綜采液壓支架立柱專用液控單向閥振動分析

綜采液壓支架立柱專用液控單向閥振動分析

1液壓系統(tǒng)使用的指標(biāo)液位廣場（簡稱支架）是綜合機(jī)械化開采的重要部件之一，其支柱柱的液位控制單元（簡稱單向閥）是確保其有效保護(hù)屋頂?shù)年P(guān)鍵故障因素之一（原理見圖1）。有兩個主要的性能指標(biāo)：密封的可靠性和流量。足夠的流量可以顯著提高立柱的伸縮速度,保證系統(tǒng)的高效;可靠的密封性能保證立柱能夠提供足夠的抗負(fù)載的阻力,支護(hù)頂板。振動是液壓元件和系統(tǒng)運(yùn)行時的常見現(xiàn)象,對系統(tǒng)性能和元件壽命等影響很大,因此使用中需要考慮并嚴(yán)格控制振動的有關(guān)參數(shù)。本文從單向閥工作原理、配套液壓系統(tǒng)和負(fù)載環(huán)境等多方面分析振動產(chǎn)生的機(jī)理、振動對系統(tǒng)性能的影響,剖析國內(nèi)外常見單向閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和消除振動的措施,探討建立試驗(yàn)室模擬單向閥振動特性的試驗(yàn)系統(tǒng)模型和測試方法,為設(shè)計和改進(jìn)提供實(shí)用的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。2單向閥的負(fù)載機(jī)制和影響2.1不同閥芯受力分析單向閥振動發(fā)生在立柱收縮操作過程中,圖1是立柱控制原理,操作操縱閥,A1口接系統(tǒng)壓力p,A2口接系統(tǒng)回液R,單向閥在A1的控制下打開,立柱下腔液體排除,立柱實(shí)現(xiàn)收縮下降動作。圖2是單向閥結(jié)構(gòu)原理,單向閥卸載瞬時,閥芯的受力為:ΔF=π×p3×d22/4+π×p2×(d12?d22)/4?π×p1×d12/4+f(1)ΔF=π×p3×d22/4+π×p2×(d12-d22)/4-π×p1×d12/4+f(1)其中,p1、p2、p3分別為A1、A2、A3腔(圖2)壓力。d1、d2為對應(yīng)閥芯和頂桿直徑,f為彈簧力(可以不計)。開啟前瞬間p2≈0,ΔF≈0,因此公式(1)可以簡化為:此時p1值定義為液控單向閥開啟壓力。隨著p1增高,公式(2)平衡打破,ΔF<0,閥芯左移,閥口開啟量加大,p2值迅速增加,ΔF>0,閥芯又迅速往回運(yùn)動,閥口趨于關(guān)閉,甚至退回關(guān)閉狀態(tài);隨著閥口開啟量的減小,p2值減小,ΔF<0,閥口又開啟,如此反復(fù),引起閥芯和頂桿的振動。2.2單向閥的使用壽命和壽命通常單向閥是和安全閥組合使用,當(dāng)頂板移動量增加并超過一定值時,立柱下腔內(nèi)液體壓強(qiáng)增高,安全閥開啟,釋放出部分液體,使立柱下腔液體壓強(qiáng)保持在一個設(shè)定值內(nèi),保護(hù)立柱和支架其他結(jié)構(gòu)件。單向閥開啟時立柱下腔壓力往往很高,如果此時單向閥振動,將嚴(yán)重惡化安全閥的使用環(huán)境,導(dǎo)致安全閥的非正常開啟,開啟次數(shù)成倍增加,明顯縮短安全閥的使用壽命。單向閥本身實(shí)際使用壽命較試驗(yàn)壽命明顯縮短,除常見的密封件損壞外,出現(xiàn)成批的零件損壞現(xiàn)象,元件不能進(jìn)行常規(guī)修復(fù)再使用。振動導(dǎo)致其附近管路輔件和結(jié)構(gòu)件受迫振動,影響正常使用,如橡膠密封件,使用壽命將明顯縮短。3振動檢測方法的分析3.1p2p值的計算c如前所述,ΔF>0是閥芯右移,閥口開啟的條件,在閥口開啟過程中,p1、p3相對固定,導(dǎo)致ΔF在“零”值左右振蕩的直接影響因素是p2在不斷變化,控制p2值在一定范圍內(nèi)可以減小甚至消除ΔF>0的概率,消除振動。結(jié)合圖1、圖2,p2可計算如下:p2=ζ×QK+ΔpR(3)p2=ζ×QΚ+ΔpR(3)其中,Q為閥口打開后閥的流量;K為單向閥“流量-壓差”指數(shù),K≈2;ζ為閥口之后與系統(tǒng)連接之間部分的壓差系數(shù);ΔpR為系統(tǒng)回液背壓。很明顯,降低閥的壓差系數(shù)ζ和系統(tǒng)回液背壓可以降低p2值,后者決定于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。對于閥結(jié)構(gòu),降低流量和閥口后部分的阻力系數(shù)均可以降低p2值。根據(jù)公式(1),降低p3和提高開啟壓力p1也可以降低的p2的相對值,減少對ΔF的影響。3.2振動檢測方法常用振動控制方法主要有3種:阻尼減振、二級卸載和消除振源。1控制pv的實(shí)現(xiàn)閥口開啟有一個過程,建立p2也需要一個過程,延長這個過程,在這個過程中單向閥封閉的壓力腔液體逐步排出,p2被控制的同時p3也降低了,最后再全部打開閥口,大流量排液,液壓缸動作。實(shí)現(xiàn)這個過程需要控制p1的變化,一般在A1腔與高壓系統(tǒng)之間增加阻尼,這個阻尼也可以阻止閥芯的反方向運(yùn)動,控制振動。配合阻尼的使用,通常在閥口部位增加節(jié)流結(jié)構(gòu),閥芯運(yùn)動過程中逐步打開節(jié)流口,最后打開閥口。2液壓缸的組合二級卸載將單向閥的卸壓和排液區(qū)分開,首先小流量卸壓,控制p2,當(dāng)p3降低到一定范圍內(nèi)完全打開閥口,大量排液,這兩個過程通過結(jié)構(gòu)設(shè)計明顯區(qū)分開,有兩個不同的力學(xué)模型,可以看成兩個閥的組合。常見結(jié)構(gòu)形式有兩種:單頂桿、雙閥口結(jié)構(gòu),卸載時頂桿首先打開小閥口,p3下降到一定數(shù)值后頂桿再打開大閥口;單閥芯、復(fù)合頂桿結(jié)構(gòu),卸載時頂桿打開閥口,但開啟量小,只能產(chǎn)生小的流量,p3下降到一定數(shù)值后頂桿再做第二個動作,完全打開閥口。3閥芯受力分析這類單向閥的特點(diǎn)是:頂桿背對控制壓力p1端面的部分或全部不受回液壓力p2大小影響,如圖3,部分軸肩直接與大氣壓相通,閥開啟的過程中閥芯受力可表示為:ΔF=π×p3×d22/4?π×p1×d12/4+f(4)ΔF=π×p3×d22/4-π×p1×d12/4+f(4)因此,單向閥開啟后,不會出現(xiàn)ΔF>0的情況。消除了振源,單向閥避免了振動。由于閥口突然開啟,這種結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致系統(tǒng)“水錘現(xiàn)象”,沖擊大。3.3結(jié)構(gòu)的選擇和密封可靠性這3種控制方法中,采用最多是前兩種,在本質(zhì)上兩者接近,“消除振源”這種方法較為新穎,目前使用較少,有些單向閥則將幾種消振方法組合使用,以達(dá)到更好的效果。不同控制方法以及采用不同控制方法的單向閥的特點(diǎn)綜合比較如表1。綜合分析各種結(jié)構(gòu)的單向閥(包括控制其他千斤頂?shù)膯蜗蜷y),阻尼消振的特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡單,故障率低,易于延長壽命;元件可以設(shè)計得緊湊、使用形式多樣化,便于推廣;產(chǎn)生阻力損失的環(huán)節(jié)少,易于提高產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)——流量,但在技術(shù)方面要求較高,需要完善。二級卸載特點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,但技術(shù)非常成熟,無振動影響,應(yīng)用范圍廣,可以實(shí)現(xiàn)低成本制造,用于對使用壽命較短的系統(tǒng),如果延長壽命,制造成本明顯增高,對于雙閥芯結(jié)構(gòu)的單向閥,密封可靠性也受到影響。消除振源的單向閥,具有阻尼消振的所有優(yōu)點(diǎn),不確定因素是其使用環(huán)境較惡劣,在不操作情況下,控制口接回液,如果回液背壓高,可能出現(xiàn)誤動作,因此這一優(yōu)點(diǎn)也可能是缺點(diǎn),包括卸載水錘現(xiàn)象的影響等方面均需要進(jìn)行深入探討和研究,加以完善。4振動特性的模擬試驗(yàn)4.1產(chǎn)品的試驗(yàn)測試圖4曲線是一種單向閥在不同條件試驗(yàn)環(huán)境和試驗(yàn)系統(tǒng)下測到的兩種不同類型的結(jié)果:圖4a曲線只能在液壓支架的試驗(yàn)和實(shí)際使用過程中測得,圖4b曲線是在實(shí)驗(yàn)室測得的唯一結(jié)果。該閥通過了“型式試驗(yàn)”的檢驗(yàn),可以投入實(shí)際使用。在使用過程中,該閥出現(xiàn)明顯振動現(xiàn)象,其配套使用的安全閥異常開啟,損壞嚴(yán)重,后期該閥大量損壞,經(jīng)過試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)該閥卸載特性與實(shí)驗(yàn)室測得數(shù)據(jù)相比有很大差距,pm值大大超過單向閥開啟之前立柱封閉腔的壓力,而型式試驗(yàn)中測得的振動衰減很快?；谠囼?yàn)分析,采取增加阻尼的振動控制措施,改進(jìn)后閥的振動特性與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)相似,改進(jìn)了閥的性能,消除了振動及其對系統(tǒng)的影響。4.2單向閥使用的試驗(yàn)過程分析試驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境里影響振動特性的因素,包括負(fù)載、系統(tǒng)參數(shù)等,結(jié)果表明單向閥運(yùn)行時立柱負(fù)載F的不同是關(guān)鍵:圖5a是單向閥試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)圖,由于固定框架剛性很高,試驗(yàn)時變形量ε1值很小,必須用儀器測量;單向閥在使用過程中,立柱上下支撐點(diǎn)之間建立作用力F產(chǎn)生的位移量ε2(不是空載行程)很大,最大達(dá)到40mm左右,可以目測到。根據(jù)彈性力學(xué)原理,變形吸收能量與變形量ε平方成正比,因此實(shí)際應(yīng)用時單向閥要排除大量的高壓液體和能量(是試驗(yàn)的數(shù)百倍),振動延續(xù)時間長。目前國內(nèi)外普遍采用圖5a結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)臺對單向閥進(jìn)行檢驗(yàn),測試結(jié)果不能反映真實(shí)情況,需要改進(jìn)。4.3支架變形發(fā)展的規(guī)律圖5b是改進(jìn)后的試驗(yàn)臺方案,在原有方案的基礎(chǔ)上增加了能進(jìn)行能量吸收和釋放的蓄能機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)要求能模擬單向閥在實(shí)際使用過程中負(fù)載的變化規(guī)律,具備技術(shù)可行性。初步觀察分析表明,位移量ε2主要由支架變形產(chǎn)生,尤其是支架受偏載時變形量大,而支架完全由鋼材焊接而成,因此可以近似認(rèn)為支架某點(diǎn)的變形為彈性變形,能量吸收和釋放機(jī)構(gòu)采用的彈性體,其變形量ε2與F應(yīng)成正比或線形關(guān)系。對于液壓試驗(yàn)臺來說,采用液壓蓄能器作為蓄能機(jī)構(gòu)是一個很好的方案,彈性變形大,線性好,體積小,配合其他結(jié)構(gòu),能夠模擬真實(shí)負(fù)載,實(shí)現(xiàn)對單向閥進(jìn)行振動模擬試驗(yàn)。5單向閥振動控制方案的確定目前國內(nèi)外煤礦開采提倡“高產(chǎn)高效”,大流量液壓元件的應(yīng)用是必然趨勢,事實(shí)說明,單向閥提高流量,其制約因素首先是振動的控制。但無論采取的是什