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)
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。
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]。
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)
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。
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。
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
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。
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。