mm，并對(duì)安全閥中關(guān)鍵位置進(jìn)行了加密處理[5]。最終，通過(guò)對(duì)安全閥進(jìn)行邊界條件設(shè)置和載荷施加，完成了安全閥的仿真模型建立，其仿真模型如圖3所示。

圖2 純水安全閥室三維模型圖

圖3 純水安全閥仿真模型圖

4 純水安全閥仿真結(jié)果的分析

4.1 安全閥閥芯處?kù)o壓變化的分析

圖4為安全閥閥芯處的靜壓變化圖。由圖4可知，閥芯孔進(jìn)口端的工作壓力相對(duì)較高，且均勻分布在閥芯進(jìn)口端方向，在閥芯中間臺(tái)階處，由于臺(tái)階的作用，在此處產(chǎn)生了較小的回流現(xiàn)象，導(dǎo)致此處的工作壓力有所降低，同時(shí)，從進(jìn)口沿著閥芯出口方向，工作壓力整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，而在閥芯出口處，工作壓力降低至大氣壓力以下，并分布在出口的左右兩側(cè)，產(chǎn)生了低負(fù)壓，而出口尾部的工作壓力則相對(duì)更高。由此，隨著安全閥的長(zhǎng)時(shí)間工作，在其出口處將極可能出現(xiàn)氣蝕、侵蝕現(xiàn)象，影響著液壓支架的正常運(yùn)行。

4.2 安全閥閥芯處速度矢量變化的分析

圖5為液壓支架安全閥閥芯處速度矢量變化圖。由圖5可知，在安全閥進(jìn)口方向，閥內(nèi)流體的速度相對(duì)較低，整體呈均布流動(dòng)狀態(tài)，在閥芯臺(tái)階處，由于閥芯端面尺寸的減小，閥內(nèi)流體的速度出現(xiàn)逐漸增大變化，并沿閥芯出口方向呈均勻流動(dòng)，在此階段，閥芯中心的速度相對(duì)較大，而閥芯管壁處的流速則相對(duì)更低；當(dāng)流體到達(dá)出口時(shí)，閥內(nèi)流體速度達(dá)到最大，分布在出口的左右兩端，且形成了強(qiáng)度較弱的兩個(gè)對(duì)稱漩渦，而正是漩渦的作用，消耗了閥內(nèi)主流的能量和壓力，對(duì)此處的閥芯造成了一定的影響。

圖4 安全閥閥芯處?kù)o壓云圖

圖5 安全閥閥芯處速度矢量變化圖

安全閥在運(yùn)行過(guò)程中，其閥內(nèi)的工作壓力及流體運(yùn)行速度均發(fā)生了不均勻的變化，當(dāng)流體到達(dá)安全閥出口時(shí)，其工作壓力和流動(dòng)速度大大增加，當(dāng)安全閥長(zhǎng)期在此狀態(tài)下進(jìn)行工作時(shí)，將會(huì)對(duì)其造成一定影響。而若將閥體的出口由垂直方式改為斜口，雖可降低出口的壓力及流體速度，但極易將密封圈向外推并致使其推出至斜口內(nèi)，增加了密封圈的磨損，嚴(yán)重時(shí)也將引起安全閥的堵塞或其他運(yùn)行故障。因此，為更好地延長(zhǎng)純水安全閥的使用壽命，可對(duì)安全閥內(nèi)的流體進(jìn)行凈化，保證流體內(nèi)具有較少雜質(zhì)，同時(shí)，定期對(duì)安全閥的潤(rùn)滑性進(jìn)行檢查、維護(hù)及保養(yǎng)，將流體的流動(dòng)速度控制在合理范圍內(nèi)。由此，可降低液壓支架安全閥在使用過(guò)程中的故障率，提高其綜合性能和使用安全。