基于液壓支架的液控單向閥故障分析與處理

基于液壓支架的液控單向閥故障分析與處理

1工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果分析國(guó)家科技創(chuàng)新項(xiàng)目“600萬(wàn)噸全球轉(zhuǎn)移供水設(shè)備”在興莊煤礦3286條支流進(jìn)行了工業(yè)測(cè)試。該工作面長(zhǎng)度為300多公里，配備了203套zfs6800、18.35和建筑物。支架安裝了由德國(guó)進(jìn)口的電液控制系統(tǒng),主進(jìn)回液管路采取環(huán)行供液和分組供液方式,管路通徑分別達(dá)到38mm和51mm,前部供液系統(tǒng)流量達(dá)到610L/min,在支架質(zhì)量達(dá)到24t、截深1m的條件下單架移架時(shí)間成功控制在12s以?xún)?nèi),實(shí)現(xiàn)了快速移架,而工作面高月產(chǎn)量達(dá)到63萬(wàn)t,達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。在工業(yè)性試驗(yàn)過(guò)程中,部分設(shè)備出現(xiàn)不同程度的故障,本文主要分析對(duì)象是支架的立柱液控單向閥(如圖1)在使用過(guò)程中存在的問(wèn)題、處理方法和改進(jìn)方案。該元件與國(guó)產(chǎn)同類(lèi)產(chǎn)品相比,流量大,達(dá)到320L/min,使用壽命數(shù)萬(wàn)次,國(guó)產(chǎn)同類(lèi)產(chǎn)品流量只有200L/min,壽命只有6000次。另外,設(shè)計(jì)中采用了插裝式結(jié)構(gòu),便于井下更換,有利于維護(hù)和檢修工作,因此,總體上該閥比國(guó)產(chǎn)同類(lèi)產(chǎn)品具有很明顯的優(yōu)越性。但是該產(chǎn)品在中國(guó)首次使用卻出現(xiàn)了問(wèn)題,從系統(tǒng)角度分析,已排除了系統(tǒng)其他環(huán)節(jié)存在問(wèn)題的可能性,本文注重研究液控單向閥在結(jié)構(gòu)、原理方面存在的不足,提出解決的方案。2單向閥使用過(guò)程中存在的一些問(wèn)題作為立柱液控單向閥,其主要功能是在與系統(tǒng)聯(lián)結(jié)的A1、A2口壓力為零時(shí)實(shí)現(xiàn)立柱下腔(與A口相連)的閉鎖,從而平衡工作阻力F,阻止支架頂梁下降,實(shí)現(xiàn)支架支護(hù)頂板的功能。整個(gè)閥的動(dòng)作過(guò)程如下:(1)保壓狀態(tài)——A1、A2口壓力為零,液控單向閥處于關(guān)閉狀態(tài),立柱下腔液體不能排出,支架不能下降。(2)進(jìn)液及增壓過(guò)程——A2口供液,單向閥打開(kāi),立柱下腔進(jìn)液,支架升起。(3)卸壓及降柱過(guò)程——A1口供液,液控口C進(jìn)液,閥芯在頂桿推動(dòng)下被強(qiáng)行打開(kāi)卸壓,同時(shí)立柱上腔供液,下腔液體排出,支架下降。以上3個(gè)過(guò)程完成支架的升降操作。在使用過(guò)程中,液控單向閥及安全閥存在以下問(wèn)題:(1)降支架時(shí),液控單向閥產(chǎn)生很大的聲響,同時(shí),與閉鎖腔相連的安全閥(見(jiàn)圖1)開(kāi)啟,這在其它支架的操作中是沒(méi)有的,是一種異?，F(xiàn)象。(2)液控單向閥和安全閥損壞嚴(yán)重,主要損壞零件是液控單向閥頂桿(見(jiàn)圖1)、安全閥閥芯和閥口密封圈。3液控單向閥運(yùn)動(dòng)機(jī)理該液控單向閥卸載瞬時(shí),其動(dòng)作可以用以下力平衡方程表示πPad214+πPb(d23?d22)4=πPcd234(1)πΡad124+πΡb(d32-d22)4=πΡcd324(1)式中Pa、Pb、Pc——a、b、c腔(圖2)壓力;d1、d2、d3——對(duì)應(yīng)閥芯和頂桿直徑。此時(shí)Pc值為液控單向閥開(kāi)啟壓力。由于開(kāi)啟瞬間Pb=0,因此公式(1)可以簡(jiǎn)化為Pad21=Pcd23(2)Ρad12=Ρcd32(2)隨Pc增大,式(2)平衡打破,閥芯左移,閥口開(kāi)啟量加大。閥開(kāi)啟后,由于閥芯和閥座之間存在間隙節(jié)流,節(jié)流行程為L(zhǎng)(圖2),此時(shí)液控單向閥閥芯的受力為F=πPad224?πPcd234(3)F=πΡad224-πΡcd324(3)由于d2<d3,結(jié)合式(2),F<0,閥芯快速完成節(jié)流行程L,以很快的速度打開(kāi)閥口(處于圖2狀態(tài)),此時(shí)閥芯的受力為F=πPad224+πPb(d23?d22)4?πPcd234(4)F=πΡad224+πΡb(d32-d22)4-πΡcd324(4)很明顯,打開(kāi)閥口后Pb突然增大,F>0,閥芯又迅速往回運(yùn)動(dòng),閥口趨于關(guān)閉,關(guān)閉后處于式(3)甚至退回關(guān)閉狀態(tài),如此反復(fù),引起閥芯和頂桿的振動(dòng)。這種振動(dòng)可以導(dǎo)致以下2個(gè)后果:①閥口突然打開(kāi)再關(guān)閉,液體流速發(fā)生急變,導(dǎo)致水錘現(xiàn)象發(fā)生;②閥芯和頂桿發(fā)生振動(dòng),降低元件的使用壽命。理論分析表明,該閥在結(jié)構(gòu)方面存在問(wèn)題,振動(dòng)是不可避免的。在井下采煤工作面、試驗(yàn)室測(cè)試的結(jié)果同樣可以說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。圖3～圖5表示了在工作面和試驗(yàn)室測(cè)試得的該閥卸載時(shí)封閉腔壓力動(dòng)態(tài)變化(振動(dòng))曲線(xiàn)。曲線(xiàn)1:其中Pa為液控單向閥封閉腔壓力,P0為安全閥開(kāi)啟壓力,Pa接近于P0,開(kāi)啟液控單向閥,圖2所示a腔壓力Pa出現(xiàn)波動(dòng),振幅在15%左右,同時(shí)安全閥卸載,伴隨卸載出現(xiàn)很大的振動(dòng)聲響。曲線(xiàn)2:液控單向閥封閉腔壓力大于Pa小于安全閥開(kāi)啟壓力P0,與圖3曲線(xiàn)相比,雖然開(kāi)啟單向閥時(shí)有振動(dòng),但振動(dòng)峰值未超過(guò)安全閥開(kāi)啟壓力P0,安全閥沒(méi)有卸載。曲線(xiàn)3:與曲線(xiàn)所示封閉腔壓力相同,卸載同樣出現(xiàn)波動(dòng),振動(dòng)呈衰減狀態(tài),壓力峰值沒(méi)有超過(guò)安全閥開(kāi)啟壓力P0,安全閥沒(méi)有卸載。以上3種試驗(yàn)結(jié)果,除液控單向閥封閉腔壓力不同之外,開(kāi)啟壓力(Pc)也不同,同時(shí)也與試驗(yàn)地點(diǎn)有關(guān)。表1反映了不同試驗(yàn)條件與該閥各種振動(dòng)曲線(xiàn)的關(guān)系。進(jìn)一步試驗(yàn)分析。根據(jù)公式(2)建立圖6所示的液控單向閥開(kāi)啟壓力Pc與封閉腔壓力Pa關(guān)系圖,圖中陰影部分為液控單向閥開(kāi)啟區(qū),產(chǎn)生曲線(xiàn)3、4所示振動(dòng)現(xiàn)象的區(qū)域?yàn)殚_(kāi)啟區(qū)緊靠單向閥開(kāi)啟線(xiàn)部分,其寬度用ΔP表示。理論和試驗(yàn)結(jié)果表明,ΔP與工作阻力(如圖1中的F)特性以及其它系統(tǒng)環(huán)節(jié)有關(guān),在實(shí)際使用時(shí),由于支架具有很大的彈性變形,頂板隨支架下沉等原因,ΔP值較大,這就是為什么工作面供液系統(tǒng)壓力很高時(shí)出現(xiàn)卸載振動(dòng)的根本原因。因此,該閥在卸載時(shí)必然要出現(xiàn)閥芯的振動(dòng),造成對(duì)系統(tǒng)及元件本身影響較大的是圖3、4所示的情況。理論計(jì)算和試驗(yàn)室均能通過(guò)提高開(kāi)啟壓力(系統(tǒng)壓力)消除這2種振動(dòng)的影響,但在實(shí)際使用時(shí)如果負(fù)載惡劣則很難做到,需要從根本上解決問(wèn)題。4減少振動(dòng)的主要途徑是通過(guò)擴(kuò)展閥芯密封來(lái)減少閥芯振動(dòng),從而減輕振動(dòng)圖7是改進(jìn)后液控單向閥閥芯部分的結(jié)構(gòu)示意圖,新結(jié)構(gòu)有4處與原結(jié)構(gòu)不同,因而閥的開(kāi)啟力學(xué)模型相應(yīng)有所變化(由于篇幅限制不細(xì)述),改造思路有以下幾點(diǎn):(1)加大閥芯節(jié)流長(zhǎng)度L,延長(zhǎng)閥芯動(dòng)作從式(3)進(jìn)入式(4)的時(shí)間,使高壓液體的卸壓時(shí)間延長(zhǎng),降低Pa值,從而減小振動(dòng)。(2)取消原頂桿與閥座之間的間隙,用“O”形圈密封,同時(shí)增加2個(gè)小孔與B腔連通,在閥芯進(jìn)入式(4)狀態(tài)后以PB代替Pb,由于PB<Pb,從而可以消除部分閥芯回復(fù)的力,達(dá)到減小振動(dòng)的目的。(3)C口與頂桿腔之間增加了節(jié)流。閥芯振動(dòng),必然導(dǎo)致頂桿腔C的容積變化,在其與系統(tǒng)接口處增加節(jié)流,可以降低容腔變化速度