基于微造型閥芯及異形閥腔的煤礦水壓三用閥研究.pdf

1、傳統(tǒng)單體液壓支柱及其三用閥以乳化液為工作介質(zhì)，嚴重污染地下水資源，且乳化液易變質(zhì)，影響工人工作環(huán)境和身心健康。此外，配置乳化液還需消耗大量化學合成劑及勞動力，使用成本高。隨著人們對環(huán)境保護及生產(chǎn)安全的日益重視，各國都制定相關(guān)法律法規(guī)，鼓勵煤礦支護裝備向安全、環(huán)保的方向發(fā)展。水具有安全環(huán)保、價格低廉、來源廣泛等優(yōu)點，水液壓技術(shù)在煤礦領域的普及應用是煤礦支護裝備發(fā)展的重要方向之一。同時三用閥是單體液壓支柱水壓化的核心部件，其潤滑、磨損、氣蝕

2、等關(guān)鍵問題，也是其它煤礦液壓設備水壓化面臨的共性問題。論文以單體支柱的核心元件水壓三用閥為研究載體，設計了一種基于微造型閥芯及異形閥腔的水壓三用閥新結(jié)構(gòu)，使用水替代乳化液為工作介質(zhì)。重點研究了改善水壓三用閥的潤滑、磨損及氣蝕等關(guān)鍵問題的方法和途徑。研究成果可為水壓三用閥的實用化奠定理論和試驗基礎。論文的主要研究工作及結(jié)論如下:
　　1.提出了微造型閥芯新結(jié)構(gòu)，以改善水壓三用閥閥芯的潤滑及磨損特性。建立了復雜工況下微造型閥芯導向段和

3、密封段的動壓潤滑模型，研究了閥芯微造型區(qū)域恒定條件及閥芯密封區(qū)域不確定條件下的微造型閥芯動壓潤滑和減磨機理。
　　結(jié)果表明:
　　(1)合適的微造型閥芯能產(chǎn)生良好的動壓潤滑效果，微造型區(qū)域的閥芯表面壓力大于閥套表面的壓力，壁面間壓力分布不均勻。
　　(2)閥芯微造型的徑寬比B應取較小值，而深厚比D在低雷諾數(shù)或B＞0.2的情況下應取較小值，在徑寬比B=0.2及高雷諾數(shù)的情況下應取較大值，最佳值在D=1.4附近，且雷諾數(shù)越

4、高，則慣性承載和空化承載效應越強。
　　(3)除三角形外，各形貌均能夠產(chǎn)生動壓效果，且球冠形具有較小的剪切摩擦力和泄漏量。直線楔形可增大核心區(qū)壓力，夾角形將導致核心區(qū)收縮，直角楔過渡有助于增大核心區(qū)的最大正壓和最大負壓，且在相同面積率下增大正負壓影響區(qū)面積比有助增加動壓承載力。
　　(4)閥芯密封區(qū)域不確定條件下的潤滑機理研究表明，疊合量大于2.5mm時隨疊合量減小，閥芯表面的總承載力增加，剪切摩擦力基本不變，閥芯表面綜合摩

5、擦作用減弱。
　　2.開展了水介質(zhì)環(huán)境及干摩擦工況下微造型摩擦副的摩擦和磨損試驗，驗證了理論分析的可靠性。結(jié)果表明:摩擦系數(shù)隨載荷減小呈增大趨勢，且微造型有助于摩擦副在較低轉(zhuǎn)速下進入流體潤滑區(qū)，擴大了流體潤滑范圍。進一步研究表明合理的微造型結(jié)構(gòu)才具有減磨效果，摩擦系數(shù)隨微造型直徑及面積率的增大先減后增，隨微造型深度的增大漸增大，最佳的微造型直徑、深度及面積率分別為300μm、40μm和10％，且摩擦系數(shù)與磨損質(zhì)量正相關(guān)。干磨時光滑

6、下試環(huán)產(chǎn)生嚴重黏著和磨粒磨損，而微造型試片僅發(fā)生磨粒磨損，且磨損狀況明顯好轉(zhuǎn)。從磨痕來看，微造型試片的磨痕相對于光滑試片尺寸小，深度淺，分布區(qū)域性強，微坑間圓周方向上磨痕少，進一步證明微造型具有減磨的重要功能。
　　3.提出了通過異形閥腔改善氣蝕破壞的新方法。建立了異形閥腔CFD模型，優(yōu)化了閥腔結(jié)構(gòu)，研究了氣蝕轉(zhuǎn)移及削減的方法。結(jié)果表明:二級節(jié)流的抗氣蝕能力強，氣穴主要出現(xiàn)于閥口及節(jié)流口2下游閥腔渦旋的中心。渦旋回流有助于填補流體

7、與閥套壁面分離產(chǎn)生的負壓空間，并擠壓閥口來流，抑制來流與壁面分離，迫使來流附壁流動，抑制閥芯壁面氣穴發(fā)生。此外，高壓引流結(jié)構(gòu)的引入能進一步減緩閥口氣蝕，且引流槽的抗氣蝕性能優(yōu)于引流孔結(jié)構(gòu)。最終，針對閥口夾角分別取15°、30°和45°三種情況，優(yōu)化得到三組最佳的閥腔結(jié)構(gòu)和參數(shù)。
　　4.提出了基于微造型閥芯及異形閥腔的水壓三用閥新結(jié)構(gòu)。研究了沖擊載荷作用下的系統(tǒng)動態(tài)特性，對影響三用閥性能的主要參數(shù)進行了單因素和多因素分析，確定了三

8、用閥組件的結(jié)構(gòu)尺寸與支護系統(tǒng)性能參數(shù)間的響應關(guān)系，并優(yōu)化了最佳的因素與水平組合。結(jié)果表明:閥腔閉死容積（E因子）對支柱的壓力和位移特性無影響，而減小阻尼孔直徑（A因子）、閥口閉合量（B因子）、閥芯等效阻尼（D因子）及增大阻尼腔閉死容積（C因子）均能改善支柱的壓力和位移特性。出現(xiàn)下沉位移較大值和峰值壓力較小值的因子和水平基本一致。因子顯著性由強至若依次為C、A、D和B因子，且一般在A、D因子低水平，C因子高水平時系統(tǒng)動態(tài)性能好，優(yōu)化得到最

9、優(yōu)組合為A1B1C3D1(E)。
　　5.針對閥芯表面的微造型加工，搭建了微造型微鉆電解復合加工平臺，并研究了微造型微鉆電解復合加工工藝。結(jié)果表明:采用鈍化性電解液，增加陰極轉(zhuǎn)速及降低進給速度有助于提高加工精度，提高電解液濃度及電解電壓有助于提高加工效率，但不利于降低雜散腐蝕。加工產(chǎn)生的氣泡形態(tài)及電流穩(wěn)定性與電解精度和效率具有關(guān)聯(lián)性，電流穩(wěn)定，氣泡數(shù)目多、體積小、分布均勻，則加工質(zhì)量好，電解效率高。最終通過對比，選取NaNO3電解