矿用液压支架纯水安全阀使用性能的研究

周永超

（山西焦煤西山煤电集团有限公司屯兰矿， 山西 古交 030206）

引言

纯水安全阀是保障液压支架正常工作的关键部件之一。由于井下环境的恶劣性，加上纯水安全阀中流体杂质较多，导致其在运行过程中经常出现侵蚀、泄露、磨损等故障现象，严重影响着液压支架的正常工作和井下作业安全。因此，有必要对其运行过程中的动态特性进行研究。

1 纯水安全阀的结构特性

纯水安全阀主要由阀芯、阀座、弹簧、密封圈、阀壳、防尘冒等零件组成，其结构组成如图1所示。在工作过程中，当外界产生较大压力时，安全阀可通过调整压力至适当值，以保护液压支架不被顶板压坏，其中，要求安全阀的流量要与立柱及顶板压力相匹配，并在液压支架工作过程中，将安全阀保持开启状态，而安全阀过大或过小的公称流量，均可能导致液压支架工作时出现压坏现象。同时，当液压支架卸载后，可通过关闭安全阀，并将阀内压力保持在85%以上，较好地对液压支架进行保护。因此，选用合适的安全阀，并保证其工作时的正常性能，对保证液压支架的正常工作及进行作业安全至关重要[1-3]。

2 纯水安全阀使用过程中存在的问题

2.1 拉丝侵蚀、泄漏

由于水与润滑油相比水具有更低的黏度，当安全阀工作过程中，阀内水在高速运动时将在离心力作用下甩出去，产生较大的冲击力，较大的冲击力作用在安全阀接触表面并形成凹槽，长时间的冲击作用，最终使安全阀出现了拉丝侵蚀现象，这将导致安全阀的表面精度降低和摩擦力明显增加。同时，煤层中的颗粒在水中进行高速流动时，会加大对安全阀表面的摩擦磨损。另外，随着安全阀表面精度的降低，加上表面受到长时间的侵蚀，纯水随高速运动而从缝隙出流出，使安全阀出现了泄露现象。

图1 液压支架纯水安全阀结构组成图（单位：mm）

2.2 磨损

由于安全阀中无润滑油作用，而主要靠纯水进行润滑，导致安全阀内较难形成较好的润滑膜，降低了安全阀的润滑效果，使安全阀运动过程中产生了干摩擦现象。同时，纯水在安全阀表面形成的润滑膜相对较薄，随着纯水的流动，使水的温度逐渐升高，也导致润滑膜的润滑效果大大降低[4]。另外，水中夹杂的煤层颗粒随纯水的一起流动，不仅导致安全阀表面出现了较大程度的侵蚀，也使安全阀出现了较严重的磨损现象，导致安全阀的使用寿命严重降低，影响了安全阀的使用安全。

3 纯水安全阀模型的建立

3.1 三维模型的建立

结合安全阀的结构组成特点，采用PROE软件，建立了包含阀芯、阀座、弹簧、密封圈、阀壳、防尘冒等部件组成的三维模型。为了使安全阀的分析结果与实际工作情况相吻合，将安全阀上的非关键部件、非关键倒角、圆角及其他特征进行了模型简化，仅保留了安全阀上的关键零部件，由此，建立了纯水安全阀的三维模型，如下页图2所示。

3.2 仿真模型的建立

安全阀实际使用时，由于经常与水进行接触，要求其结构具有较好的防腐性能，故主要采用了不锈钢材料。因此，采用ANSYS仿真分析软件，将安全阀阀体材料设置为了不锈钢材料，阀芯、阀座采用具有一定耐腐蚀的工程陶瓷材料。同时，结合安全阀的结构特点，对安全阀进行了网格划分，主要采用四面体网格，网格大小设置为4 mm，并对安全阀中关键位置进行了加密处理[5]。最终，通过对安全阀进行边界条件设置和载荷施加，完成了安全阀的仿真模型建立，其仿真模型如图3所示。

图2 纯水安全阀室三维模型图

图3 纯水安全阀仿真模型图

4 纯水安全阀仿真结果的分析

4.1 安全阀阀芯处静压变化的分析

图4为安全阀阀芯处的静压变化图。由图4可知，阀芯孔进口端的工作压力相对较高，且均匀分布在阀芯进口端方向，在阀芯中间台阶处，由于台阶的作用，在此处产生了较小的回流现象，导致此处的工作压力有所降低，同时，从进口沿着阀芯出口方向，工作压力整体呈现减小趋势，而在阀芯出口处，工作压力降低至大气压力以下，并分布在出口的左右两侧，产生了低负压，而出口尾部的工作压力则相对更高。由此，随着安全阀的长时间工作，在其出口处将极可能出现气蚀、侵蚀现象，影响着液压支架的正常运行。

4.2 安全阀阀芯处速度矢量变化的分析

图5为液压支架安全阀阀芯处速度矢量变化图。由图5可知，在安全阀进口方向，阀内流体的速度相对较低，整体呈均布流动状态，在阀芯台阶处，由于阀芯端面尺寸的减小，阀内流体的速度出现逐渐增大变化，并沿阀芯出口方向呈均匀流动，在此阶段，阀芯中心的速度相对较大，而阀芯管壁处的流速则相对更低；当流体到达出口时，阀内流体速度达到最大，分布在出口的左右两端，且形成了强度较弱的两个对称漩涡，而正是漩涡的作用，消耗了阀内主流的能量和压力，对此处的阀芯造成了一定的影响。

图4 安全阀阀芯处静压云图

图5 安全阀阀芯处速度矢量变化图

安全阀在运行过程中，其阀内的工作压力及流体运行速度均发生了不均匀的变化，当流体到达安全阀出口时，其工作压力和流动速度大大增加，当安全阀长期在此状态下进行工作时，将会对其造成一定影响。而若将阀体的出口由垂直方式改为斜口，虽可降低出口的压力及流体速度，但极易将密封圈向外推并致使其推出至斜口内，增加了密封圈的磨损，严重时也将引起安全阀的堵塞或其他运行故障。因此，为更好地延长纯水安全阀的使用寿命，可对安全阀内的流体进行净化，保证流体内具有较少杂质，同时，定期对安全阀的润滑性进行检查、维护及保养，将流体的流动速度控制在合理范围内。由此，可降低液压支架安全阀在使用过程中的故障率，提高其综合性能和使用安全。