三伸缩立柱底阀的设计

(郑州煤矿机械集团股份有限公司， 河南 郑州 450016)

引言

目前国内液压支架立柱有的三种形式：单伸缩、单伸缩机械加长、双伸缩。其中双伸缩立柱伸缩比最大，可以满足多数煤矿的需求。但少数地区煤层赋存厚度频繁变化，特别是采区有断层需要穿过，都需要支架能够降得更低。这时需要工作面内液压支架的支护高度范围非常大，而支架的支护高度是由立柱的调高范围决定的，而目前使用广泛的双伸缩立柱已不能完全满足使用要求，因此需要研发伸缩比更大的三伸缩立柱，以满足市场的需要。而三伸缩立柱的缸径与活柱的面积比更大，这就需要底阀的承压能力必须要有突破性的提高，才能满足三伸缩立柱的使用要求。因此建立了三伸缩立柱底阀研发项目，研发承压能力更强、可靠性更高的底阀以满足市场的需求。

1 设计参数的确定

依据三伸缩立柱各级缸缸径为360/280/200，作为参照设计三伸缩立柱底阀，三伸缩立柱的一级缸最高工作压力为45 MPa，对应的二级缸压力为74.4 MPa，三级缸压力为145.8 MPa。这时三伸缩立柱底阀的最大压差为71.4 MPa，因此设计时确定其密封压力确定为80 MPa，根据立柱试验标准，底阀最大密封试验压力为120 MPa，因三级缸在采煤过程中时动作较少，所以对流量的要求不高，根据以往设计经验，确定该底阀在压差为15 MPa时，流量大于200 L/min，就能够满足支架升柱的速度要求。

2 底阀结构设计

由于该底阀的最大密封试验压力高120 MPa，所以密封副采用聚甲醛或PEEK等材料已不能满足设计要求，因此该底阀密封结构采用钢对钢的硬密封结构。底阀的结构如图1所示。

图1 底阀结构图

该底阀的关键技术是形成密封副的两个锥面的锥角有一定的角度差， 这样能保证密封压力低时密封副的密封形式为线密封，以保证低压密封性能，当密封压力升高时，由于钢材有一定的弹性变形能力，密封副的密封形式会随着密封压力的升高由线密封变为面密封，即密封副的接触有一定的宽度。随着密封压力的升高，密封副的接触面积越来也大，这样的密封结构使密封压力和密封副的接触强度做到了完整的统一。

该底阀正常工作时，阀芯会在液压力和弹簧力的作用下左右运动，阀芯的运动以调压丝堵的中心孔为导向，因为该底阀的密封结构钢对钢的硬密封，因此对调压丝堵、阀体、阀芯3个零件的同轴度要求极高，如果这3个零件中任何1个的同轴度达不到要求，该底阀的密封性能就不能保证，甚至无法起到密封作用。调压丝堵和阀体的配合公差以及调压丝堵和阀芯的配合公差必须足够小，否则底阀在关闭的时候，阀芯有少许倾斜，该底阀的密封性能就会受到很大的影响。

由于阀体和阀芯形成密封副的两个锥面的角度不同，在密封压力低时，密封副的接触形式为线接触，理论上接触面积为无穷小，随着密封压力的升高，阀体和阀芯接触处会有微小的变形，密封副的接触面积仍然很小。通过以上分析，阀体和阀芯接触处是该底阀受力的最薄弱点，应对此处进行强度分析，确定底阀结构强度是否满足要求。

3 底阀结构强度的有限元分析与计算

首先要简化分析模型，因为有限元分析是一个近似求解的计算过程，模型越复杂，分析的可靠性、可行性以及计算效率就会越低。

1) 简化底阀的强度分析模型(见图2)

2) 参数设置

阀体、阀杆材料：3Cr13

底阀右端的封闭压力：120 MPa

阀芯所受的弹簧力：900 N

3) 仿真分析结果

从图3可以得出：底阀的最大压应力为525.84 MPa。

图2 简化后的底阀强度分析模型

图3 应力云图

4) 仿真结果分析计算与结论

已知：阀体、阀杆的材料为3Cr13，其力学性能如下：

抗拉强度σb：淬火回火≥735 MPa

条件屈服强度σ0.2：淬火回火≥540 MPa

从《机械设计手册》查得[σ]为许用应力，[σ]=σ0.2/n；安全系数n=1.2～2.2，现安全系数n取2；则[σ]=σ0.2/n=540/2=270 MPa；挤压应力[σjy]=njy[σ]，njy=1.5～2.5；现njy取2；则[σjy]=njy[σ]=2×270 MPa=540 MPa。

从图3得出阀体上密封处的挤压应力最大值为525.84 MPa，小于540 MPa，故在安全系数为2时，结构强度满足设计要求。

4 底阀压力-流量的仿真分析

1) 用AMESim搭建底阀模型(见图4)

图4 底阀的AMESim仿真模型

2) 参数设置

入口压力在0～10 s内匀速由0～30 MPa，弹簧刚度为800 N/mm，弹簧预压紧力为900 N。

3) 仿真结果

从图5得出：底阀在压差15 MPa时，流量为227.588 L/min，满足设计要求。

图5 底阀压力-流量曲线

5 试验

该底阀的样机实物照片如图6所示。在我公司自行研制的大流量综合试验台上对该底阀进行流量特性测试。底阀流量特性试验结果见表1。

图6 底阀

底阀型号FDLX底阀编号20140220002试验压力/MPa15额定压力/MPa80测试流量/L·min-1213．41检测日期2014-01-20

(1) 密封性能试验：分别向底阀封闭腔打1 MPa和120 MPa的压力，保压分别保压3 min，无泄漏，保压性能良好，密封性能满足要求。

(2) 流量特性试验：试验台溢流阀的调定压力为15 MPa时得到如图7所示的测试结果。

图7 试验压力为15 MPa时的试验结果

此时通过底阀的流量213.41 L/min；满足设计要求，试验结果与仿真分析结果差别不大，也验证了仿真分析的准确性。

6 结论

根据试验结果得出：该底阀能够满足设计要求。该底阀的研发成功为高水基超高压液压阀的研发提供了借鉴。它对我国大伸缩比液压支架的研发提供了强有力的支持，具有广阔的市场前景。

参考文献：

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