液壓支架反沖洗過濾站反沖洗性能仿真分析

蘇東海， 于 玲，2

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 沈陽化工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 沈陽 110142)

由于煤礦井下綜采工作面環(huán)境惡劣，支架液壓系統(tǒng)龐大復(fù)雜以及高水基液壓液粘度低、易污染等特點(diǎn)，使得支架液壓系統(tǒng)的污染控制問題已成為影響液壓支架工作性能和采煤效率的關(guān)鍵問題之一.自動(dòng)反沖洗過濾技術(shù)能在系統(tǒng)不停機(jī)拆解的狀態(tài)下完成濾芯的反向清洗，實(shí)現(xiàn)濾芯過濾功能再生，從而確保工作介質(zhì)的清潔度.目前已廣泛應(yīng)用于化工[1-2]、煤礦[3-5]、污水處理[6-7]和農(nóng)業(yè)[8-9]等行業(yè).為解決煤礦支架液壓系統(tǒng)的污染控制問題，已經(jīng)有研究人員將反沖洗過濾技術(shù)引入支架液壓系統(tǒng)的污染控制，王亮亮[10]結(jié)合工作面使用反沖洗過濾站的實(shí)際情況對(duì)過濾站的使用頻率以及反沖時(shí)間進(jìn)行了分析與實(shí)踐；于玲等[11-12]建立了正向過濾和反向沖洗兩個(gè)階段的污染控制模型，研究了污染重復(fù)過濾因子、分流系數(shù)和反沖洗效率等參數(shù)對(duì)反沖洗時(shí)間和反沖洗效果的影響特性；張宏等[13]應(yīng)用水射流清洗技術(shù)設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)式反沖洗過濾器，研究了關(guān)鍵射流參數(shù)對(duì)濾芯射流打擊壓力和濾芯轉(zhuǎn)速特性的影響規(guī)律.上述學(xué)者對(duì)液壓支架采用反沖洗過濾站模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、污染控制特性和反沖洗特性等方面進(jìn)行了較為深入的研究，但關(guān)于反沖洗過濾站在反沖洗時(shí)的流量壓力特性和液動(dòng)閥啟閉特性的研究相對(duì)較少.本文針對(duì)煤礦支架液壓系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，開發(fā)了一種適用于高壓大流量的電液控制自動(dòng)反沖洗過濾站，建立AMESim仿真模型，從液壓支架不同負(fù)載和濾芯堵塞狀態(tài)出發(fā)，對(duì)反沖洗過程的流量、壓力和液動(dòng)閥啟閉性能進(jìn)行了分析，并對(duì)過濾站的反沖洗功能進(jìn)行了定性試驗(yàn)，為實(shí)現(xiàn)支架液壓系統(tǒng)的高效清潔運(yùn)行奠定必要的理論基礎(chǔ).

1 高壓大流量反沖洗過濾站

針對(duì)支架高水基液壓系統(tǒng)的工作特性，設(shè)計(jì)了一種高壓大流量自動(dòng)反沖洗過濾裝置，其工作原理如圖1所示，其中液控主閥為錐閥式結(jié)構(gòu).該系統(tǒng)通過兩個(gè)小流量電磁先導(dǎo)閥和兩個(gè)大流量液控主閥來實(shí)現(xiàn)反沖洗控制，當(dāng)電磁先導(dǎo)閥斷電時(shí)，乳化液通過液控主閥初始位后，經(jīng)濾芯過濾給支架系統(tǒng)供液，當(dāng)某個(gè)過濾器濾芯的前后壓差達(dá)到設(shè)定值時(shí)，對(duì)應(yīng)的電磁先導(dǎo)閥得電，經(jīng)電磁先導(dǎo)閥驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的液控主閥換向，此時(shí)經(jīng)另一個(gè)濾芯過濾后的乳化液反向進(jìn)入待沖洗濾芯，將沉積在濾芯表面上的雜質(zhì)由反沖洗口排出系統(tǒng)，從而在不拆卸的前提下實(shí)現(xiàn)濾芯的反向清洗.圖2為高壓反沖洗過濾站結(jié)構(gòu)圖，其中，1為控制器，2為超聲波發(fā)生器，3為壓力表，4為排污口，5為出液口，6為進(jìn)液口，7為過濾器，8為超聲波電源.

2 反沖洗過濾站仿真模型建立及參數(shù)設(shè)定

為研究支架工況對(duì)過濾站反沖洗效果的影響，基于AMESim[14-15]建立反沖洗過濾站的仿真模型，如圖3所示.液壓泵采用400 L/min流量泵加31.5 MPa溢流閥來簡化模擬實(shí)際的乳化液泵，支架液壓系統(tǒng)負(fù)載用節(jié)流閥來模擬，可根據(jù)支架系統(tǒng)實(shí)際工況進(jìn)行調(diào)節(jié)，以控制進(jìn)入系統(tǒng)的流量，反沖洗管路用節(jié)流孔加DN19軟管形式模擬，過濾器壓差設(shè)為0.2 MPa，工作介質(zhì)為乳化液.

圖1 高壓大流量反沖洗過濾站工作原理Fig.1 Working principle of high pressure and large flow backwashing filter station

圖2 高壓反沖洗過濾站結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of high pressure backwashing filter station

根據(jù)反沖洗過濾站的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)置主要參數(shù)如表1所示.

3 反沖洗過濾站仿真分析

3.1 反沖洗性能分析

仿真時(shí)間設(shè)為6 s，其中前0～2 s為正常過濾時(shí)間，2～4 s對(duì)過濾器1實(shí)現(xiàn)反沖洗，4～6 s再重回正常過濾狀態(tài)，模擬負(fù)載的節(jié)流閥開度設(shè)為7 mm.圖4為過濾站反沖洗性能相關(guān)曲線.由仿真結(jié)果可知，本文開發(fā)的過濾站能順利完成反沖洗功能，在0～2 s和4.8～6 s，過濾站處于正常過濾狀態(tài)，此時(shí)進(jìn)入支架系統(tǒng)的流量為400 L/min，液壓泵全流量供油，系統(tǒng)壓力為30.4 MPa；在2～4.8 s過濾站處于反沖洗狀態(tài)，此時(shí)進(jìn)入支架系統(tǒng)的流量僅為62.8 L/min，其余流量皆經(jīng)反沖洗濾芯后排出系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)濾芯的反向清洗，清洗效果已在文獻(xiàn)[12]驗(yàn)證，此時(shí)系統(tǒng)壓力低至0.75 MPa，因此在設(shè)計(jì)液動(dòng)閥時(shí)必須注意控制活塞直徑和復(fù)位彈簧的匹配，確保在低壓狀態(tài)下也能實(shí)現(xiàn)反沖洗功能，同時(shí)反沖洗時(shí)間必須選在系統(tǒng)沒有工作需求的時(shí)候進(jìn)行，以免因?yàn)榉礇_洗而造成系統(tǒng)壓力不足.

圖3 反沖洗過濾站AMESim仿真模型Fig.3 AMESim simulation model of backwashing filter station

參數(shù)名稱數(shù)值錐閥大徑/mm35錐閥孔徑/mm28彈簧剛度/(N·m-1)6.36預(yù)壓縮量/mm3閥芯質(zhì)量/kg0.325閥芯行程/mm11控制活塞直徑/mm42控制活塞彈簧剛度/(N·m-1)3.93控制活塞預(yù)壓縮量/mm5.5節(jié)流閥開度/mm1～7

由圖4c可知，閥芯從正常過濾時(shí)的全開到反沖洗時(shí)的全關(guān)用時(shí)0.7 s，而從反沖洗結(jié)束回到正常過濾的時(shí)間與初始設(shè)定后延遲了0.8 s，這主要是由于反沖洗時(shí)系統(tǒng)壓力較低以及在低壓下能使液控閥芯動(dòng)作而降低復(fù)位彈簧剛度導(dǎo)致的，可以通過減小控制活塞面積或增大復(fù)位彈簧剛度來改善液動(dòng)主閥的閥芯啟閉時(shí)間，但必須注意與反沖洗時(shí)的控制壓力相匹配.在正常過濾階段，反沖洗口流量為0，在反沖洗時(shí)流量達(dá)到337.2 L/min，相當(dāng)于大部分流量都經(jīng)過反沖洗口排出了系統(tǒng)，因此，從節(jié)能角度考慮，每次反沖洗的時(shí)間都不宜設(shè)置過長，當(dāng)然也可以通過減小反沖洗口直徑來減小反沖洗流量，但這會(huì)影響電磁換向閥和液動(dòng)主閥的換向穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致背壓過高而無法開啟.

圖4 過濾站反沖洗性能相關(guān)曲線Fig.4 Backwashing performance curves of filter station

3.2 負(fù)載對(duì)反沖洗性能的影響

由于反沖洗時(shí)液控?fù)Q向閥的控制油來自于過濾后的管路壓力，而此壓力取決于液壓支架工作時(shí)的負(fù)載.反沖洗時(shí)由于大量乳化液被反沖出管路，必然導(dǎo)致系統(tǒng)壓力迅速下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致液控?fù)Q向閥無法開啟而無法實(shí)現(xiàn)反沖洗，因此有必要研究負(fù)載對(duì)反沖洗性能的影響.

設(shè)置模擬負(fù)載的節(jié)流閥開度分別為1、3、5和7 mm，仿真時(shí)間不變，采用批處理方法進(jìn)行仿真，得到不同負(fù)載時(shí)過濾站反沖洗性能相關(guān)曲線，如圖5所示.由結(jié)果可知，無論何種工況，本文設(shè)計(jì)的反沖洗過濾站都能順利實(shí)現(xiàn)反沖洗.由圖5a可以看出，隨著負(fù)載節(jié)流閥開度的減小，在正常過濾階段和反沖洗階段，流入系統(tǒng)的流量均減小，當(dāng)節(jié)流閥開度為1 mm時(shí)，反沖洗時(shí)僅有13.2 L/min的流量進(jìn)入系統(tǒng)，其余全部經(jīng)反沖洗口排出.由圖5b可知，反沖洗時(shí)的系統(tǒng)壓力隨著負(fù)載節(jié)流閥開度的減小而略有增加，節(jié)流閥開度分別為1、3、5和7 mm時(shí)，反沖洗壓力分別為1.05、0.99、0.88和0.75 MPa，當(dāng)節(jié)流閥開度達(dá)到8 mm時(shí)，反沖洗壓力僅為0.65 MPa，已不能使液控?fù)Q向閥全部開啟，從而對(duì)反沖洗效果產(chǎn)生影響.由圖5c可知，隨著節(jié)流閥開度的變化，閥芯從正常過濾的全開到反沖洗的全閉所需時(shí)間也有變化.當(dāng)節(jié)流閥開度分別為1、3、5和7 mm時(shí)，液控主閥關(guān)閉時(shí)間分別為0.45、0.48、0.54和0.7 s，隨著負(fù)載的增大，反沖洗時(shí)的系統(tǒng)壓力越大，進(jìn)入控制活塞的流量越大，換向時(shí)間越短.當(dāng)繼續(xù)減小負(fù)載，增大節(jié)流閥直徑到8 mm時(shí)，液控?fù)Q向閥的閥芯位移僅為10 mm，小于理論值11 mm，說明此時(shí)液控?fù)Q向閥不能完全開啟，將有一部分乳化液未經(jīng)過濾直接從反沖洗口排出系統(tǒng)，減小反沖洗濾芯前后壓差，從而對(duì)反沖洗效果產(chǎn)生影響.而電磁閥斷電，使液控主閥從反沖洗的全閉回到正常過濾的全開所需時(shí)間不隨節(jié)流閥開度變化而變化，均為0.8 s，主要是由于閥芯復(fù)位與復(fù)位彈簧有關(guān).

3.3 濾芯堵塞對(duì)反沖洗性能的影響

由于一次只對(duì)一個(gè)濾芯進(jìn)行反沖洗，當(dāng)不沖洗濾芯因污染導(dǎo)致壓差增大時(shí)，也會(huì)對(duì)反沖洗功能造成影響.圖6為負(fù)載節(jié)流閥開度為7 mm，不沖洗濾芯前后壓差分別為2×105、4×105、6×105、8×105和106Pa時(shí)，液控主閥芯的閥芯位移.從圖6中可以看出，壓差為2×105Pa時(shí)，液控閥芯可以全行程工作，而隨著濾芯堵塞現(xiàn)象加重，前后壓差增大，系統(tǒng)壓力逐漸降低，甚至使閥芯位移減少，導(dǎo)致閥芯不能全部開啟，進(jìn)而影響反沖洗性能.

4 反沖洗試驗(yàn)

在上述研究基礎(chǔ)上，本文開發(fā)了反沖洗過濾站，為驗(yàn)證其有效性，對(duì)其進(jìn)行定性試驗(yàn)，試驗(yàn)原理如圖7所示.油源流量為400 L/min，污染粉塵為ISO 12103-1 A3中等測試粉塵，經(jīng)注入裝置自動(dòng)注入，3 min后開始反沖洗，反沖洗時(shí)間為2 s.

圖8為第一次反沖洗后乳化液污染度檢測樣片，其中左側(cè)為經(jīng)過濾后的乳化液，污染度為NAS9級(jí)，右側(cè)為反沖洗口沖洗出來的乳化液，污染度高于NAS12級(jí).試驗(yàn)結(jié)果表明，反沖洗裝置對(duì)濾芯清洗具有明顯效果.

圖5 負(fù)載工況對(duì)反沖洗性能的影響Fig.5 Influence of loading condition on backwashing performance

圖6 濾芯堵塞時(shí)液控主閥閥芯位移

5 結(jié) 論

通過對(duì)液壓支架反沖洗過濾站的反沖洗性能進(jìn)行仿真研究，得出如下結(jié)論：

圖7 超聲波反沖洗過濾站測試原理圖Fig.7 Schematic diagram of testing for ultrasonic backwashing filter station

圖8 乳化液污染度檢測樣片F(xiàn)ig.8 Detection samples for emulsion contamination

1) 液壓支架反沖洗過濾站能在液壓支架各種工況下順利實(shí)現(xiàn)反沖洗功能，可有效提升支架液壓系統(tǒng)的工作效率和清潔度.

2) 對(duì)過濾站進(jìn)行反沖洗時(shí)，系統(tǒng)壓力將減至較低狀態(tài)，設(shè)計(jì)液動(dòng)閥時(shí)必須考慮其在低壓下的啟閉能力，同時(shí)反沖洗時(shí)間設(shè)置應(yīng)避開支架工作時(shí)間，以避免因反沖洗導(dǎo)致系統(tǒng)壓力不足.

3) 負(fù)載和未反沖洗濾芯的堵塞狀態(tài)都會(huì)對(duì)反沖洗性能產(chǎn)生影響，負(fù)載越小，反沖洗啟動(dòng)換向時(shí)間越長，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致液控?fù)Q向閥不能完全開啟；未沖洗濾芯堵塞壓差越大，液控?fù)Q向閥不能完全開啟現(xiàn)象越嚴(yán)重.