大流量安全阀动态特性仿真与流场数值模拟

论文摘要

液压支架是综合机械化采煤的关键设备,而大流量安全阀是液压支架系统中的重要基础元件,它保护着整个液压支架的安全。随着液压支架支撑高度和工作阻力不断增加,对安全阀的要求越来越高,如何使安全阀具有良好的动态特性、提高安全阀流量己成为广大设计者重点研究的问题。论文以某著名公司生产的大流量安全阀为研究对象,根据其工作原理和结构特点,建立了安全阀实际工作系统的功率键合图,推导出系统的状态方程。根据状态方程,用Matlab/Simulink软件建立了安全阀卸载过程的仿真模型。通过仿真得到了阀口的压力和流量曲线以及阀芯的位移和速度曲线,仿真结果显示该安全阀流量为1508L/min,开启压力为44.38MPa,关闭压力为39.31MPa,安全阀的动态压力超调率为6.51%,峰值时间为10.9ms,压力回升时间为62～73ms。另外利用该模型分析了安全阀关键结构参数（如搭合量、调定压力、弹簧刚度、溢流孔形状等）的变化对系统动态性能产生的影响,仿真结果表明减小搭合量、阀芯和弹簧的质量,增加安全阀调定压力、溢流孔面积和弹簧刚度可以减小系统的超调量;减小阀口滤网液阻会减小系统的超调量,但是会使阀的稳定性变差;溢流孔形状为圆形时,阀的动态性能最好;适当增加阀芯上密封圈与阀套之间的库仑摩擦阻力和阀芯内部液容可以抑止阀芯振荡,提高阀的稳定性。根据安全阀的实际结构和参数,利用三维建模软件Proe,结合计算数学模型的可行性,建立了安全阀流道的三维几何模型。在Fluent软件中对开口量为8.3mm流道模型的流场进行了稳态数值模拟,仿真结果表明系统压降主要发生在四排溢流孔的地方,节流口附近速度值最大,其值达到了290m/s,在过流面积突变处和阀套直角捌角处产生了较大的漩涡。另外对不同开口度和不同压差条件下的流场进行模拟,仿真结果表明在阀开口度（8.3mm）一定的条件下,压差为48Mpa时,节流口附近的最大速度在285至300m/s之间,最小压强在-0.105至-0.091Mpa之间;压差为45Mpa时,节流口附近的最大速度在276至290m/s之间,最小压强在-0.08至-0.07Mpa之间。由此可知压差越大,节流口处的速度越大,最低压强越小,越容易发生气蚀,阀套拐角处的漩涡越大,能量损失越大。压差（45Mpa）一定时,开口度为7.1mm时,阀套拐角处压强的最小值在-0.0995至-0.0923Mpa之间;开口度为8.3mm时,阀套拐角处压强的最小值在-0.068至-0.037Mpa之间。由此可知随着阀开口度的增大,阀套拐角处压强的最小值在增大,产生气穴可能性在减小,阀套拐角附近的漩涡也在减小,能量损失也随之减小。论文进行的研究工作为安全阀的结构设计和优化提供了参考依据,对保证液压支架系统可靠地工作,保证煤矿安全高效地生产都有一定的现实意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 液压支架在现代化综采技术中的应用
• 1.1.1 国内外综采技术的发展趋势
• 1.1.2 液压支架在综采技术的作用及发展状况
• 1.2 大流量安全阀的结构组成、作用和存在的问题
• 1.2.1 安全阀的结构组成
• 1.2.2 安全阀的作用与重要性
• 1.2.3 安全阀存在的问题
• 1.3 国内外安全阀研究动态
• 1.4 本课题的研究内容、目的和意义
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究的目的和意义
• 第二章 立柱大流量安全阀工作系统的数学模型
• 2.1 安全阀工况分析
• 2.2 建立系统数学模型的方法
• 2.2.1 功率键合图的构成和符号
• 2.2.2 功率键合图的绘制
• 2.2.3 由功率键合图导出状态方程
• 2.3 建立大流量安全阀工作回路的数学模型
• 2.3.1 所研究的系统及其动态过程
• 2.3.2 系统建模时需要考虑的因素
• 2.3.3 系统功率流程分析
• 2.3.4 系统功率键合图的绘制
• 2.3.5 系统状态方程的建立
• 第三章 SIMULINK 下系统仿真及结果分析
• 3.1 大流量安全阀动态特性仿真
• 3.1.1 建立大流量安全阀工作回路的仿真模型
• 3.1.2 确定状态变量的初值
• 3.1.3 确定各参量的值
• 3.1.4 确定约束条件
• 3.1.5 仿真参数的设置
• 3.1.6 仿真结果的分析
• 3.2 安全阀主要结构参数对动态性能的影响分析
• 3.2.1 搭合量的影响
• 3.2.2 安全阀调定压力的影响
• 3.2.3 顶板下沉速度的影响
• 3.2.4 阀口滤网的影响
• 3.2.5 弹簧刚度的影响
• 3.2.6 阀芯和弹簧质量的影响
• 3.2.7 溢流孔形状的影响
• 3.2.8 其它量的影响
• 第四章 大流量安全阀三维流场数值模拟
• 4.1 大流量安全阀的流道几何模型
• 4.2 网格划分和边界条件设定
• 4.2.1 GAMBIT 划分网格
• 4.2.2 边界条件设定
• 4.3 三维流场的仿真及结果分析
• 4.4 不同条件下的流场的比较
• 4.4.1 相同开口度，不同边界条件的流场比较
• 4.4.2 不同开口度，相同边界条件的流场比较
• 第五章 结论及展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录