液压支架用安全阀流场仿真分析

张占东，郝毅超

(1.山西大同大学 机电工程学院 机械工程系，山西 大同 037003；2.山西大同大学 煤矿机电技术研究所，山西 大同 037003)

0 引言

液压支架是煤矿生产中支撑采煤工作面顶板以及底板的重要设备，它在保证采煤工作面顶板安全支护、将综采工作面与采空区进行隔离、防止岩石进入回采工作面和推进输送机、保障煤矿工人生命安全方面发挥着重要作用。安全阀是液压支架的重要部件，其作用主要有两个方面：①卸荷作用，当工作面顶板来压时，安全阀要在达到其调定压力时卸荷以保护液压支架不被顶板压坏；②卸荷后的支撑维护，要求安全阀在卸荷之后立刻关闭，并且维持系统压力在调定压力的90%以上[1]。

中国矿业大学的畅军亮在文献[2]中分析了以乳化液为工作介质的液压支架用大流量安全阀的典型工况特性;辽宁工程技术大学的王慧在文献[3]中设计了一种新型安全阀，它具有双极保护功能;西安科技大学的刘子川在文献[4]中采用FLUENT软件对德国进口的某液压支架用安全阀进行了仿真分析。本文介绍用于控制煤矿液压支架立柱下腔压力的FAD200/42JA型安全阀的主要结构与工作原理，针对其工作过程中压力高、流量大的特点，利用FLUENT软件分析其在不同压力入口条件下阀芯附近位置处的最大流速变化规律和在不同速度入口条件下的最大压力变化规律。

1 FAD200/42JA型安全阀的工作原理与流场建模

1.1 FAD200/42JA型安全阀基本结构与工作原理

图1为FAD200/42JA型安全阀结构示意图，其工作过程分为以下4个阶段：①当系统压力较小时，不足以克服弹簧力并推动阀芯8运动，阀芯8上的溢流孔5均未越过密封圈，此时安全阀处于关闭状态；②随着系统压力增大，将使阀芯8克服弹簧力向左运动，当阀芯8上的溢流孔5与导向套6上的密封圈处于同一位置时，密封圈将在液压力的作用下被压入密封槽，此时安全阀处于临界打开状态；③系统压力继续增大，阀芯8继续移动，其上的溢流孔5越过密封圈，此时安全阀开始卸荷，但由于溢流间隙较小，溢流量极低；④阀芯8继续运动，直到溢流孔5全部从导向套伸出，此时安全阀阀芯处于完全打开状态，溢流量达到最大。

1-调压螺钉；2-弹簧；3-阀体；4-阀瓣； 5-溢流孔；6-导向套；7-螺纹接头；8-阀芯

本文根据安全阀的工作过程，分别选取阀芯开度为0.5 mm、0.75 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm的5个位置进行分析，其中开度为2 mm时即为溢流口全开；将入口边界条件分别设置为“压力入口”类型和“速度入口”类型，而出口压力边界条件统一设置为1个大气压，以研究安全阀在不同入口压力条件下和不同入口速度条件下阀芯附近位置的流速、压力变化规律。

1.2 流场计算域建模

本文根据FAD200/42JA型安全阀的三维模型，经布尔运算得出其过液流道模型，如图2所示。

将流道模型导入Workbench中，使用ANSYS的默认网格划分方法划分网格，如图3所示。

仿真分析选择纯水作为液压介质，其密度为998.2 kg/m3，动力黏度为0.001 003 Pa·s，比热容为4 182 J/(kg·K)。

图2 FAD200/42JA型安全阀流道模型剖视图

图3 FAD200/42JA型安全阀流道网格划分效果

2 入口压力对流速的影响研究

本文根据安全阀在工作过程中的实际情况，将入口边界条件设置为“压力入口”类型进行仿真求解，求解器的参数设置如下：①模型求解器类型选择稳态模式；②黏性模型选择双方程模型κ-ε；③其他条件设置为FLUENT的默认值。

2.1 不同开度条件下溢流口流速随压力变化规律

仿真得到的不同开度下溢流口流速随压力变化规律如图4所示。

图4 不同开度下溢流口流速随压力变化规律

由图4可知：在一定开度下，随着入口压力增大，溢流口附近流场区域的最大流速也相应增大，且增幅比较均匀；在0.5 mm开度条件下，溢流口附近的最大流速较开度为0.75 mm～2 mm时明显偏小，主要原因可能是液体流经较小过液截面时能量损失较大。

2.2 不同压力条件下溢流口流速随开度变化规律

仿真得到的不同压力下溢流口流速随开度的变化规律如图5所示，2 mm开度不同入口压力下的流速云图如图6所示。

由图5可知：当入口压力一定时，随着阀芯逐渐打开，溢流口附近区域最大流速呈现快速增大后逐渐平缓，并在开度为1 mm左右达到峰值，随着开度继续增大，溢流口处的流速又有略微减小的趋势，这一点也符合安全阀工作的实际情况。

由图6可知：当液体流经安全阀时，流速的变化主要是由过液截面的改变引起的，流速变化最大的位置出现在溢流口附近，这是由于液体从阀芯中部流向溢流口时，过液截面急剧减小，而流量不变，所以流速显著增大；此外，这个过程中液体流向也发生改变，将导致液体有较大的能量损失；由于阀芯末端及阀体左端都是密封的，故这两个区域虽然都充满了液体，但流速都接近0。

图5 不同压力下溢流口流速随开度变化规律

图6 2 mm开度不同入口压力下的流速云图

3 入口流速对压力的影响研究

将边界条件设置为“速度入口”类型，通过分析可以得出在流量一定的情况下，安全阀内液体的压力变化情况，进而分析安全阀的溢流能力。仿真计算时求解器其余参数设置同压力入口。

3.1 不同开度下流场最大压力随入口速度变化规律

仿真得到的不同开度下流体最大压力随入口速度变化规律如图7所示。

图7 不同开度下流体最大压力随入口速度变化规律

由图7可以看出：当阀芯开度一定时，溢流口附近的最大压力随入口速度的增大而增大，并且随着入口流速增大即流量增大时，压力变化幅度也逐渐增大，由于安全阀公称流量的限制，当入口流速过大时，会导致安全阀工作不稳定。

3.2 不同流速下流场最大压力随开度变化规律

仿真得到的不同入口流速下最大压力随开度变化规律如图8所示，2 mm开度不同入口流速下的压力云图如图9所示。

由图8可知：当液体的入口流速一定即流量一定时，阀芯开度与溢流口附近最大压力呈负相关，开度越大压力越小；在流速一定时，压力变化非常大。

由图9可知：阀芯末端内液体的压力较大，因为这个区域内的液体流速为0，动能全部转化为压力能，所以静压较大；溢流口的右侧易出现负压区，且入口流速越大，产生的负压越高；当负压区的压力低于该温度条件下的饱和蒸气压时，就会出现气穴现象，应该尽量避免此现象发生。

图8 不同入口速度下流体最大压力随开度变化规律

4 结语

本文介绍了煤矿液压支架下腔用FAD200/42JA型安全阀的基本结构与工作原理，并利用FLUENT软件分析了安全阀内流场速度与压力的变化规律。由仿真结果可知：溢流口附近由于过流断面较小，导致流速最大，压降显著，且易出现气穴现象。故在今后安全阀的结构优化中对溢流口的流速应重点关注。

图9 2 mm开度不同入口流速下的压力云图

参考文献：

[1] 李宝金.安全阀流场仿真与动态特性分析[D].太原:太原理工大学，2012:5-10.

[2] 畅军亮.高压大流量安全阀设计及实验系统研究[D].徐州：中国矿业大学，2015：13-25.

[3] 王慧.基于FLUENT的液压支架双极保护安全阀仿真分析[J].煤矿机械,2009(12):32-34.

[4] 刘子川.安全阀的动态特性仿真及流场分析[D].西安：西安科技大学,2013：10-36.