基于微造型閥芯及異形閥腔的煤礦水壓三用閥研究

基于微造型芯及異形閥的煤礦水壓用閥研究傳統(tǒng)單體液壓支柱及其三用閥以乳化液為工作介質(zhì)嚴(yán)重污染地下水資源,且乳化液易變質(zhì),影響工人工作環(huán)境和身心健康外配置乳化液還需消耗大量化學(xué)合成劑及勞動(dòng)力,使用成本高著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)及生產(chǎn)安全的日益重視,各國都制定相關(guān)法律法規(guī),鼓勵(lì)煤礦支護(hù)裝備向安全、環(huán)保的方向發(fā)展。水具有安全環(huán)保、價(jià)格低廉、來源廣泛等優(yōu)點(diǎn),水液壓技術(shù)在煤礦領(lǐng)域的普及應(yīng)用是煤礦支護(hù)裝備發(fā)展的重要方向之一。同時(shí)三用閥是單體液壓支柱水壓化的核心部件其潤滑、磨損、氣蝕等關(guān)鍵問題,也是其它煤礦液壓設(shè)備水壓化面臨的共性問題。論文以單體支柱的核心元件水壓三用閥為研究載體,設(shè)計(jì)了一種基于微造型閥芯及異形閥腔的水壓三用閥新結(jié)構(gòu),使用水替代乳化液為工作介質(zhì)。重點(diǎn)研究了改善水壓三用閥的潤滑、磨損及氣蝕等關(guān)鍵問題的方法和途徑究成果可為水壓三用閥的實(shí)用化奠定理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。論文的主要研究工作及結(jié)論如下1.提出了微造型閥芯新結(jié)構(gòu),以改善水壓三用閥閥芯的潤滑及磨損特性立了復(fù)雜工況下微造型閥芯導(dǎo)向段和密封段的動(dòng)壓潤滑模型,研究了閥芯微造型區(qū)域恒定條件及閥芯密封區(qū)域不確定條件下的微造型閥芯動(dòng)壓潤滑和減磨機(jī)理果表明:(1)合適的微造型閥芯能產(chǎn)生良好的動(dòng)壓潤滑效果,微造型區(qū)域的閥芯表面壓力大于閥套表面的壓力壁面間壓力分布不均勻(2)閥芯微造型的徑寬比應(yīng)取較小值,而深厚比D在低雷諾數(shù)或＞的情況下應(yīng)取較小值,在徑寬B=0.2及高雷諾數(shù)的情況下應(yīng)取較大值最佳值在D=1.4附近,且雷諾數(shù)越高,則慣性承載和空化承載效應(yīng)越強(qiáng)。(3)除三角形外,各形貌均能夠產(chǎn)生動(dòng)壓效果,且球冠形具有較小的剪切摩擦力和泄漏量線楔形可增大核心區(qū)壓力,夾角形將導(dǎo)致核心區(qū)收縮直角楔過渡有助于增大核心區(qū)的最大正壓和最大負(fù)壓,且在相同面積率下增大正負(fù)壓影響區(qū)面積比有助增加動(dòng)壓承載力。(4)閥芯密封區(qū)域不確定條件下的潤滑機(jī)理研究表明,疊合量大于2.5mm時(shí)隨疊合量減小,閥芯表面的總承載力增加,剪切摩擦力基本不變,閥芯表面綜合摩擦作用減弱。2.開展了水介質(zhì)環(huán)境及干摩擦工況下微造型摩擦副的摩擦和磨損試驗(yàn),驗(yàn)證了理論分析的可靠性。結(jié)果表明:摩擦系數(shù)隨載荷減小呈增大趨勢(shì)且微造型有助于摩擦副在較低

轉(zhuǎn)速下進(jìn)入流體潤滑區(qū),擴(kuò)大了流體潤滑范圍。進(jìn)一步研究表明合理的微造型結(jié)構(gòu)才具有減磨效果,摩擦系數(shù)隨微造型直徑及面積率的增大先減后增,隨微造型深度的增大漸增大,最佳的微造型直徑、深度及面積率分別為300μm、40μm和10%,且摩擦系數(shù)與磨損質(zhì)量正相關(guān)磨時(shí)光滑下試環(huán)產(chǎn)生嚴(yán)重黏著和磨粒磨損,而微造型試片僅發(fā)生磨粒磨損,且磨損狀況明顯好轉(zhuǎn)磨痕來看微造型試片的磨痕相對(duì)于光滑試片尺寸小,深度淺,分布區(qū)域性強(qiáng)微坑間圓周方向上磨痕少,進(jìn)一步證明微造型具有減磨的重要功能。3.提出了通過異形閥腔改善氣蝕破壞的新方法。建立了異形閥腔模型,優(yōu)化了閥腔結(jié)構(gòu),研究了氣蝕轉(zhuǎn)移及削減的方法果表明二級(jí)節(jié)流的抗氣蝕能力強(qiáng),氣穴主要出現(xiàn)于閥口及節(jié)流口2下游閥腔渦旋的中心。渦旋回流有助于填補(bǔ)流體與閥套壁面分離產(chǎn)生的負(fù)壓空間,并擠壓閥口來流抑制來流與壁面分離,迫使來流附壁流動(dòng),抑制閥芯壁面氣穴發(fā)生。此外,高壓引流結(jié)構(gòu)的引入能進(jìn)一步減緩閥口氣蝕且引流槽的抗氣蝕性能優(yōu)于引流孔結(jié)構(gòu)。最終,針對(duì)閥口夾角分別取°、30°和45°三種情況,優(yōu)化得到三組最佳的閥腔結(jié)構(gòu)和參數(shù)提出了基于微造型閥芯及異形閥腔的水壓三用閥新結(jié)構(gòu)。研究了沖擊載荷作用下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性對(duì)影響三用閥性能的主要參數(shù)進(jìn)行了單因素和多因素分析,確定了三用閥組件的結(jié)構(gòu)尺寸與支護(hù)系統(tǒng)性能參數(shù)間的響應(yīng)關(guān)系,并優(yōu)化了最佳的因素與水平組合。結(jié)果表明:閥腔閉死容積(E因子)對(duì)支柱的壓力和位移特性無影響,而減小阻尼孔直徑(A因子)、閥口閉合量(B因子)、閥芯等效阻尼(D因子)及增大阻尼腔閉死容積(C因子)均能改善支柱的壓力和位移特性出現(xiàn)下沉位移較大值和峰值壓力較小值的因子和水平基本一致。因子顯著性由強(qiáng)至若依次為C、A、D和B因子,且一般在AD子低水平,C因子高水平時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能好,優(yōu)化得到最優(yōu)組合為A1B1C3D1(E)。5.針對(duì)閥芯表面的微造型加工搭建了微造型微鉆電解復(fù)合加工平臺(tái),并研究了微造型微鉆電解復(fù)合加工工藝。結(jié)果表明:采用鈍化性電解液增加陰極轉(zhuǎn)速及降低進(jìn)給速度有助于提高加工精度,提高電解液濃度及電解電壓有助于提高加工效率但不利于降低雜散腐蝕工產(chǎn)生的氣泡形態(tài)及電流穩(wěn)定性與電解精度和效率具有關(guān)聯(lián)性,電流穩(wěn)定,氣泡數(shù)目多、體積小、分布均勻,則加工質(zhì)量好電解效率高。最終通過對(duì)比,選

NaNO