基于微造型阀芯的煤矿水压安全阀研究

摘要

煤矿安全阀是保证单体液压支柱装备支护安全的核心部件。目前单体液压支柱使用乳化液为工作介质,但是乳化液影响工作环境和工作人员的身体健康,且严重污染地下水资源。随着人们对可持续发展的经济、绿色环境的重视,全球各国迫切需要发展一种新型液压技术,保证其向着环保、节能和安全的方向发展。水具有安全性好、价格低廉、环境友好等一系列优点,成为当今液压技术研究新课题。本文以单体液压支柱中的安全阀为研究对象,设计一种以水为工作介质的水压安全阀。通过设计水压安全阀新结构,有效抑制气穴气蚀现象的发生;同时利用微造型可以产生动压润滑,将其应用到安全阀上,以降低摩擦副摩擦磨损问题。论文研究内容及结论如下:
　　1.利用微造型形成流体动压润滑效应,将微造型技术引入到水压安全阀,以提高阀芯润滑性能,改善阀芯摩擦副的摩擦磨损问题。研究不同微造型形貌对水压安全阀阀芯润滑的影响,同时对水压安全阀微造型阀芯润滑性能正交试验分析。结果表明:(1)球冠形和圆柱形微造型均可以在阀芯表面产生压力。两种微造型的阀芯表面压力幅值随着面积率与深度的增加而增大,且圆柱形微造型的压力幅值比球冠形大。(2)通过正交试验设计与CFD数值模拟,对计算结果进行极差分析得到影响阀芯微造型承载力的因素由大到小依次是微造型深度hp,微造型半径rp,微造型形貌,摩擦副间隙ho,阀芯运动速度U,微造型深度对承载力的影响最大,是最主要因素。(3)由正交试验的结果得到优化方案,设计出的优选方案为A4B4C4D3E4,即微造型深度为8μm,微造型半径为40μm,摩擦副间隙为5μm,阀芯运动速度为4m/s,微造型形貌为圆台形。相比于正交试验方案中承载力最大的A4B4C1D3E2组合,优选方案的承载力提高了22％。
　　2.通过对阀芯径向孔的结构进行优化,建立了水压安全阀阀腔CFD模型,研究了阀芯重要区域气蚀的削减,提高了水压安全阀的抗气蚀性能。结果表明:当安全阀阀芯径向孔的夹角α取45°、径向孔左下角采用直线结构时,使得径向孔内部气穴消失,能显著抑制气蚀破坏,气蚀破坏的区域由径向孔等关键位置转移到阀出口等对安全阀性能影响较小的位置,有效提高了安全阀抗气蚀性能。
　　3.设计了新型水压安全阀的新结构,计算了具体尺寸,基于Matlab软件对水压安全阀进行动态分析。研究了等效阻尼、弹簧刚度以及阀芯质量三种参数对安全阀阀芯压力和位移动态性能的影响。结果表明:阀芯质量对安全阀的压力和位移特性影响较小,而等效阻尼、弹簧刚度的影响较大。增大等效阻尼可以减少阀芯调整时间,减弱阀芯振动,使安全阀更加稳定,但是会降低安全阀的灵敏度;随着弹簧刚度的增加压力超调量减小,压力达到稳定的调整时间也减少;而阀芯位移越小,阀芯位移超调量增加,达到稳定的时间越快。

目录

声明

摘要

插图或附表清单

1．1．1 研究背景

1．1．2 课题来源

1．2 研究现状

1．2．1 水液压技术及其水压元件研究现状

1．2．2 微造型技术研究现状

1．2．3 煤矿单体液压支柱及其安全阀的研究现状

1．3 水压安全阀的研究难点及解决方案

1．3．1 水压安全阀的研究难点

1．3．2 解决方案

1．4 课题研究有意义及主要内容

1．4．2 课题研究内容

2 水压安全阀微造型阀芯动压润滑求解模型建立

2．1 引言

2．2 Reynolds方程的建立

2．2．1 Reynolds方程的推导

2．2．2 基于Reynolds方程动压机理分析

2．3 微造型动压润滑形成机理

2．3．1 微造型动压机理

2．3．2 微造型存储微粒及二次润滑功能

2．3．3 Reynolds与N-S润滑方程有效性分析

2．4 微造型阀芯求解模型

2．4．1 基于N-S方程数学模型的建立

2．4．2 微造型阀芯膜厚方程及承载力方程

2．5 本章小结

3 水压安全阀微造型阀芯润滑性能CFD分析

3．1 引言

3．2 微造型阀芯几何模型

3．2．1 几何模型简化

3．2．2 微造型阀芯边界条件及参数设置

3．2．3 CFD求解

3．3 不同微造型对水压安全阀动压润滑的影响

3．3．1 参数设置及模型求解

3．3．2 微造型压力分布

3．4 水压安全阀微造型阀芯润滑性能正交试验分析

3．4．1 微造型压力分布结果分析

3．4．2 参数设置及模型求解

3．4．3 正交试验分析

3．5 本章小结

4 水压安全阀抗气蚀性能的优化设计与研究

4．1 引言

4．2 气穴与气蚀现象与发生机理

4．3 水压安全阀结构

4．4 安全阀流场仿真模型

4．4．1 数学模型

4．4．2 几何模型

4．4．3 网格划分及参数设置

4．5 仿真结果分析

4．6 安全阀的结构优化

4．6．1 优化参数

4．6．2 仿真结果分析

4．6．3 径向孔气蚀的消减

4．7 本章小结

5 水压安全阀结构设计及其动态特性分析

5．1 引言

5．2 水压安全阀结构设计与计算

5．2．1 水压安全阀总体参数要求

5．2．2 水压安全阀材料的选择

5．2．3 安全阀几何尺寸的计算

5．2．4 安全阀弹簧的计算

5．3 水压安全阀的工作原理与整体结构

5．4 水压安全阀的数学模型与动态性能仿真

5．4．1 数学模型

5．4．2 参数设置

5．4．3 仿真结果及分析

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果