大流量电液换向阀的动态特性及流场特性仿真.pdf

太原理工大学硕士研究生论文 I 万方数据 太原理工大学硕士研究生论文 II 万方数据 太原理工大学硕士研究生论文 III 大流量电液换向阀的动态特性及流场特性仿真 摘 要 液压支架是用于采煤工作面的重要支护设备，与采煤机和刮板输送机配套使 用，共同实现现代化煤矿综采工作。为了提高产量，现代综采技术开始采用大功 率采煤机和大运量刮板输送机，为充分发挥其工作效率，有必要提高与之配套使 用的液压支架的移架速度，从而缩短支护作业时间，最终实现高产高效的综采要 求；随着采高的增加，支柱的直径和高度也随之相应增加，目前的大流量电液换 向阀，额定流量只有 400l/min，因此不能满足快速移架、缩短支护作业时间的要 求。因此，支架需向高压大流量和电液控制方向发展，才能适应现代化煤矿综采 的要求。 本文设计了一款大流量电液换向阀，额定流量为 1000l/min，额定压力为 31.5MPa，并分析了其结构特点和换向原理，通过研究阀芯的受力情况，得出其 换向过程的数学模型和结构参数，再运用系统建模动态仿真软件 AMESim 对电 液换向阀系统进行动态特性仿真，然后运用 ANSYS-workbench 软件对换向阀的 关键元件进行力学仿真， 接着借助流体仿真软件Fluent对阀体内部流场进行仿真， 最后对所设计阀的性能进行了测试。 利用 AMESim 软件对换向阀工作系统进行仿真，获得了阀出口压力与出口 流量等动态特性。研究结果表明阀芯启动用时 0.9s，并且运动平稳，动态特性 良好。另外，针对影响换向阀动态特性的其它结构参数，如阀芯行程、弹簧预压 力等，选择最佳取值。 万方数据 太原理工大学硕士研究生论文 IV 运用 ANSYS-workbench 软件对换向阀的关键部件进行有限元分析，针对阀 芯开启和关闭两种工况，校核了各关键部件的强度，并发现在阀芯径向过液孔处 产生了最大应力，最后对该结构进行了优化处理。 利用计算流体力学软件 Fluent 模拟了该换向阀内部流场， 得到了阀体内部流 道的流场特性。结果表明随着阀芯开启位移的增大，流场中漩涡强度和覆盖区 域减小，进油口速度减小，最大速度区域出现在阀口下游位置。 利用大流量阀试验台对所设计的换向阀进行了测试。试验结果表明在流量 为 750l/min 的试验条件下，阀芯 在 1s 内能够完成开启和关闭动作，工作可靠、 动作灵活，动态特性指标符合设计要求；在试验压力为 4MPa，31.5MPa 时，均 表现出良好的密封性能，实现了研制目标。为以后同类阀的研制奠定了一定的基 础。 关键词电液换向阀，动态特性，AMESim 仿真，动力学仿真，流场仿真 万方数据 太原理工大学硕士研究生论文 V SIMULATION ON DYNAMIC AND FLOW FIELD CHARACTERISTICS OF LARGE FLOW ELECTRO-HYDRAULIC DIRECTIONAL VALVE ABSTRACT Hydraulic support is the important supporting device used in coal mining face, with the coal winning machine and scraper conveyor, achieve modernization coal mine fully mechanized working together.In order to improve the production, modern fully mechanized technology adopted high-power shearer and large capacity of scraper conveyor, to give full play to its efficiency, it is necessary to improve and supporting the use of hydraulic support moving speed, supporting operation to shorten the time and achieve high production and efficiency of fully mechanized requirements;With the increase of mining height are broken, the diameter of the pillars and height also increases accordingly, the large flow electro-hydraulic directional control valve, rated flow only 400 l/min, so cant meet the requirement of fast moving frame supporting operation, shorten the time.Bracket, therefore, need to develop in the direction of high pressure large flow and the electro-hydraulic control, to adapt to the requirement of modern coal mine fully mechanized. This paper designed a big flow electro-hydraulic directional control valve, the rated flow of 1000 l/min, the rated pressure of 31.5MPa, and analyses the structure 万方数据 太原理工大学硕士研究生论文 VI characteristics and the reversing mechanism, by studying the force of the valve core, it is concluded that thecommutation process and structure parameters of the mathematical model, then using the system dynamic simulation software AMESim modeling to dynamic characteristics of electro-hydraulic directional control valve system is emulated, and the use of ANSYS workbench software key element of the reversing valve dynamics simulation, then with the help of fluid simulation software Fluent, the body internal flow field simulation, finally, the perance of the designed valve was tested. Using AMESim software for reversing valve system simulation, obtained the valve outlet pressure and outlet flow dynamic characteristics.The results show that the valve core start takes 0.9s, and the smooth movement, good dynamic characteristics.In addition, in view of other structural parameters influencing the dynamic characteristics of the directional control valve, such as stroke of valve core and the spring pressure, etc, choose the best value. Using ANSYS workbench software of finite element analysis was carried out on the key components of the directional control valve, two conditions for open and close the valve core, checking the strength of the key components, and the valve core radial fluid hole produced maximum stress, finally the structure optimization. Using the computational fluid dynamics software Fluent to simulate the reversing valve interior flow field, the flow field characteristics of body internal flow channel.The results showed that with the increase of open valve core displacement, the flow field in the vortex intensity and coverage is reduced, oil inlet velocity decreases, 万方数据 太原理工大学硕士研究生论文 VII and maximum speed area appeared in the downstream of the valve position. The large flow valve test bench for the design of directional valve was tested.Experimental results show that the flow rate of 750l/min experimental conditions, the valve core to complete opening and closing action within 1 s, reliable operation,flexiblemotion,dynamiccharacteristicindsmeetthedesign requirements;The test pressure of 4MPa and 31.5MPa, all show a good sealing perance, realize the development goals.For the development of the same kind of valve laid a certain foundation. KEYWORDS electro-hydraulic directional control valve, the dynamic characteristics of the AMESim simulation, dynamic simulation, flow field simulation. 万方数据 太原理工大学硕士研究生论文 VIII 万方数据 太原理工大学硕士研究生论文 IX 目录 摘 要.................................................................................................................................................III ABSTRACT...............................................................................................................................................V 目录.....................................................................................................................................................IX 第一章 绪 论.......................................................................................................................................1 1.1 选题的背景及意义.............................................................................................................. 1 1.1.1 煤矿综采技术的发展..............................................................................................1 1.1.2 液压支架电液控制系统的发展.............................................................................3 1.2 国外对液压阀的研究.........................................................................................................5 1.3 国内对液压阀的研究..........................................................................................................6 1.4 课题研究方法和内容..........................................................................................................7 1.4.1 换向阀的研究方法..................................................................................................7 1.4.2 课题研究的内容......................................................................................................8 第二章 电液换向阀的理论分析与数学建模................................................................................11 2.1 换向阀的工作原理分析...................................................................................................11 2.2 换向阀主要参数的计算...................................................................................................13 2.3 电液换向阀的数学模型...................................................................................................16 2.3.1 先导阀数学模型....................................................................................................16 2.3.2 换向阀的数学模型................................................................................................18 2.3.3 阀芯的受力计算....................................................................................................20 2.4 结论.....................................................................................................................................22 第三章 电液换向阀动态仿真及分析.............................................................................................23 3.1电液换向阀仿真模型.....................................................................................................24 3.1.1 先导阀模型...........................................................................................................24 3.1.2 换向阀模型...........................................................................................................24 3.1.3 电液换向阀工作系统模型..................................................................................25 3.2 电液换向阀的动态特性仿真结果分析..........................................................................28 3.3 换向阀动态性能分析........................................................................................................30 万方数据 太原理工大学硕士研究生论文 X 3.3.1 阀芯行程对动态特性的影响..............................................................................30 3.3.2 控制孔对换向阀动态特性的影响.....................................................................32 3.3.3 弹簧力对换向阀动态特性的影响.....................................................................35 3.4 结论.....................................................................................................................................36 第四章 基于 ANSYS 电液换向阀的仿真及结构优化...................................................................37 4.1 瞬态分析.............................................................................................................................37 4.1.1 建立碰撞几何模型................................................................................................37 4.1.2 边界条件设置........................................................................................................38 4.2 静态分析.............................................................................................................................40 4.2.1 进液阀套的静应力分析.......................................................................................40 4.2.2 回液阀套的静应力分析.......................................................................................42 4.4 阀芯优化设计.....................................................................................................................43 4.5 结论......................................................................................................................................44 第五章 电液换向阀的流场特性分析.............................................................................................47 5.1 计算流体动力学简介.......................................................................................................47 5.2CFD 技术原理...................................................................................................................48 5.2.1 CFD 方法的数学原理............................................................................................48 5.2.2 假设理想模型.......................................................................................................50 5.3 换向阀三维建模与网格划分.......................................................................................... 51 5.3.1流场的三维建模.................................................................................................51 5.3.2网格划分.............................................................................................................51 5.3.3边界条件的设定.................................................................................................52 5.4 仿真结果及分析................................................................................................................53 5.4.1 换向阀的流场特性分析......................................................................................53 5.4.2 阀口开度对流场的影响......................................................................................59 5.5 结论.....................................................................................................................................64 第六章大流量换向阀性能实验研究.......................................................................................... 65 6.1 实验目的及实验内容.......................................................................................................65 6.1.1 试验方案及原理....................................................................................................65 万方数据 太原理工大学硕士研究生论文 XI 6.2 实验结果分析....................................................................................................................67 6.2.1 密封试验结果........................................................................................................67 6.2.2 换向性能试验及控制压力测试结果.................................................................68 6.3 结论......................................................................................................................................69 第七章 总结与展望..........................................................................................................................71 7.1 课题总结............................................................................................................................71 7.2 课题展望............................................................................................................................72 参考文献.............................................................................................................................................73 致 谢...................................................................................................................................................77 攻读学位期间发表的学术论文.......................................................................................................79 万方数据 太原理工大学硕士研究生论文 XII 万方数据 太原理工大学硕士研究生论文 1 第一章绪 论 1.1 选题的背景及意义 1.1.1 煤矿综采技术的发展 液压支架是使用在现代煤矿综采工作面上的重要支护设备，它的主要作用是支承顶 板，并能够适应采煤机截割的牵引速度，随着回采工作面的推进而向前移动。它为采掘 工作提供了一个可移动的空间，保护采煤机和刮板输送机在此空间下安全作业。液压支 架的动作主要通过各种阀控制立柱、千斤顶的伸缩来实现，动力由乳化液泵站供给的高 压液体提供。液压支架在井下采煤工作面上的安装情况如图1-1所示[1][2]。 图1-1 井下采煤工作面 Fig.1-1 Underground coal mining working face 20 世纪 90 年代，欧美等发达国家开始在煤炭采掘技术装备上施行了大规模的改 革，矿井综采、综掘、提升、运输设备都得到了很好的改进，大幅度提高了煤炭产量 和劳动生产率，降低了原煤生产成本，进一步改善了安全生产条件。例如德国、英国、 美国和澳大利亚，使用高科技综采设备大大提高了生产效率，并依靠这些设备有效的 改善了井下的生产环境。1993 年美国综采工作达到了平均年产量 145.4 万吨的业绩， 万方数据 太原理工大学硕士研究生论文 2 而来年 11 月阿科煤炭公司的西麋鹿矿更是创造了日产量 4.5 万吨的世界记录。因此， 从高效高产方面对煤矿综采装备进行改造，不断的更新产品，已经成为现代煤炭发展 的首要任务，同时也标志着一个国家工业的发展程度 [3]。 20 世纪 70 年代，我国开始从国外引进综采设备，综采技术进入试用阶段。但由 于缺乏理论和技术支持导致经验不足，事故频发，使得综采技术得不到理想的发展。 80 年代中期以来，我国的综采技术进入了推广应用阶段，通过长期的研究和实践，逐 渐形成了自己的综采工作面支护与液压支架技术理论体系体系，研究出了适应于我国 开采条件的，推动了煤炭安全高效和绿色开采技术的进步 。 上世纪 90 年代中期， 我国对液压支架的研究工作步入了快速发展阶段。 不仅综采 技术迅速得到提高，先进的综采理论得到了实际应用，由于大规模发展综采技术，使 得国产液压支架的的更具稳定性，可靠性也有了明显的提高，不仅支架的类型日渐增 多，工作面和工人的安全保障性也同时有了大幅度改善[4]。尤其是放顶煤开采技术在 我国煤矿综采工作面得到了迅速推广，不仅大幅度地提高了生产效率，同时有效的推 进了国内对放顶煤液压支架技术的研究。例如 2009 年 7 月份，世界第一高神华 ZY16800/32/70D 型液压支架样机问世，它是由郑煤机集团自主研发的，其支架支护高 度和工作阻力是当时世界之最，也是最大的两柱掩护式液压支架。除此之外，还配备 了数据传输装置、主供回液系统、电液控制系统、负压除尘系统、喷雾系统、数据上 传系统。2013 年 5 月，平煤机公司研制的 ZY11310/24/52D 型两柱掩护式高端液压支 架通过了欧盟“CE”认证，开创了我国高端液压支架品质的新高度。2014 年 8 月， ZY22000/39/85D 型特大采高强力轻量化掩护式电液控制支架， 由中煤集团所属北煤机 公司成功研制。该支架支撑高度 8.5 米，工作阻力 22000KN，为目前世界上支撑能力 最大、支撑高度最高、防护性能最好、预期使用寿命最长的煤矿综采支护设备。目前 我国液压支架的性能与国外产品相差无几，但价格要相对低很多。所以我国液压支架 在海内外产品中拥有了较高的竞争力，目前，我国自主研发的高端液压支架已经出口 到德国、俄罗斯、土耳其等国。尽管如此，想要在关键技术上有所突破，如高端液压 支架的电液控制系统和换向阀等部件，我国仍需要走先从国外入口，再吸收消化，后 自主创新的道路。 要实现高效、安全综采的目标，综采装备就需要向大功率、高强度、高速度、高 可靠性和机电一体化方向发展。这就要求液压支架必须具备自动化、高支护性能、高 万方数据 太原理工大学硕士研究生论文 3 工作阻力、快速移架、大推移距离等性能。尤其在保证采场安全方面，及时移架，缩 短工作面空顶时间，成为的一个关键问题。现在提高移架速度的方法主要有采用电 液控制系统，选用大流量液压元件和实现分组同时移架。电液先导控制阀的使用实现 了各种自动和程序控制, 满足支架的大流量可达 1000l/min 以上用液要求。同时， 为了把支架的降、移、升循环的时间控制在 8～12s，实现高产高效的综采要求，我们 需要换向阀能够在高压大流量工作环境下实现频繁换向、并保证高可靠性和寿命的设 计要求 [5]。 1.1.2 液压支架电液控制系统的发展 液压支架控制技术历经了从手动到机械，最终发展成为现在的集机械、电子、液 压、计算机和通信技术为一体的液压支架电液控制系统