高压超大流量纯水卸荷阀启闭动态压力特性研究.pdf

势 3-5 。支护设备系统的安全可靠、绿色高效是保证煤矿综采工作面生产的必由之路 6-8 。水压泵站是液Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.01.004高压超大流量纯水卸荷阀启闭动态压力特性研究郭岩成12,赵申诞2 3 董婕1-2,曹文斌12,孙钰洋1-2,刘银水1.2.3（1.兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州7 3 0 0 5 0；2.华中科技大学无锡研究院，江苏无锡2 1417 4；3.华中科技大学机械科学与工程学院，湖北武汉43 0 0 7 4）摘要：卸荷阀是液压支架系统关键的压力控制元件。提出了一种高压超大流量纯水卸荷阀结构，并对卸荷阀的工作原理进行分析，建立了卸荷阀的数学模型。通过搭建AMESim仿真模型，分析了卸荷阀的动态循环工作过程，以及先导阀、主阀、单向阀的启闭动态压力特性。在调定卸荷压力下，对影响卸荷阀恢复压力的关键因素进行了分析。为了验证仿真模型的准确性，搭建了卸荷阀的试验测试系统。研究表明，仿真与试验的压力参数吻合较好，通过调整顶杆直径、阻尼孔直径、阻尼孔长度及先导阀弹簧刚度，可以优化卸荷阀的恢复压力,研究结果可以为高压超大流量纯水卸荷阀的设计提供理论基础。关键词：卸荷阀；高压超大流量；压力特性；恢复压力中图分类号：TH137Study on Dynamic Pressure Characteristics of High Pressure SuperGarge Flow Pure Water Unloading Valve on Opening and ClosingGUO Yan-cheng,ZHAO Shen-dan,DONG Jje,CAO Wen-bin,SUN Yuryang”,LU Yin-shui2-)(1.College of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;2.Wuxi Research Institute,Huazhong University of Science and Technology,Wuxi 214174,China;3.School of Mechanical Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Abstract:Unloading valve is the key pressure control element of hydraulic support system.In this paper,a kind of high pressure super largeflow pure water unloading valve structure is proposed,and the working principle of the unloading valve is analyzed,and the mathematical modelof the unloading valve is established.By building the AMESim simulation model,the dynamic cycle working process of the unloading valve andthe opening and closing dynamic pressure characteristics of the pilot valve,main valve and check valve are analyzed.The key factors affectingthe recovery pressure of unloading valve are analyzed under the setting unloading pressure.In order to verify the accuracy of the simulationmodel,the unloading valve test system is built.The results show that the pressure parameters of the simulation and the test are in goodagreement.By adjusting the diameter of the piston rod,the diameter of the damping hole,the length of the damping hole and the springstffness of the pilot valve,the recovery pressure of the unloading valve can be optimized.The research results can provide a theoretical basisfor the design of the high-pressure ultra-large flow pure water unloading valve.Key words:unloading valve;high pressure super large flow;pressure characteristics;recovery pressure0引言煤炭是我国重要的基础能源，是促进国民经济发展的重要支柱型产业 1-2 。以绿色、安全、高效、智能为特征的先进开采方式将成为未来煤炭开采的必然趋收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 2基金项目：国家自然科学基金（5 2 0 7 5 192）；江苏省重点研发计划(BE2020087)作者简介：郭岩成（1998-），男，吉林松原人，硕士研究生，研究方向为水液压传动与技术。文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 1-0 0 2 1-0 8Wuhan 430074,China)压支架的动力源，卸荷阀作为水压泵站的关键压力控制元件，保障水压泵站安全高效智能的给液压支架供液，为综采工作面的安全运行提供了保护 9-1)王洁等设计了一种高压超大流量快开阀，运用AMESim仿真软件，绘制了阀芯开启过程的动态响应曲线，并进行了试验验证。结果表明,压差为15 MPa时，流量与流速均满足使用要求 12 。解浩等建立了机械先导式卸荷阀的AMESim仿真模型,研究了出口背压、主阀芯半锥角、先导阀座孔直径对负载端压力波动的影21液压气动与密封/2 0 2 4年第1期响,并基于仿真结果，对它们选择了合理的数值 13 。YANG Shibin 对卸荷阀的卸载压力与恢复压力进行了研究与仿真,保证了泵站工作时的稳定性、可靠性和灵敏度 14。ZENG Qingliang等分别利用AMESim和Simulink建立了数字乳化液溢流阀的结构模型和数字控制系统，进行了电液联合仿真。结果表明，此计算模型具有较好的实时动态压力调节特性 15 本研究提出了一种高压超大流量卸荷阀结构,并建立卸荷阀的动态数学模型，采用AMESim软件搭建了卸荷阀的仿真模型，描述了系统内卸荷阀的循环工作过程，分析了卸荷阀元件内部各阀芯的启闭过程与压力变化。基于模型，对卸荷阀恢复工作压力的影响因素进行研究。最后,搭建了卸荷阀试验测试系统,得到了卸荷阀工作过程中的关键压力数值，并对验证了仿真模型。1高压超大流量水压卸荷阀结构原理本研究提出了一种高压超大流量水压卸荷阀结构，公称卸荷压力为40 MPa，公称流量为18 0 0 L/min，先导阀开启压力为3 6 MPa，公称恢复压力为3 2 MPa。其调压范围是2 5 40 MPa。如图1为卸荷阀的三维模型，主要由单向阀、主阀、机械先导阀、电磁先导阀以及过滤器等组成。机械先导阀部分16 15 14 131211098与卸载,在增压供液工作状态下,高压流体通过单向阀流向液压支架。在卸荷工作状态下，低压流体通过主阀流回液箱。实际工作中，电磁先导阀作为系统压力控制阀,机械先导阀为常闭，作为保护阀。在电磁先导阀发生故障时，系统压力升至机械先导阀开启值，此时由机械先导阀控制主阀动作，调节液压系统压力。机械先导阀与主阀的压力协调控制，对液压泵站安全工作尤为重要。因此，对机械先导式卸荷阀的阀芯运动与阀芯启闭压力的协调控制展开深人研究。如图2 为机械先导式卸荷阀的工作原理图,卸荷阀在对液压支架系统进行增压供液时,泵输出的高压流体到达卸荷阀后又分为3 个液路：经过过滤器与节流孔后,到达主阀弹簧腔与先导阀人口处；通过单向阀，流向液压支架系统；通过单向阀，到达机械先导阀顶杆控制腔，给顶杆一个推力。当支架停止用液或系统压力升高到超过先导阀的调定压力时，控制顶杆动作，致使先导阀全开，此时主阀芯在液压力的作用下开启，流体经主阀口流回液箱，液压泵开始卸荷，处于低压运行状态。当支架重新用液或系统漏损时，机械先导阀芯关闭，主阀也因此在复位弹簧的作用下关闭,单向阀重新打开，液压泵向支架系统继续供液。供液口进液口7电磁先导阀6阀部51过滤器4单3向2阀部：1分1.单向阀芯导向套2.单向阀弹簧3.单向阀芯4.阀套5.主阀体6.主阀芯7.主阀弹簧8.调压螺杆9.调压螺堵10.调压弹簧座11.先导阀弹簧12.先导阀阀芯13.顶杆导向套14.顶杆15.压紧螺堵16.先导阀体图1卸荷阀三维模型卸荷阀工作过程分为两个状态：分别为增压供液22主卸载口图2 卸荷阀工作原理图2卸荷阀的数学模型2.1卸荷阀等效物理模型如图3 为卸荷阀的等效物理模型，高压泵站通过单向阀向液压支架增压供液，当工作面压力升至设定值,顶杆持续顶开先导阀芯，控制主阀芯开启，对高压泵站系统进行卸载，系统处于低压运行的状态，此时单向阀关闭，蓄能器维持系统的压力。2.2主阀动态数学模型（1）主阀阀芯运动微分方程：dxpA-P/A,=md2+J:+K(xo+x)+F.a+FXdt(1)(5)崇+K,(o+y)+Fs+FHydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024式中，p一一卸荷阀进口压力（5）主阀上腔流量连续性方程：P1主阀阀芯的上腔压力dxA一主阀阀芯下腔截面面积A一一主阀阀芯上腔截面面积ml一主阀阀芯质量主阀阀口开度于一一主阀阀芯黏性阻尼系数K一一主阀弹簧刚度F.一主阀阀芯稳态液动力F一主阀阀芯瞬态液动力先导阀Pi主阀山PO?动力源单向阀山图3 卸荷阀等效物理模型图（2）通过主阀阀口流量方程：2P式中，Cal主阀阀口的流量系数D,一主阀的出流口直径一主阀阀芯半锥角P一流体密度（3）通过阻尼孔流量方程：4.=Cad(p-Pi)P式中，Car阻尼孔的流量系数d.一阻尼孔直径（4）主阀下腔流量连续性方程：dx=兰dq-q1-qr-qd-Adt式中，q卸荷阀进口流量qd一通过单向阀的流量E-流体的弹性模量V一一主阀进口液路的容积Vidpi式中，2 主阀上腔进液量V一主阀上腔的容积2.3先导阀动态数学模型（1）先导阀阀芯运动微分方程：dyPAA,二m2式中，PA一一卸荷阀出口压力A，一一顶杆的最大截面面积mz一一先导阀芯质量一先导阀阀口开度一先导阀弹簧预压缩量PA至工作面水阻尼孔个+Jydt于，一先导阀阀芯黏性阻尼系数K,一一先导阀弹簧刚度F.2一一先导阀阀芯稳态液动力F2一先导阀阀芯瞬态液动力（2）通过先导阀阀口流量方程：2P;=Ca2 TDzysinP式中，Ca2先导阀阀口的流量系数D,一先导阀的出流口直径一先导阀阀芯半锥角(2)（3）先导阀流量连续性方程：9,+92=93+-式中，V2一一先导阀前腔的容积2.4单向阀动态数学模型（1）单向阀阀芯运动微分方程：(p-PA)A,=msdz+(3)dt式中，A3一单向阀阀口受力面积m3一一单向阀阀芯质量单向阀阀口开度Edt(4)(6)(7)V2dPi(8)Edtdz+K,(zo+z)+Fg+Fa(9)f，一一单向阀阀芯黏性阻尼系数K，一一单向阀弹簧刚度F.单向阀阀芯稳态液动力F单向阀阀芯瞬态液动力（2）单向阀阀口流量方程：23液压气动与密封/2 0 2 4年第1期4=CasTD,zsiny式中，Ca单向阀阀口的流量系数D，一一单向阀的出油口直径一单向阀阀芯半锥角（3）单向阀流量连续性方程：Vi d(p-pA)q=1+qr+q4+Edtdt式中，V一一单向阀人口腔的容积9通往顶杆控制腔流量3AMESim仿真分析3.1AMESim仿真模型的搭建根据卸荷阀数学模型,搭建如图4所示的AMESim仿真模型。选定合适的子模型，根据卸荷阀的设计参数,进行参数设置,其主要的参数设置如表1所示。主阀安全阀2(P-PA)P+A3dz(11)先导阀单向阀加载阀泵站恢复向系统供液,直至系统压力升至40 MPa,重新(10)开始卸荷，一个增压供液与卸荷周期持续时间为3.55S。表1AMESim仿真计算参数设置参数名称电机转速/rmin-1泵的排量/Lr-1安全阀开启压力/MPa主阀阀芯直径/mm主阀座孔直径/mm主阀阀芯半锥角/（）阻尼孔直径/mm阻尼孔长度/mm顶杆直径/mm球阀阀芯直径/mm球阀阀座孔直径/mm单向阀芯直径/mm单向阀阀座孔直径/mm纯水的密度/gcm-3纯水的体积模量/MPa纯水的绝对黏度/cP参数值15003.4446563301.2106.21267063124001图4卸荷阀的AMESim仿真模型3.2卸荷阀动态循环工作过程卸荷阀停止向系统增压供液时的压力称为卸荷压力。卸荷阀重新向系统供液时的压力称为恢复压力，卸荷压力和恢复压力是卸荷阀工作过程中的重要指标参数，通常要求恢复压力为卸荷压力的8 0%8 5%，恢复压力偏低或过高都会影响卸荷阀的动态响应，和系统工作稳定性。如图5 为卸荷阀循环工作时进口和出口压力曲线，当进口压力达到公称卸荷压力40 MPa时，卸荷阀开始卸荷,进口压力经过0.17 s迅速降低至0.5 6 MPa，此时卸荷阀出口压力为3 9.3 5 MPa,液压泵站处于空载运行状态。随后卸荷阀出口压力经过3.3 2 s下降至公称恢复压力3 2 MPa,此时主阀关闭,单向阀打开,高压24入口压力-出口压力403020100图5 卸荷阀进口和出口压力3.3先导阀启闭动态特性如图6 所示为先导的入口压力和阀芯位移随时间变化曲线。在先导阀进口压力达到3 6 MPa时，先导阀阀芯逐渐打开,经过0.5 1s后达到最大升程3.0 mm，24时间/s681012Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024先导阀进口压力在阀芯打开过程中迅速降低为400.0076 MPa,控制主阀芯打开，使系统进入卸荷状态。3040203010200100320图6 先导阀入口压力和阀芯位移3.4主阀启闭动态特性如图7 为卸荷阀的进口压力和主阀芯位移随时间变化曲线。在卸荷阀进口压力达到40 MPa时，主阀芯逐渐开启，经过0.3 9s后，阀芯达到最大升程11.2mm,主阀完全打开后，系统进人卸荷状态，此时系统的压力降低为0.5 6 MPa。当系统处于增压供液时，主阀芯经过1.6 s阀芯逐渐关闭，卸荷阀进口压力上升至40 MPa。40/302010012uu/630图7进口压力和主阀芯位移3.5单向阀启闭动态特性如图8 为卸荷阀出口压力与单向阀芯位移随时间变化曲线。在增压供液状态,单向阀芯经过0.0 3 s后至最大升程13 mm，出口压力逐渐升高，经过0.1s后升至公称压力40 MPa。在卸荷状态时，单向阀阀芯经过0.0 3 s后完全关闭,单向阀出口压力逐渐降低,直到降为系统恢复压力3 2 MPa时,单向阀重新打开，系统恢复增压供液。124时间/s(a)出口压力24时间/s(a)入口压力24时间/s(b)阀芯位移24时间/s(a)入口压力24时间/s(b)主阀芯位移6686868681081012101210121210150图8 出口压力和单向阀芯位移3.6恢复压力的影响因素分析在卸荷阀2 5 40 MPa 的调压范围内,研究在调定卸荷压力为2 5,3 0,3 5,40 MPa下所对应的恢复压力值，分析阻尼孔直径、阻尼孔长度、顶杆直径以及先导阀弹簧刚度对于恢复压力的影响。如图9为阻尼孔直径对于恢复压力的影响,在阻尼孔长度不变时,增加阻尼孔的直径，恢复压力随之升高，在40 MPa公称卸荷压力下，阻尼孔直径1.3 mm为0.9mm恢复压力的1.0 3 8 倍。32F0.9 mm.1.0 mm1.1 mm301.2 mm1.3 mm282624222024262830323436384042卸荷压力/MPa图9阻尼孔直径对恢复压力的影响如图10 为阻尼孔长度对于恢复压力的影响，在阻尼孔直径不变的情况下，增加阻尼孔的长度，恢复压力随之降低，在40 MPa公称卸荷压力下，阻尼孔长度8mm为16 mm恢复压力的1.0 13 倍。如图11为顶杆直径对于恢复压力的影响，增加顶杆的直径,恢复压力随之降低,在40 MPa 公称卸荷压力下，顶杆直径6.0 mm为6.4mm恢复压力的1.125 倍。252(b)单向阀芯位移4时间/s6810进行了试验测试,卸荷阀试验系统原理图如图13 所液压气动与密封/2 0 2 4年第1期328 mm10 mm3010mm14 mm16 mm282624222024 262830323436 3840卸荷压力/MPa图10阻尼孔对长度对卸荷压力的影响366.0 mm346.1 mm6.2mm32?6.3 mm6.4 mm30示。由于试验条件限制,采用成熟的高压水柱塞泵站，作为卸荷阀实验系统供液泵，其额定流量为630 L/min,具体参数如表2 所示。使用水压溢流阀对测试系统进行加载，节流元件模拟负载的压力变化，调32.432.332:232.132.031.931.8节被试卸荷阀的调压螺杆对系统卸荷压力进行控制，压力变送器对卸荷阀进口、单向阀出口以及先导阀人口压力进行监测。39.8元39.9卸荷压力/MPa40.0压力变送器被试阀安全阀节流元件加载阀24222018242628303234363840 42卸荷压力/MPa图11顶杆直径对恢复压力的影响如图12 为不同先导阀弹簧刚度对恢复压力的影响,增加先导阀弹簧刚度，恢复压力随之升高，在40MPa公称压力下,先导阀弹簧刚度7 5 N/mm是弹簧刚度为5 5 N/mm时恢复压力的1.0 12 6 倍。3455 N/mm32.60 N/mm65N/mm30-70 N/mm75 N/mm28图13卸荷阀试验系统原理图根据试验系统原理图搭建了如图14的试验测试系统。安全间截止阀过滤器压力变送器圆无锡煤机高压大流量水压泵站溢流阀(加载)液压万用表节流元件皮试26242220182426283032343638 4042卸荷压力/MPa图12先导阀弹簧刚度对恢复压力的影响44卸荷阀的试验测试4.1试验系统的搭建为验证仿真模型的准确性，对卸荷阀的动态特性26图14卸荷阀试验测试系统32.2搭建的试验测试系统主要元件型号及参数如表232.0所示。31.839.9卸荷压力/MPa40.04.2仿真与试验对比分析1采用水压溢流阀对系统加载，通过调节被试卸荷阀的先导阀弹簧力使主阀达到开启状态，调定卸荷压力分别为2 5,3 0,3 5,40 MPa，使用压力变送器以及液压万用表，记录多个卸荷循环周期下的卸荷压力、恢复压力及先导阀开启压力值。将仿真计算模型设置成与试验相同的工况。如图15 为40 MPa公称卸荷压力下的进口压力仿Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024真与试验对比图，总体上看，压力曲线的变化趋势一一一试验数据致,卸荷阀的公称卸荷压力偏差为0.5 6 MPa。3633表2 试验主要元件型号及参数30主要元件型号电机YBK2-4004-4水压柱塞泵BRW630/40水压溢流阀WJX500/50节流元件XH1600-06压力变送器3100B0600S01ERMulti System液压万用表5060Plus403010试验02图15 公称卸荷压力下卸荷阀进口压力如图16 是调定卸荷压力为2 5,3 0,3 5,40 MPa时，恢复压力的仿真与试验对比图，试验与仿真结果平均相差0.0 2 1%。33302724211825调定卸荷压力/MPa图16 调定卸荷压力下的恢复压力如图17 是调定卸荷压力为2 5,3 0,3 5,40 MPa时，先导阀开启压力仿真与试验对比图，试验与仿真结果平均相差0.0 12%。一仿真数据关键参数27功率：5 0 0 kW转速:148 5 r/min额定流量：6 3 0 L/min额定压力：40 MPa额定流量：5 0 0 L/min调压范围：0 5 0 MPa节流孔径:0.5 mm量程：0 6 0 MPa采样通道：8 通道采样频率:10 kHz仿真46时间/s一一试验数据仿真数据30242125调定卸荷压力/MPa图17调定压力下先导阀开启压力考虑到试验系统中存在压力脉动以及沿程阻力损失等因素，试验与仿真存在一定的误差。经过综合对比分析,试验与仿真计算结果具有很好的一致性，验证了仿真模型。5结论本研究的卸荷阀具有额定流量大，工作压力高的特点。通过建立卸荷阀AMESim仿真模型，分析了先导阀、主阀、单向阀部分的启闭动态压力特性，分析了卸荷阀的恢复压力,并对影响恢复压力的关键因素进行了研究。主要结论如下：（1）研究了卸荷阀循环工作过程中,先导阀、主阀、单向阀阀芯对压力协调控制,以及各阀芯运动过程810354013035中的压力变化情况。卸荷阀在40 MPa公称卸荷压力下卸载,主阀阀芯的最大升程为11.2 mm,先导阀开启压力为3 6 MPa,先导阀芯最大升程为3.0 mm。单向阀处于关闭状态，卸荷阀出口压力逐渐降低，当出口压力降低至恢复压力值3 2 MPa时,先导阀和主阀关闭，单向阀芯经过0.0 3 s后至最大升程13 mm，出口压力逐渐升高至40 MPa。一个增压供液与卸荷周期持续时间为3.5 5 s。（2）对影响卸荷阀恢复压力的关键参数进行了分析,结果表明：增加阻尼孔的直径和先导阀弹簧刚度，恢复压力会随之升高，在40 MPa公称卸荷压力下,阻尼孔直径1.3 mm为0.9 mm恢复压力的1.0 3 8 倍。先导阀弹簧刚度7 5 N/mm是弹簧刚度为5 5 N/mm时恢复压力的1.0 13 倍。增加阻尼孔的长度和顶杆直径，恢复压力会随之降低,在40 MPa公称卸荷压力下,阻尼孔长度8 mm为16 mm恢复压力的1.0 13 倍。顶杆直径6.0 mm为6.4mm恢复压力的1.12 5 倍。（3）搭建了卸荷阀试验测试系统，对比分析了仿真与试验的数据,结果表明：卸荷阀的公称卸荷压力偏2740液压气动与密封/2 0 2 4年第1期差为0.56 MPa。在2 540 MPa的调定卸荷压力之间，卸荷阀恢复压力平均相差0.0 2 1%，先导阀开启压力平均相差0.0 12%。试验与仿真计算结果具有较好的一致性，验证了AMESim仿真模型参考文献1WRIGHT T.Coal Mining in Chinas Economy and Society1895-1937 R.Cambridge:CUP Archive,1984.2ULLAH M F,ALAMRI A M,Mehmood K,et al.CoalMining Trends,Approaches,and Safety Hazards:a BriefReview J.Arabian Journal of Geosciences,2018,(11):1-16.3王国法.煤矿智能化最新技术进展与问题探讨 J.煤炭科学技术,2 0 2 2,50(1):1-2 7.4ADE M,DESHPANDEV S.Lean Manufacturing and Pro-ductivity Improvement in Coal Mining J.IntermationalJournal of Engineering Science&Technology,2012,4(5):35-43.5王金华，黄乐亭，李首滨，等.综采工作面智能化技术与装备的发展 J.煤炭学报，2 0 14,39（8）：1418-142 3.6张文全.乳化液泵压力控制技术现状及发展趋势 J.煤矿机械,2 0 11,32(6):5-6.7YUESEN Y,PENG D,YAJUN 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