高压超大流量高水基卸荷阀的研究.pdf

万方数据 学校代号 10731 学 号 182085206060 分 类 号 TH137 密 级 公开 工程硕士学位论文 高压超大流量高水基卸荷阀的研究 学位申请人姓名 董庆震 培 养 单 位 能源与动力工程学院 导师姓名及职称 刘银水 教授 企业导师姓名及职称 吴德发 教授级高工 学 科 专 业 动力工程 研 究 方 向 水液压元件 论文提交日 期 2021 年 6 月 3 日 万方数据 学校代号10731 学号182085206060 密级公开 兰州理工大学兰州理工大学工程工程硕士学位论文硕士学位论文 高压超大流量高水基卸荷阀的研究 学位申请人姓名 董庆震 导师姓名及职称 刘银水 教授 企业导师姓名及职称 吴德发 教授级高工 培养单位 能源与动力工程学院 专业名称 动力工程 论文提交日期 2021 年 6 月 3 日 论文答辩日期 2021 年 5 月 29 日 答辩委员会主席 武建军 教授 万方数据 Research on High Pressure, Super Large Flow and High Water-based Unloading Valve by Dong Qingzhen B.E.Lanzhou University of Technology2017 A thesis ted in partial satisfaction of the Requirements for the degree of Master of Engineering in Power Engineering in the Energy and Power Engingeering School of Lanzhou University of Technology Supervisor Professor Liu Yinshui June,2021 万方数据 万方数据 工程硕士学位论文 I 目目 录录 摘摘 要要 ........................................................................................................................ I I AbstractAbstract .................................................................................................................... III 第第 1 1 章章 绪绪 论论 ............................................................................................................ 1 1 1.1 研究背景及意义 ................................................. 1 1.1.1 研究背景 .................................................. 1 1.1.2 研究意义 .................................................. 2 1.2 国内外研究现状 ................................................. 3 1.2.1 国内研究现状 .............................................. 3 1.2.2 国外研究现状 .............................................. 5 1.3 研究内容和方法 ................................................. 7 1.3.1 研究内容 .................................................. 7 1.3.2 研究方法 .................................................. 9 第第 2 2 章章 卸荷阀的结构参数设计卸荷阀的结构参数设计 .............................................................................. 11 2.1 卸荷阀的工作原理 ............................................. 11 2.2 卸荷阀的结构和等效物理模型 ................................... 12 2.2.1 卸荷阀的结构 ............................................. 12 2.2.2 卸荷阀的等效物理模型 ..................................... 13 2.3 卸荷阀的参数设计计算 ......................................... 14 2.4 卸荷阀的特性分析 ............................................. 16 2.4.1 卸荷阀的静态特性分析 ..................................... 16 2.4.2 卸荷阀的动态特性分析 ..................................... 18 2.5 卸荷阀的性能指标要求 ......................................... 20 2.6 本章小结 ..................................................... 21 第第 3 3 章章 卸荷阀系统动态特性研究卸荷阀系统动态特性研究 .......................................................................... 23 3.1 卸荷系统动态特性仿真软件 ..................................... 23 3.2 机械式卸荷系统的 AMESim 建模与仿真 ............................ 23 3.2.1 机械式卸荷系统模型搭建 ................................... 23 3.2.2 机械式卸荷系统模型参数设置 ............................... 24 3.2.3 机械式卸荷系统动态特性分析 ............................... 25 3.2.4 阻尼孔对机械式卸荷系统动态特性的影响 ..................... 29 3.2.5 顶杆直径对机械式卸荷系统动态特性的影响 ................... 32 万方数据 高压超大流量高水基卸荷阀的研究 II 3.3 电磁式卸荷系统的 AMESim 建模与仿真 ............................ 33 3.3.1 电磁式卸荷系统模型搭建 ................................... 33 3.3.2 电磁式卸荷系统动态特性分析 ............................... 35 3.3.3 响应时间对电磁式卸荷系统动态特性的影响 ................... 36 3.4 单向阀的碰撞动力学分析 ....................................... 37 3.4.1 模型的简化和网格的划分 ................................... 38 3.4.2 仿真条件的设置 ........................................... 39 3.4.3 仿真结果的分析 ........................................... 39 3.5 本章小结 ..................................................... 40 第第 4 4 章章 卸荷阀的气蚀机理研究卸荷阀的气蚀机理研究 .............................................................................. 41 4.1 卸荷阀的气蚀破坏现象 ......................................... 41 4.2 卸荷阀的 FLUENT 流场仿真 ...................................... 42 4.2.1 CFD 仿真软件 .............................................. 43 4.2.2 主阀三维模型的建立及网格的划分 ........................... 43 4.2.3 数学模型的选择 ........................................... 45 4.2.4 数值模拟条件的设置 ....................................... 47 4.2.5 流场仿真结果分析 ......................................... 48 4.3 卸荷阀的抗气蚀结构优化 ....................................... 53 4.3.1 水液压阀的抗气蚀措施 ..................................... 53 4.3.2 卸荷阀阀芯的优化设计 ..................................... 55 4.3.3 优化后的流场仿真分析 ..................................... 58 4.4 本章小结 ..................................................... 60 第第 5 5 章章 总结与展望总结与展望 .................................................................................................. 61 5.1 总结 ......................................................... 61 5.2 展望 ......................................................... 62 参参 考考 文文 献献 .......................................................................................................... 64 致致 谢谢 ............................................................................................................................ 68 附录附录 A A 攻读学位期间所发表的学术论文目录攻读学位期间所发表的学术论文目录 ........................................................ 70 万方数据 工程硕士学位论文 I 摘摘 要要 煤炭是我国主要的基础能源，是促进国民经济发展的重要支柱型产业。随着 智能制造技术、工业自动化技术、无线通讯技术的发展和融合，自动化、智能化、 无人化的煤炭开采技术已经初步应用于现代煤矿开采并成为未来的发展趋势。由 于国内大采高综采工作面设备需求量的不断增加，高压、大流量的乳化液泵站成 为目前矿用设备的研究重点之一。卸荷阀作为乳化液泵站压力控制的主要元件， 在高压、大流量、启闭频繁等复杂的工况下，不可避免的会面临动态性能差、液 压冲击大和气蚀损坏严重等问题。基于卸荷压力 40MPa、公称流量 1800L/min 的 工况需求，本文对卸荷阀进行了结构参数设计、理论建模分析、模拟仿真优化等 一系列深入的研究，优化了卸荷阀的动态特性、液压冲击和气蚀损坏等关键性问 题。 通过研究相似工况下卸荷阀的国内外发展现状，明确了卸荷阀的参数性能指 标和主要存在的问题。分析了卸荷阀的内在工作机理，对卸荷阀进行了结构和尺 寸的设计。通过建立卸荷阀的等效物理模型，对其静态特性和动态特性进行了理 论分析和推导。 针对卸荷阀启闭过程中的压力、流量特性，对机械式和电磁式这两种控制方 式下的卸荷系统进行了仿真，重点研究分析了阻尼孔直径和长度、顶杆直径以及 电磁先导阀响应时间对卸荷阀动态性能的影响。研究发现阻尼孔的长度和直径 会影响卸荷阀的压力波动范围和流量超调，进一步影响卸荷阀的稳定性。顶杆直 径会影响卸荷阀的恢复供液压力和卸荷频率。电磁阀的响应时间会影响卸荷阀的 响应特性和卸荷周期，从而影响卸荷阀的启闭特性。对受液压冲击影响最大、结 构强度最薄弱的单向阀组件进行了碰撞动力学仿真，通过分析其关闭时产生的应 力和变形量，验证了单向阀的结构强度满足卸荷阀的性能要求。 针对卸荷阀的气蚀破坏问题，对卸荷阀进行了流场仿真分析。通过设置空化 模型，研究了不同开度下主阀腔内流体的运动情况，得到了主阀腔内流场的速度、 压力和气相分布情况。结果表明流体介质在流经阀口时，由于流速的骤增和压 力的突降，会产生空化现象。空化产生的气泡溃灭时对零件内表面造成的破坏作 用就是气蚀现象。随着主阀阀口开度的增加，通过阀口的流量不断增加，阀口前 后的压差逐渐降低，这种气蚀现象也相应的减弱。所以当阀口处于小开度时，阀 腔内的流场更应该值得关注。通过对气蚀发生机理的研究，对卸荷阀的结构进行 优化设计，创新性的提出了一种异型阀口。它可以使流体介质在流经阀口时，产 万方数据 高压超大流量高水基卸荷阀的研究 II 生分流和对冲的效果，使得阀口压力由突变转换为渐变，避免了流速的骤增。通 过优化前后流场的速度、压力和气相分布情况的对比，可以发现优化后主阀腔 内的气相体积分数有所降低，气体分布区域也明显减少。结果表明该结构在满足 卸荷阀通流能力要求的基础上，较好地提升了卸荷阀的抗气蚀能力。 本文通过产品调研、理论推导、建模仿真、优化设计等流程，对卸荷阀的动 态特性、液压冲击和气蚀破坏等问题进行了全面的分析与研究，为设计一个安全、 可靠、耐用的卸荷阀奠定了理论基础。 关键词卸荷阀；高压超大流量；动态特性；气蚀现象；异型阀口 万方数据 工程硕士学位论文 III Abstract Coal is the main basic energy source in our country and an important pillar industry that promotes the development of the national economy. With the development and integration of intelligent manufacturing technology, industrial automation technology, and wireless communication technology, automatic, intelligent and unmanned coal mining technology has been initially applied to modern coal mining and become the future development trend. Due to the increasing demand of domestic fully mechanized working face equipment with large mining height, emulsion pump station with high pressure and large flow has become one of the research focuses of modern mining equipment. As the main component of pressure control in emulsion pump station, unloading valve will inevitably face the problems of poor dynamic perance, large hydraulic impact and serious cavitation damage under the complex working conditions such as high pressure, large flow rate and frequent opening and closing. Based on the working conditions of unloading pressure 40MPa and nominal flow rate 1800L/min, this paper makes a series of in-depth research on the structural parameter design, theoretical modeling analysis and simulation optimization of the unloading valve. As a result, the key problems such as dynamic characteristics, hydraulic impact and cavitation damage have been optimized. By studying the development status of unloading valve at home and abroad under similar conditions, the parameter perance inds and main problems of unloading valve are clarified. The internal working mechanism of the unloading valve is analyzed, and the structure and size of the unloading valve are designed. By establishing the equivalent physical model of the unloading valve, the static and dynamic characteristics of the unloading valve are analyzed and deduced theoretically. Aiming at the pressure and flow rate characteristics during the opening and closing process of the unloading valve, the unloading system under the two control modes of mechanical and electromagnetic is simulated. The effects of the diameter and length of the orifice, the diameter of the ejector rod and the response time of the solenoid pilot valve on the dynamic perance of the unloading valve are analyzed. It is found that the length and diameter of the orifice will affect the pressure fluctuation range and flow overshoot of the unloading valve, and further affect the stability of the unloading valve. The diameter of ejector rod will affect the recovery pressure and unloading frequency of 万方数据 高压超大流量高水基卸荷阀的研究 IV unloading valve. The response time of the solenoid valve will affect the response characteristics and unloading cycle of the unloading valve, thereby affecting the opening and closing characteristics of the unloading valve. The collision dynamics simulation of the check valve assembly which is most affected by hydraulic impact and weakest in structural strength is carried out. By analyzing the stress and deation of the check valve when it is closed, it is verified that the structural strength of the check valve meets the perance requirements of the unloading valve. Aiming at the problem of cavitation damage of the unloading valve, the flow field simulation analysis of the unloading valve is carried out. By setting the cavitation model, the fluid movement in the main valve cavity under different valve openings is studied. And the velocity, pressure and gas phase distribution of the flow field in the main valve cavity are obtained. The results show that when the fluid medium flows through the valve port, cavitation will occur due to the sudden increase in flow velocity and the sudden drop in pressure. When the bubbles generated by cavitation collapse, the damage to the inner surface of the part is the phenomenon of cavitation erosion. With the increase of opening of main valve, the flow rate passing through the valve port increases, the pressure difference between the front and rear of the valve port decreases gradually, and the cavitation erosion phenomenon is correspondingly weakened. Therefore, when the valve port is at a small opening, the flow field in the valve cavity should be more worthy of attention. Through the research on the mechanism of cavitation, the structure of the unloading valve is optimized, and a special-shaped valve port is innovatively proposed. When the fluid medium flows through the valve port, it can produce the effect of diversion and hedge, which makes the pressure of valve port change from sudden change to gradual change, and avoids the sudden increase of flow velocity. By comparing the speed, pressure, and gas distribution of the flow field before and after optimization, it can be found that the gas volume fraction in the main valve cavity is reduced after optimization, and the gas distribution area is also significantly reduced. The results show that the structure satisfies the flow capacity requirements of the unloading valve, and improves the anti-cavitation ability of the unloading valve. In this paper, through product research, theoretical derivation, model simulation, optimization design and other processes, the dynamic characteristics, hydraulic impact and cavitation damage of the unloading valve are comprehensively analyzed and studied, which lays a theoretical foundation for the design of a safe, reliable and durable unloading valve. 万方数据 工程硕士学位论文 V Key WordsUnloading valve; high pressure and super large flow rate; dynamic characteristics; cavitation phenomenon; special-shaped valve port 万方数据 工程硕士学位论文 1 第第 1 章章 绪绪 论论 1.1 研究研究背景及意义背景及意义 1.1.1 研究研究背景背景 能源是人类生存与经济发展的物质基础，而煤炭是我国能源的基石,是可以实 现清洁高效利用的最经济、最可靠的一次能源。长期以来，煤炭产量占我国一次 能源生产总量的 70以上，其消费量占我国一次能源消费总量的 60以上，对我 国国民经济发展起到了不可替代的作用。在未来的几十年内，煤炭仍将是我国能 源消费中占有主导地位的能源 [1]。与世界上的其他产煤国家相比，我国的煤炭种 类复杂、煤层分布范围广泛、矿井事故频发，因此煤矿的生产安全需要更加重视 和关注。近几十年来，全国煤矿坚决贯彻落实“安全第一，预防为主，综合治理， 总体推进”的指导思想，向安全化、高效化、绿色化的方向迅速发展。我国的煤 炭工业在生产、建设、科研、教育等方面都积累了丰富的经验，在一些领域上已 接近或达到国际先进水平[2]。 综采工作面成套设备与技术的广泛应用是煤炭安全高效生产的重要保障，其 自动化水平决定了煤矿发展的现代化程度。近年来，随着现代自动化技术、信息 通讯技术、智能制造技术的快速发展与融合，综采工作面设备的自动化程度越来 越高，综采工作面技术正在经历着从机械化到智能化、无人化的转变[3-4]。 液压支架作为综采工作面成套设备中的支护设备，具有支护能力优良、结构 安全可靠、移架速度高效等优点。液压支架通常与其他综采工作面设备互相配合 使用，是现代化采煤技术中的关键设备之一，在高效生产、安全开采、品质保障、 减少劳动力等方面具有不可替代的重要性。在整个采煤过程中，液压支架需要通 过液压泵、液压阀和液压缸等液压元件的共同协调动作，以完成升架、降架、移 架等一系列复杂的动作[5]。 乳化液泵站是液压支架的核心动力源，它可以为液压支架持续稳定供液，以 保证液压支架及时完成各种复杂的动作。在实际采煤工作中，当液压支架进行推 溜、移架时，要求乳化液泵站提供低压大流量的乳化液；而当液压支架顶梁接触 到顶板后，要求乳化液泵站提供较高的压力，此时的乳化液用量会相对的减少。 近年来，随着国内大采高综采工作面技术的成熟运用，高压、大流量、全变频均 压供液的乳化液泵站成为现代智能化煤矿开采的需要。相对于普通的工况，高压 大流量的乳化液泵站将会面临一系列新的技术难点气蚀、振动和噪声等问题更 容易发生；摩擦磨损以及泄漏等问题将会更加严峻；高可靠性大功率低速重载传 万方数据 高压超大流量高水基卸荷阀的研究 2 动系统的研制将会更加困难；配套阀组的使用寿命将会更低。这些问题已经成为 现代乳化液泵站系统研发中不可避免的重点和难点[6-8]。 由于液压支架的动作是不连续的，为了使乳化液泵站能够安全、稳定地给液 压支架供液，通常有三种方式对乳化液泵站系统的压力进行控制 （1）基于变量泵的压力控制，通过改变泵的排量来满足系统的用液要求。当 系统的用液量需求产生变化时，变量泵的排量也需要进行相应的调整以实现乳化 液泵站系统压力的稳定控制；当系统不再用液时，则将变量泵的排量降低至零。 虽然变量泵形式和种类的多样性足以满足各种工况的需求，但由于其复杂的结构 和较高的生产成本，并没有在煤矿开采中得到广泛的应用。 （2）基于溢流阀的压力控制，通过调定溢流阀的开启压力，使多余的乳化液 通过溢流阀流回乳化液箱。当系统正常用液时，系统内的压力值没有达到溢流阀 设定的开启压力，溢流阀处于关闭状态，乳化液泵站持续给系统供液；当系统用 液量减少或不用液时，系统的压力就会升高，升高到溢流阀设定的开启压力时就 会使溢流阀打开，多余的乳化液溢流回乳化液箱，乳化液泵站系统的压力得以保 持稳定。由于溢流阀具有结构设计简单、输出压力稳定可靠、制造成本低廉等优 点，因此在煤矿开采中得到了广泛的应用。但是这种控制方式会使乳化液泵站始 终处于加载状态，造成大量的功率浪费，而且不利于乳化液泵站系统的长久稳定 运行。考虑到功率、磨损、维护等问题的限制，这种控制方式多用于小流量工况 或者需要乳化液泵连续供液的工况。 （3）基于卸荷阀的压力控制，通过调整卸荷阀的卸荷压力，对乳化液泵站进 行压力控制。卸荷阀与溢流阀比较相似，但区别于溢流阀的“模拟量控制”，卸 荷阀实现的是“开关量控制”。当系统正常用液时，乳化液泵站通过卸荷阀中的 单向阀组件向系统增压供液；当系统用液量减少或者不用液时，卸荷阀的主阀开 启，多余的液体通过主阀口流回乳化液箱，乳化液泵站进行卸荷。此时单向阀处 于闭合状态，系统内的压力由蓄能器进行维持。这种控制方式可以使乳化液泵处 于空载运行的状态，柱塞腔内的压力得到了释放，实现节约能源的同时也提高了 乳化液泵的使用寿命，是现代煤矿开采中应用最多的一种压力控制方式，尤其适 用于高压大流量的开采工况中。基于卸荷阀的压力控制方式也是未来乳化液泵站 系统智能压力控制的主要研究方向[9]。 1.1.2 研究研究意义意义 随着智能制造技术、工业自动化技术、无线通讯技术等工业技术的不断发展 和应用，智能、精准、高效、安全的开采技术成为未来煤矿开采的趋势。乳化液 泵站系统应该能够及时对液压支架进行间断性平稳供液，特别是在高压、大流量、 乳化液介质等一系列复杂的工况下，这就需要对乳化液泵站系统的稳定性、可靠 万方数据 工程硕士学位论文 3 性、耐久性进行更加严格的控制和把关。 卸荷阀作为乳化液泵站系统压力控制的核心元件，在众多复杂的工况下，将 会面临许多新的问题 （1）高水基的乳化液是由 95的水和 5的乳化液组成，含有乳化剂、油性 剂、抗磨剂、润湿剂、防锈剂、抗泡沫剂、杀菌剂和稠化剂等多种添加剂，是煤 矿开采中普遍使用的一种液体传动介质。虽然高水基的乳化液相比液压油具有制 取方便、洁净安全、不易燃烧等优点，但同时也会带来易气蚀、易冲蚀、易泄漏、 腐蚀性强、摩擦磨损严重等新的问题。 （2）高压大流量的复杂工况会降低卸荷阀的结构强度和动态性能，增大阀芯 的液压冲击力，提高气蚀破坏的严重性。这些问题不仅给卸荷阀的设计带来困难， 还会影响乳化液泵站的压力控制精度，进一步影响综采工作面设备的平稳运行。 因此，针对目前国内外大采高综采工作面的发展趋势，加强对卸荷阀的研究对实 际的煤矿开采具有现实指导意义，高压大流量的卸荷阀也将是未来乳化液泵站智 能化压力