大流量液控单向阀动态特性分析与流场仿真

摘要

随着综采工作面向大采高方向发展，液压支架的支护高度也越来越高，对其动态性能的要求也越来越高，液控单向阀对支架性能的影响起着至关重要的作用。立柱在卸载过程中液控单向阀经常会出现冲击和振动，造成液压元件损坏甚至引发安全事故。目前常用的大流量液控单向阀公称流量为480L/min，而随着7m大采高支架的出现,其有限的通流能力将对支架的动态性能造成影响，因而在大采高支架上使用大流量的液控单向阀十分必要,本文对一款公称流量为1000L/min的液控单向阀进行动态特性和流场分析。
　　论文首先从功率流的角度分别建立液控单向阀反向打开时小阀芯和大小阀芯同步打开时的功率键合图模型，根据模型推导出对应的状态空间方程，并使用Matlab进行仿真计算，得出液控单向阀的动态特性曲线并分析。发现小阀芯在开启过程中产生约0.3s的振动现象，在此过程中系统伴随有压力冲击和振动；大阀芯打开时产生轻微的振动，此时小阀芯流量相对于大阀芯流量很小，说明液控单向阀的工作原理为小流量卸压大流量泄流。
　　根据国标关于液控单向阀冲击试验的要求，在仿真软件AMESIM上搭建试验系统的仿真模型并仿真，对液控单向阀反向开启动态特性进行分析。通过分析发现立柱降柱初期产生约55MPa的压力冲击，液控单向阀在打开过程中发生振动，且振动分两个阶段，小阀芯打开时发生强烈的振动，大、小阀芯同步打开时阀芯发生二次振动；液控单向阀在稳定开启后的流量约为1200L/min。通过受力分析发现造成液控单向阀振动的主要原因为乳化液流过阀芯后作用在控制杆有杆腔导致控制杆波动，而大、小阀芯二次振动除受到液压力的影响外还受到稳态液动力影响。
　　使用流场仿真软件ANSYS/FLUENT对液控单向阀的二维、三维流场进行分析，得到流场的速度分布云图、静压力分布云图、速度矢量图。通过分析，发现液控单向阀反向进油口单一入口造成阀套、阀芯径向压力分布不均，导致阀套、阀芯容易卡死；阀套上阻尼孔结构设计不合理，使得液控单向阀在反向开启初期乳化液主要作用在阀套与阀体组成的容腔而延长了小阀芯的开启时间，降低了液控单向阀的灵敏度。
　　本论文通过对液控单向阀的动态特性和流场分析，得出其工作中可能存在的问题并提出优化方案，为今后大流量液控单向阀的设计与优化提供依据。

目录

声明

第一章 绪论

1.1选题背景与意义

1.2国内外研究动态

1.3液控单向阀目前存在的问题

1.4研究目的与内容

第二章 液控单向阀动态特性分析

2.1功率键合图简介

2.2小阀芯开启液压系统

2.3大、小阀芯开启液压系统

2.4本章小结

第三章 基于AMEsim的立柱降柱分析

3.1AMEsim仿真软件简介

3.2立柱降柱液压系统仿真模型

3.3系统仿真参数设置

3.4系统仿真结果分析

3.5液控单向阀振动机理分析

3.6功率键合图与AMEsim仿真分析对比

3.7本章小结

第四章 液控单向阀流场数值模拟

4.1FLUENT仿真软件简介

4.2小阀芯开启时流场仿真

4.3大小阀芯同步开启时流场仿真

4.4液控单向阀完整流场分析

4.5本章小结

第五章 结论与展望

5.1课题结论

5.2课题展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文