大流量安全阀动态特性仿真与流场数值模拟_焦黎栋.pdf

1、 大流量安全阀动态特性仿真与流场数值模拟 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

2、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6273ms。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

3、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

4、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

5、矿安全高效地生产都有一定的现实意义。关键词：大流量安全阀，动态特性，流场，数值模拟 SIMULATION ON DYNAMIC CHARACTERISTICS AND FLOW FIELDS OF LARGE FLOW RELIEF VALVE ABSTRACT Hydraulic support is the key equipment of the synthetical mechanized coal mining,the large flow relief valve is the basic component in the hydraulic support system,whic

6、h protects the security of the entire hydraulic support.With the increase of supporting height and working resistance of the hydraulic support,the better properties of relief valve are demanded.How to improve the dynamic characteristics and flow of relief valve has become an important problem for the researchers.According to the working principle and structure characteristics of the large flow relief valve which is produced by famous company,the paper established the power bond graph of relief v