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液壓支架用差動式高壓大流量安全閥的研究

文檔作者：李閣強曹中玉鄧偉森高有進文檔來源： 1．河南科技大學機電工程學院 2．鄭煤機博士后工作站		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月20日
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2013年11月
第41卷第21期
機床與液壓
MACHINE TOOL&amp;amp; HYDRAULICS
NOV．2013
Vo1．41 No．21
DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2013．21．018
液壓支架用差動式高壓大流量安全閥的研究
李閣強 ，曹中玉 ，鄧偉森 ，高有進
(1．河南科技大學機電工程學院，河南洛陽471003；
2．鄭煤機博士后工作站，河南鄭州450016)
摘要：在傳統(tǒng)安全閥設計方法的基礎上，設計～種新型差動式高壓大流量安全閥。詳細介紹該安全閥的工作原理和結
構特點，并對其關鍵尺寸進行了設計。分別在一級節(jié)流口、二級節(jié)流口及不同出口傾斜角的情況下，利用FLUENT軟件對
安全閥的流場進行了數(shù)值模擬?；诶碚摲抡娼Y果，選取了合適的節(jié)流口形式和出液口傾斜角。
關鍵詞：差動式安全閥；高壓大流量；二級節(jié)流
中圖分類號：TH137．52 文獻標識碼：A 文章編號：1001—3881(2013)21—063—4
Research on High Pressure and Large Flow Diferential Safety Valve for
Hydraulic Supports
LI Geqiang ，CAO Zhongyu ，DENG Weisen ，GAO Youjin
(1．Henan University of Science&amp;amp;Technology，Luoyang Henan 47 1003，China；
2．The Post—doctoral Working Station of Zhengzhou Coal Mining Machinery Group Co．，Ltd．，
Zhengzhou Henan 4500 1 6，China)
Abstract：On the basis of the design technique for traditional safety valve，a new kind of high pressure and large flow differential
safety valve was designed．The working principle and the structural features of the valve were introduced and its key sizes were designed．
On the conditions of the first-stage throttle，the two—stage throttle and the different expoa angles，the flow field of the safety
valve was simulated by FLUENT software．The suitable throttle form and expo~ angle were selected on the basis of the simulation re—
sults．
Keywords：Safety valve；High pressure and large flow；Two—stage throttle
液壓支架是綜合自動化采煤技術的主要設備，而
安全閥是液壓支架的關鍵閥件，起控制和過載保護作
用，其性能的好壞直接影響支架強度與安全系數(shù)，進
而影響采煤工作面的生產率和經濟技術指標。目前液
壓支架用高壓大流量安全閥主要問題是閥的啟溢閉性
能不高、密封不可靠、穩(wěn)定性和可靠性差?。因此對
高端液壓支架用大流量安全閥的設計理論和關鍵技術
的研究具有重要的理論意義和廣泛的實用價值。
1 差動式安全閥結構與工作原理
針對目前國內液壓支架用安全閥存在的不足，在
傳統(tǒng)安全閥設計方法的基礎上，對一種結構如圖1所
示的差動式結構高壓大流量安全閥進行了優(yōu)化設計。
一l、2、6、7__o型圈
1 3一閥座
4__閥套
5_-閥芯
8m 大彈簧座
9"-小閥芯
10、1卜小彈簧座
l1一大彈簧
12一小彈簧
l4- 閥體
l5__調壓堵
l6---調壓螺絲
17_I防塵帽
圖1 安全閥結構圖
該安全閥的工作原理是：當液壓支架頂板快速來 壓時，立柱受到沖擊，立柱下腔的壓力瞬間增大，高
收稿日期：2012—10—31
作者簡介：李閣強(1971一)，男，博士，副教授，主要研究方向為機電液一體化技術、現(xiàn)代控制理論及其在液壓伺服系統(tǒng)
中的應用。E—mail：xiaoyu727521@163．com。
· 64· 機床與液壓 第41卷
壓液體流入安全閥內部，壓力油作用在安全閥主閥芯
和小閥芯上 。當進口壓力高于安全閥小閥芯的調定
壓力時，小閥芯開啟，實現(xiàn)小流量溢流；當壓力繼續(xù)
升高，達到安全閥大閥芯的調定壓力時，主閥芯開
啟，高壓液體瞬時快速卸荷，從而保證液壓支架系統(tǒng)
的安全。當立柱下腔的壓力低于安全閥的調定壓力
時，安全閥在彈簧的作用下迅速關閉，從而保證液壓
支架的工作阻力恒定，這樣安全閥完成一啟溢閉過
程 。
2 差動式安全閥的結構特點
該安全閥的結構特點主要有以下4個方面：
(1)采用雙彈簧結構。為了滿足安全閥的穩(wěn)定
性和可靠性要求，該結構分為兩級：一級為直動式結
構，主要實現(xiàn)小流量溢流；另一級為差動式結構
(利用差動面積平衡部分液壓力來降低彈簧剛度和尺
寸)，實現(xiàn)大流量溢流。當頂板下沉速度很慢時，立
柱下腔的壓力變化也很慢，安全閥會偶爾開啟，這種
狀態(tài)體現(xiàn)了安全閥小流量啟溢閉特性；當頂板下沉很
快時，立柱下腔的壓力瞬間增大，這種狀態(tài)體現(xiàn)了安
全閥大流量啟溢閉特性 。因此，液壓支架采用雙彈
簧結構可以有效地解決頂板沖擊破壞問題。
(2)安全閥閥口采用階梯狀的兩級節(jié)流口結構。
高壓大流量安全閥進出口壓差比較大，高速流動時液
壓沖擊也比較大，加之乳化液氣化壓力高，所以在閥
口位置容易形成局部真空，產生氣蝕。為了減小氣蝕
的發(fā)生，主閥口采用階梯狀的兩級節(jié)流口結構 ]。
(3)閥口處選擇合適硬度的材料配對。液壓支
架的工作介質與純水有很多相似之處，比如：密度
大、壓縮性小、黏性低，這樣容易出現(xiàn)拉絲侵蝕、泄
漏及腐蝕性等問題 。為了解決這些問題，通常選擇
硬度比較高、耐腐蝕性比較強的新型材料。同時在閥
口處要選擇合適硬度的材料配對，材料的硬度越高，
抗拉絲侵蝕的能力就越強。目前閥芯一閥座密封副采
用的材料組合主要為金屬對金屬、金屬對非金屬。考
慮到安全閥的進口壓力比較高，為了提高安全閥的密
封比壓，因此選擇金屬對金屬的材料進行配對。
(4)安全閥出液口加工成斜孔。為了提高安全
閥的溢流量，改善閥的動態(tài)性能，安全閥出液口傾斜
角應與流場出口的流線方向一致。
3 差動式安全閥關鍵尺寸設計
3．1 差動式結構關鍵尺寸確定
(1)進液口直徑d
A1= ~dxsin = —— = 327 mm2
C
根據(jù)經驗取d=22 mm。
(2)出油口直徑d
A1 327
—,rrdsi—n46o = 6．58 mm
主閥全開口距離是6．58 mm，因此出油口直徑圓
整得：d =6．6 mm，孔數(shù)為12。
(3)彈簧剛度k
= ： 二 一Q： ( 二 墨：魚2 竺一
224．5 N／mm
l
PiAl一 l 0一
== 一 一! 二 墮：魚2 二 ! 一
2l6 ／mm
式中：系數(shù)0．9作為安全閥開啟的安全裕量，所計算
的彈簧k為最大值，而實際計算的彈簧剛度k ≤k為
合格。
3．2 直動式結構關鍵尺寸確定
直動式安全閥的額定流量為100 L／min，按上述
同樣的方法計算得：進液口直徑d，=4 mm，出油口
直徑d =1．2 mm，孔數(shù)為8，彈簧剛度k =100 N／
m m 。
3．3 安全閥主閥芯與小閥芯調定壓力的匹配關系
由差動式安全閥的工作原理可知，當進液口的壓
力達到安全閥主閥芯的開啟壓力時，小閥芯的閥口應
k2‰ 50 × 28·26 — 100 46 48
1．2—20=1 273 N，即調定
)i ,~ ．Y
?
i／45
。
圭 調
芯和小閥芯調定壓力對應 ? ～ ? ～
關系如圖2所示。
4 安全閥流場的數(shù)值模擬及結果分析
為了研究安全閥閥口的幾何參數(shù)對流場分布的影
響，故分別在一級節(jié)流口、二級節(jié)流口及不同的出口
傾斜角的情況下，對安全閥的流場進行了數(shù)值模擬。
利用Pro／E軟件創(chuàng)建流體區(qū)域的三維實體模型(由于
安全閥結構是對稱的，為了減少計算量，只創(chuàng)建1／4
的實體模型)，將模型以iges格式導人icem生成網格
模型?？紤]到安全閥內部流場的復雜性，其網格劃分
采用四面體單元生成非結構化網格。下面以進口壓力
為60 MPa、出口壓力為0、全開口距離為6．58 mm為
例，研究安全閥對稱面的壓力、流量及速度矢量分布
=
，
砒～日 ～+e一 主全壓酬 一全時Ⅲr一宿應所時￡

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