液壓支架立柱降柱沖擊特性分析與仿真

徐 楠

國家能源神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017209

綜采工作面惡劣的頂板動(dòng)載沖擊效應(yīng)[1]，使得液壓支架在降柱時(shí)極易出現(xiàn)壓力沖擊，進(jìn)而導(dǎo)致安全閥開啟，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)立柱脹缸損壞，給工作面安全高效采煤帶來隱患。立柱液控單向閥的反向開啟特性對沖擊載荷作用下的降柱沖擊壓力具有顯著的影響[2]。黃偉福等人[3]開發(fā)了一種變阻尼型液控單向閥，可有效降低沖擊載荷對立柱的影響。袁紅兵等人[4]對比分析了液控口阻尼孔大小對立柱沖擊壓力的影響規(guī)律。董崇遠(yuǎn)等人[5]仿真分析了薄煤層支架立柱系統(tǒng)不同安全閥流量、彈簧預(yù)緊力及彈簧剛度、閥芯質(zhì)量等參數(shù)對動(dòng)載沖擊壓力的影響特性。羅傲梅[6]利用重錘模擬頂板沖擊，仿真分析了沖擊力大小、重錘運(yùn)動(dòng)距離等對支架立柱系統(tǒng)的影響。劉磊等人[7]基于 CFD 試驗(yàn)研究了大流量液控單向閥反向開啟時(shí)流道內(nèi)的壓力波動(dòng)和空化指數(shù)。

筆者結(jié)合工程實(shí)際，以發(fā)生降柱壓力沖擊并出現(xiàn)安全閥開啟的某型液壓支架為例，按照立柱控制系統(tǒng)及其液控單向閥的具體結(jié)構(gòu)尺寸建立降柱過程的 AMESim 仿真模型，對比分析了改進(jìn)前后 2 種立柱液控單向閥作用下的降柱沖擊壓力特性及立柱液控單向閥的閥芯開啟情況，從立柱液控單向閥的結(jié)構(gòu)角度給出了降低壓力沖擊的改進(jìn)措施，為液壓支架立柱及其液控單向閥的匹配設(shè)計(jì)提供一定的技術(shù)參考。

1 立柱安全閥降柱開啟故障

以某礦 1077 采煤工作面 ZZ10000/21/45D 型液壓支架為例，該支架在立柱降柱時(shí)出現(xiàn)大量立柱安全閥漏液失效現(xiàn)象。在經(jīng)過 5～20 次降柱工作后，很多安全閥都出現(xiàn)了明顯的漏液現(xiàn)象，無法滿足初撐要求。對損壞的安全閥拆解，發(fā)現(xiàn)安全閥閥套與閥芯間的密封損壞嚴(yán)重。故障支架立柱系統(tǒng)采用的液控單向閥結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 立柱液控單向閥Fig.1 Column hydraulic control one-way valve

上述故障從表面看是由于安全閥密封質(zhì)量不可靠，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)[8]規(guī)定的啟閉 10 500 次循環(huán)要求導(dǎo)致安全閥損壞；但實(shí)際上，其根本原因在于頂板動(dòng)載沖擊導(dǎo)致降柱時(shí)的壓力沖擊。此時(shí)若使用的立柱液控單向閥不合適，就會(huì)導(dǎo)致安全閥在極短的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)多次甚至數(shù)十次開啟，進(jìn)而在多次降柱沖擊后損壞安全閥密封而產(chǎn)生漏液。

2 降柱工況的 AMESim 仿真模型

為研究沖擊條件下的立柱壓力及液控單向閥的開啟特性，根據(jù)立柱系統(tǒng)及液控單向閥的結(jié)構(gòu)尺寸，建立如圖2 所示的仿真模型，模擬降柱時(shí)的工況。

圖2 降柱沖擊 AMESim 仿真模型Fig.2 AMESim simulation model for column lowering impact

支架降柱仿真模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：實(shí)際泵站流量為 400 L/min，考慮到該電液控系統(tǒng)采用 3 臺支架同時(shí)降柱，再結(jié)合降柱時(shí)立柱的受力平衡和立柱的速比，單根立柱降柱流量設(shè)為 50 L/min，泵站壓力為 31.5 MPa。

由于降柱時(shí)只對一級缸動(dòng)作，為便于分析，將雙伸縮立柱簡化為一級缸，其缸徑和桿徑尺寸分別為 280、260 mm，立柱活塞桿初始位置為 0.8 m，立柱活塞桿及支架頂板折合到單根立柱的質(zhì)量為 2 800 kg。

立柱安全閥開啟壓力為 40.6 MPa，安全閥流量為 250 L/min。立柱液控單向閥控制活塞直徑為 24 mm，控制活塞阻尼孔直徑為 2.5 mm，主閥芯密封直徑為 26 mm，先導(dǎo)閥芯密封直徑為 13 mm，彈簧預(yù)壓縮力為 300 N，彈簧剛度為 30 N/mm。工作介質(zhì)為純水，動(dòng)力黏度為 1.05×10-3Pa·s，密度為 1 000 kg/m3，體積彈性模量為 2 180 MPa。

根據(jù)工作面實(shí)測并參照支架工作阻力，利用彈性接觸模塊來模擬頂板沖擊力，其彈簧剛度為 12 493 432 N/m，沖擊行程為 200 mm。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 降柱沖擊特性

仿真時(shí)間設(shè)置為 10 s，步長為 0.001 s，仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 降柱沖擊仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of column lowering impact

從仿真結(jié)果可知，在頂板沖擊作用下，立柱下腔壓力會(huì)形成一個(gè)以 40.6 MPa 為中心，最高達(dá)到 74.0 MPa 的衰減式壓力波動(dòng) (見圖3(a))，衰減時(shí)長為 0.36 s，相應(yīng)地，立柱活塞桿也呈波動(dòng)式下降 (見圖3(b))。在此沖擊階段內(nèi)，二級卸載的先導(dǎo)閥閥芯在控制活塞作用下經(jīng) 2 次振動(dòng)后完全開啟 (見圖3(d))，而主閥芯由于其有效直徑 (26 mm) 大于控制活塞直徑 (24 mm)，無法開啟 (見圖3(e))，只有極少量的工作介質(zhì)經(jīng)開啟的先導(dǎo)閥口從液控單向閥反向流出。因此，頂板沖擊引起的壓力波動(dòng)及流量絕大部分只能從安全閥流出，在短短的 0.36 s 時(shí)間內(nèi)，隨著壓力沖擊波動(dòng)，安全閥開啟了 16 次 (見圖3(c))，瞬間最大流量達(dá)到 1 142 L/min，這是造成安全閥損壞的最直接原因。當(dāng)立柱經(jīng)過幾次或十幾次降柱后，安全閥已經(jīng)開啟了數(shù)百次，極易導(dǎo)致安全閥密封損壞。

隨著立柱下腔壓力的釋放與下降，降柱系統(tǒng)進(jìn)入泄壓階段 (0.36～3.10 s)，此時(shí)安全閥不再開啟，液控單向閥的先導(dǎo)閥依舊完全開啟，但由于控制活塞與主閥芯面積比的關(guān)系，主閥依然沒有開啟，立柱下腔液體經(jīng)先導(dǎo)閥閥口以較小的流量繼續(xù)泄壓，立柱緩慢下降，下腔壓力持續(xù)降低。

當(dāng)立柱下腔壓力降至 30.2 MPa 時(shí)，泄壓結(jié)束，開始進(jìn)入卸流階段 (3.10～4.40 s)，此時(shí)控制活塞在壓力作用下經(jīng)過多次開關(guān)振動(dòng)使液控單向閥主閥芯開啟；當(dāng)立柱下腔壓力降至 4.8 MPa 后，立柱進(jìn)入穩(wěn)定快速降柱工況，此時(shí)液控單向閥閥芯全部開啟，系統(tǒng)壓力也趨于穩(wěn)定。

由上述分析可以看出，采用改款立柱液控單向閥時(shí)，由于控制活塞直徑 (24 mm) 比主閥芯直徑 (26 mm) 還小，再加上二級卸載先導(dǎo)閥芯沒有阻尼孔，導(dǎo)致在頂板沖擊來壓時(shí)，液控單向閥主閥芯無法及時(shí)開啟，形成大流量沖擊，在較短的時(shí)間內(nèi)使立柱安全閥多次開啟，進(jìn)而導(dǎo)致安全閥損壞。

3.2 改進(jìn)型液控單向閥的降柱沖擊特性

在上述仿真分析的基礎(chǔ)上，對立柱液控單向閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，將主閥芯的密封直徑改為 20 mm，采用錐閥式密封結(jié)構(gòu)，主閥芯彈簧腔設(shè)置阻尼孔，控制活塞直徑改為 25 mm，控制活塞有桿腔增加復(fù)位彈簧，具體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 改進(jìn)型立柱液控單向閥Fig.4 Improved column hydraulic control one-way valve

根據(jù)改進(jìn)后立柱液控單向閥的結(jié)構(gòu)尺寸，建立沖擊載荷作用下降柱工況時(shí)的仿真模型，如圖5 所示。

圖5 改進(jìn)型液控單向閥的降柱沖擊仿真模型Fig.5 Simulation model of column lowering impact for improved hydraulic control one-way valve

泵站、立柱、工作介質(zhì)、立柱安全閥及頂板沖擊力相關(guān)參數(shù)設(shè)定與前述一致。

立柱液控單向閥按照改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)及尺寸進(jìn)行設(shè)置，控制活塞直徑為 25 mm，控制活塞復(fù)位彈簧剛度為 9.57 N/mm，預(yù)壓縮力為 38.4 N，主閥芯直徑為 20 mm，先導(dǎo)閥芯直徑為 10 mm，復(fù)位彈簧剛度為 30 N/mm，預(yù)壓縮力為 300 N，主閥芯彈簧腔阻尼孔直徑為 1.5 mm。

仿真時(shí)間設(shè)置為 10 s，步長為 0.001 s，仿真結(jié)果如圖6 所示。

圖6 采用改進(jìn)型液控單向閥降柱沖擊仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of column lowering impact by using improved hydraulic controlled one-way valve

將結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的立柱液控單向閥安裝于同一套立柱系統(tǒng)，在相同的頂板沖擊下，其沖擊階段時(shí)間極短，僅為 0.023 s (見圖6(a))，最高壓力為 60 MPa，經(jīng)過 2 次沖擊后就不再有壓力波動(dòng)，相應(yīng)地安全閥也僅開啟 2 次 (見圖6(b))，第 1 次沖擊流量為 700 L/min，第 2 次迅速降至 148 L/min，這主要是由于立柱液控單向閥控制活塞腔控制壓力的建立需要一段時(shí)間，導(dǎo)致立柱液控單向閥沒有來得及及時(shí)開啟 (見圖6(d)、(e))，如果考慮系統(tǒng)的滯后特性，或壓力沖擊略小時(shí)，則完全可以避免安全閥開啟問題。

在 0.023 s 后，立柱液控單向閥的先導(dǎo)閥芯完全開啟，主閥芯也開啟了一部分，進(jìn)入泄壓和卸流混合階段 (0.36～1.76 s)，且主閥芯開啟越來越大，直至完全開啟。這主要是因?yàn)榭刂苹钊蝗肟诘淖枘峥拙哂幸欢ǖ木彌_作用，其控制壓力的建立有一個(gè)滯后效應(yīng)。當(dāng)立柱下腔壓力降至 4.8 MPa 后，立柱進(jìn)入穩(wěn)定降柱工況，此時(shí)液控單向閥閥芯全部開啟，系統(tǒng)壓力穩(wěn)定。

3.3 改進(jìn)型液控單向閥的降柱沖擊特性

為驗(yàn)證上述結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案的有效性，對立柱液控單向閥進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并將其安裝至井下工作面液壓支架上。改進(jìn)型立柱液控單向閥及安裝支架如圖7 所示。

圖7 立柱液控單向閥改進(jìn)樣機(jī)Fig.7 Improved prototype of column hydraulic control one-way valve

將改進(jìn)后的立柱液控單向閥替換工作面原有的液控單向閥，經(jīng)一段時(shí)間的使用，發(fā)現(xiàn)安全閥漏液及密封損壞失效問題沒有再出現(xiàn)，進(jìn)而驗(yàn)證了液控單向閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)的有效性，同時(shí)也表明，結(jié)合工作面頂板動(dòng)載沖擊特性對立柱液控單向閥進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)極有必要。

4 結(jié)語

工作面頂板動(dòng)載沖擊特性與液控單向閥結(jié)構(gòu)參數(shù)不匹配是導(dǎo)致支架安全閥開啟并損壞的主要原因。原結(jié)構(gòu)立柱液控單向閥由于控制活塞直徑過小，導(dǎo)致在頂板沖擊來壓時(shí)，液控單向閥主閥芯無法及時(shí)開啟，形成大流量沖擊，在短短的 0.36 s 時(shí)間內(nèi)立柱安全閥開啟 16 次之多，最大瞬間沖擊流量甚至達(dá)到 1 142 L/min，極易造成安全閥損壞。改進(jìn)型立柱液控單向閥由于控制活塞腔控制壓力建立時(shí)間沒有沖擊速度快，也會(huì)在短時(shí)間內(nèi) (0.023 s) 形成 2 次沖擊，但隨后就能正常泄壓降柱，若頂板沖擊略小或考慮系統(tǒng)滯后特性，在實(shí)際應(yīng)用中完全可以避免安全閥開啟。