大流量交替雙向鎖流道優(yōu)化設(shè)計及仿真計算

孟令宇，周如林，王 偉，郭宗凱

(1.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013；2.中國礦業(yè)大學 機電與信息工程學院，北京 100083)

引言

隨著我國煤礦生產(chǎn)能力不斷提高，煤炭裝備也得到了大力發(fā)展，大型化、自動化、成套化的綜采裝備已得到廣泛應用。液壓支架作為綜采成套裝備中的重要裝備，也不斷刷新其采高、工作阻力、 重量等主要性能和參數(shù)的新高。目前，在綜采工作面高產(chǎn)高效的機械化生產(chǎn)中，主要存在兩大問題：①液壓支架移駕速度過慢，難以適應采煤機牽引速度，限制了煤炭采出量；②液壓支架進出液流量匹配不佳，不能有效利用泵站輸出功率?；谏鲜鰡栴}，工作面對液壓系統(tǒng)壓力和流量要求逐步增高，因此，高水基高壓大流量柱塞泵及液壓閥應運而生[1]。

護幫板在大采高綜采工作面液壓支架上有普遍應用，主要作用是保護煤壁不脫落，防止煤壁板裂化片幫，有效防止工作面垮塌。劉成峰[2]研究了大采高液壓支架三級護幫合理的結(jié)構(gòu)，介紹了其具體動作原理。劉國柱[3]介紹了一種增壓增力的新型復合護幫裝置，為厚及特厚煤層開采提供了一種全新的護幫方案。張健等[4]針對綜采工作面配套的液壓支架在回采過程中頻繁出現(xiàn)的護幫板損壞問題,從現(xiàn)場使用、工作原理、結(jié)構(gòu)等方面綜合分析，對護幫板結(jié)構(gòu)進行改進。雖然護幫板的結(jié)構(gòu)強度增加了，但僅進行結(jié)構(gòu)改進無法解決系統(tǒng)性問題：①護幫千斤頂在收回運動至行程終端時，由于慣性力的作用，會發(fā)生劇烈的沖擊和振動，發(fā)出刺耳的噪聲，甚至使緊固件失效；②一二級護幫板單獨控制動作不協(xié)調(diào)導致膠管壓斷；③一級護幫板運動時，二級護幫板觸及煤壁產(chǎn)生高壓，造成千斤頂壽命降低。針對這些弊端，李海寧等[5]利用AMESim軟件搭建千斤頂緩沖裝置液壓模型，通過運行仿真分析了緩沖裝置對末段沖擊的影響。穆建勇等[6]成功研制出一種可以使一二級護幫產(chǎn)生聯(lián)動效果的新型雙向鎖。曹立軍[7]結(jié)合流體力學原理對液壓支架護幫“低頭”現(xiàn)象進行了深入的分析。卜慶鋒等[8]介紹了一種液壓支架用高壓大流量液控單向閥的結(jié)構(gòu)組成及工作原理,并對其在不同閥口開度、不同工作狀態(tài)下的內(nèi)部流場進行了仿真分析及研究。

上述研究在不同方面改進了支架護幫及液壓系統(tǒng)的設(shè)計，但未涉及護幫用輔助閥對系統(tǒng)壓力損失的定量分析。干敏耀[9]運用CAD軟件建立了特種滑閥的三維流體模型并進行網(wǎng)格劃分,開展穩(wěn)態(tài)數(shù)值仿真研究。王曉凱[10]運用CFD軟件Fluent對液壓換向閥的徑向穩(wěn)態(tài)液動力進行了可視化分析。張宏[11]采用流場仿真手段,對大流量多路閥閥芯受力情況進行了數(shù)值模擬, 準確預測和分析多路閥穩(wěn)態(tài)液動力。金偉[12]研究旋轉(zhuǎn)閥的工作原理及其在工作過程中閥體內(nèi)部流體流動特性，利用Fluent軟件對旋轉(zhuǎn)閥閥芯進行流場分析。武鵬飛[13]設(shè)計了一種純水高速開關(guān)閥,建立了機械部分、液壓系統(tǒng)之間的耦合數(shù)學模型,并利用專用軟件構(gòu)建了耦合仿真模型。采用Pro/E建模、ANSYS Fluent仿真手段可準確模擬閥穩(wěn)態(tài)動態(tài)特性，為產(chǎn)品設(shè)計提供方向性指導，有效簡化產(chǎn)品研發(fā)成本周期。

1 護幫聯(lián)動系統(tǒng)的工作原理

液壓支架護幫千斤頂分別由獨立的液控雙向鎖封住千斤頂?shù)纳舷虑?，液控雙向鎖由電液控換向閥控制。護幫千斤頂在換向閥的控制下通過液控雙向鎖完成伸出、收回動作。

在上下級護幫千斤頂液路連接之間設(shè)有交替雙向鎖，當上一級護幫千斤頂上、下腔進液時，高壓液通過交替雙向鎖進入下一級護幫千斤頂上、下腔，由于千斤頂有桿腔與無桿腔面積差，形成差動作用力，下一級護幫千斤頂伸出，護幫板在交替雙向鎖的作用下始終處于額定力下的支撐狀態(tài)，從而保證煤壁不脫落，液壓系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

1.上一級護幫千斤頂 2.下一級護幫千斤頂 3.50 MPa安全閥4.雙向鎖 5.交替雙向鎖 6.電磁換向閥圖1 護幫聯(lián)動系統(tǒng)液壓原理圖

2 傳統(tǒng)交替雙向鎖

2.1 工作原理

傳統(tǒng)交替雙向鎖如圖2a所示，由2個插裝式單向閥芯串、1個交替單向閥構(gòu)成。當高壓液由A口或B口流入時，2個單向閥在高壓液的作用下克服彈簧預緊力及閉鎖腔壓力，A1口和B1口導通。A1連接千斤頂下腔，B1連接千斤頂上腔。由于千斤頂下腔面積大于上腔面積，致使下腔產(chǎn)生的液壓力大于上腔產(chǎn)生的液壓力，從而推動活塞桿向外伸出。

圖2 傳統(tǒng)交替雙向鎖結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 流阻試驗

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)交替雙向鎖流道通徑7 mm，設(shè)計流量80 L/min。試驗流體介質(zhì)為水，試驗臺原理圖如圖3所示。交替雙向鎖進液口A與電液控換向閥(主閥)C口連接，主閥與200 L/min流量乳化液泵相連，上位機發(fā)送電信號控制電磁先導閥E，從而控制主閥C口開關(guān)。交替雙向鎖出液口A1與球形截止閥、回液斷路閥連接并最終接入主回液。分別在交替雙向鎖進液口A和出液口A1連接壓力傳感器，測量兩口之間的壓降?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)截止閥開度對液壓系統(tǒng)的流量進行調(diào)節(jié)，此試驗系統(tǒng)可準確測量額定流量在200 L/min以內(nèi)的交替雙向鎖進出口壓力值，實驗配套設(shè)備參數(shù)如表1所示。

1.乳化液泵 2.安全閥 3.交替雙向鎖 4.主閥 5.截止閥6.回液斷路閥 7.壓力傳感器 8.液箱 9.流量計圖3 傳統(tǒng)交替雙向鎖實驗連接圖

表1 實驗配套設(shè)備參數(shù)

經(jīng)大流量試驗臺測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖4所示，壓力p、數(shù)據(jù)采集點n。流量為80 L/min時，進口壓力9.1 MPa，出口壓力1.6 MPa，壓力損失為7.5 MPa；流量為125 L/min時，進口壓力20.1 MPa，出口壓力3.9 MPa，壓力損失為16.2 MPa。

圖4 傳統(tǒng)交替雙向鎖壓力損失圖

2.3 仿真計算

對交替雙向鎖中流體的流動特性進行研究，首先需要分析流體在交替雙向鎖內(nèi)部流動狀態(tài)，目前對于牛頓流體的流動狀態(tài)通常分為層流和湍流，判斷流體是何種流動狀態(tài)的依據(jù)是雷諾數(shù)。通常，水介質(zhì)中雷諾數(shù)小于2300為層流，2300～4000為過渡狀態(tài)，大于4000為湍流[14]。計算雷諾數(shù)的公式如下：

式中,u—— 流體的平均流速

L—— 特征長度，對于圓管，為管路斷面直徑

ν—— 流體的運動黏度

計算得出在等效直徑下的流道雷諾數(shù)至少為2.5e-5。因此，對于交替雙向鎖來說，其內(nèi)部流場表征為湍流。

非穩(wěn)態(tài)的連續(xù)方程和N-S方程適用于湍流的瞬時運動，但是由于流場上各點脈動使得無法求其解析解[15]。ANSYS提供k-ε模型適用于湍流狀態(tài)下的可壓縮和不可壓縮流體[16]。

選用RNGk-ε模型進行求解，RNGk-ε模型是Standardk-ε模型的修正，方程和系數(shù)是試驗分析得到的，主要修正了ε方程以提高強應變流的模擬精度，附加選項能幫助模擬漩渦流和低雷諾數(shù)流動。相比Standardk-ε模型，RNGk-ε模型適用于更多類型的流動[17]。

對傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)交替雙向鎖進行Pro/E建模，經(jīng)ANSYS進行模型流道抽取后，導入ANSYS Fluent進行仿真計算。建模后流道如圖2b所示，對流道進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為4433779，如圖5所示。

圖5 交替雙向鎖網(wǎng)格劃分

導入ANSYS Fluent進行模擬仿真，使用計算模型k-ε(2 eqn)，RNG模型；流道入口設(shè)置為速度入口，經(jīng)計算在80 L/min流量下，入口流速為34.7 m/s，在125 L/min 流量下，入口流速為54.2 m/s；流道出口設(shè)置為壓力出口，數(shù)值設(shè)置為0；湍流強度3.4%，水力直徑7 mm。經(jīng)計算，流量連續(xù)性方程迭代殘差小于1e-4，結(jié)果收斂。

對計算結(jié)果進行分析，各靜壓截面選取如圖6所示。對各截面靜壓進行積分求和得表2數(shù)值，其中p3-p4截面壓降最為明顯，壓降為2.4 MPa和 6.3 MPa(對應80 L/min和125 L/min流量)。對p3-p4截面模型結(jié)構(gòu)設(shè)計進行追溯發(fā)現(xiàn)模型在此處的等效直徑為6.3 mm，小于7 mm設(shè)計通徑。模型有3個90°彎折，壓力損失之和為3.4 MPa和7.3 MPa。計算數(shù)據(jù)表明，等效直徑尺寸、90°彎折數(shù)量是影響交替雙向鎖壓力損失的重要因素，其占據(jù)交替雙向鎖總壓降的80%。

圖6 ANSYS靜壓截面選取(80 L/min)

表2 傳統(tǒng)交替雙向鎖各截面靜壓數(shù)值 MPa

3 新型交替雙向鎖

3.1 工作原理

新型交替雙向鎖如圖7所示，由2個插裝式單向閥芯串、1個交替單向閥構(gòu)成。當高壓液由A口或B口流入時，2個單向閥芯在高壓液的作用下克服彈簧預緊力及閉鎖腔壓力，A1口和B1口導通。

圖7 新型交替雙向鎖結(jié)構(gòu)簡圖

3.2 設(shè)計仿真

為滿足設(shè)計產(chǎn)品的大流量特性，對新型交替雙向鎖流道等效直徑進行了參數(shù)化設(shè)計，為7，8，8.5 mm。隨著流道等效直徑的增大，交替雙向鎖內(nèi)部零件結(jié)構(gòu)也隨之改變，新型交替雙向鎖流道抽取如圖7深色部位所示。

經(jīng)ANSYS Fluent仿真，各截面壓力損失Δp如圖8所示，對各截面s靜壓進行積分求和得折線圖9。其中p4-pout截面壓降最為明顯，流量為80 L/min時分別為0.8，1.1，1.6 MPa(對應7，8，8.5 mm通道)，小于傳統(tǒng)交替雙向鎖3.7 MPa(對應圖6的p3-pout截面)；流量為125 L/min時分別為1.7，2.4 ，4 MPa，小于傳統(tǒng)交替雙向鎖9.5 MPa；說明等效直徑增大，壓力損失下降。其中p1-p2截面為唯一90°彎折，流量為80 L/min時壓降分別為0.3，0.6，1.3 MPa，流量為125 L/min時分別為0.6，1.3，2.6 MPa，明顯小于傳統(tǒng)交替雙向鎖3處90°彎折處壓降。說明90°彎折通道數(shù)量會影響流道壓力損失，且經(jīng)數(shù)值分析，彎折數(shù)量和壓力損失大致呈現(xiàn)線性關(guān)系。仿真計算表明，增大最小等效直徑和減小90°彎折數(shù)量可有效降低結(jié)構(gòu)的壓力損失。

圖8 ANSYS靜壓截面選取(125 L/min, 8.5 mm)

圖9 ANSYS截面靜壓積分數(shù)值

3.3 流阻試驗

對ANSYS Fluent 仿真結(jié)果進行驗證試驗。試驗線路連接如圖3所示。液體由A或B流入，經(jīng)過交替單向閥，插裝式單向閥芯由A1，B1口流出；分別在進液口A和出液口A1連接壓力傳感器，測量進出口之間的壓降，數(shù)據(jù)統(tǒng)計于圖10。

圖10 新型交替雙向鎖壓力損失圖

4 誤差分析

將仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比得出表3數(shù)據(jù)，當?shù)刃е睆綖? mm時，相對誤差接近10%，等效直徑為8 mm 和8.5 mm時，相對誤差只有5%。經(jīng)分析，仿真誤差主要來自3方面：

表3 進出口誤差分析

(1) 小直徑大流量下介質(zhì)流動峰值速度接近100 m/s，流道轉(zhuǎn)折處及死區(qū)形成渦流，F(xiàn)luent難以建立精確的湍流模型，不能很好的捕捉渦流壓降；

(2) 流道形狀不規(guī)則，雖然在前期進行模型優(yōu)化，但模型中仍留有部分微小間隙；

(3) 仿真中壁面粗糙度參數(shù)Roughness height設(shè)置為0，造成仿真計算結(jié)果數(shù)值偏小。

ANSYS Fluent軟件計算結(jié)果與實際測量數(shù)據(jù)相對誤差在15%以內(nèi)，數(shù)據(jù)擬合較好，仿真結(jié)果對實際結(jié)構(gòu)的設(shè)計及改進提供了數(shù)據(jù)支撐。

5 結(jié)論

利用ANSYS Fluent軟件對傳統(tǒng)交替雙向鎖與新型交替雙向鎖進行內(nèi)部流場仿真分析，獲得閥體內(nèi)部流體在不同結(jié)構(gòu)中各截面的壓力云圖與速度云圖，將仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比，得到以下結(jié)論。

(1) 改進后的交替雙向鎖壓力損失減小65%，流量升級為125 L/min，壓力損失小于5 MPa，滿足GB/T 25974.3—2010[18]要求，能更好的適應大流量綜采工作面，減小泵站負荷；

(2) 交替雙向鎖采用新流道結(jié)構(gòu)后，90°彎折數(shù)量減少2處，極大減小壓力損失，且閥體體積減小1/3；

(3) ANSYS Fluent軟件計算結(jié)果與實際測量數(shù)據(jù)相對誤差在15%以內(nèi)，仿真結(jié)果對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計及改進提供了數(shù)據(jù)支撐；

(4) 經(jīng)小流量實驗臺測定，新型交替雙向鎖開啟壓力、關(guān)閉壓力、控制壓力、密封性、背壓安全性均滿足GB/T 25974.3—2010[18]要求，且經(jīng)30000次壽命實驗后，密封圈質(zhì)量良好，無泄漏。

(5) 數(shù)值仿真參數(shù)化設(shè)計可大幅提高仿真效率，有助于幫助設(shè)計者找到最優(yōu)化設(shè)計方案，為產(chǎn)品設(shè)計提供方向性的指導。