基于液压支架的液控单向阀故障分析与处理

基于液压支架的液控单向阀故障分析与处理

1工业性试验结果分析国家科技创新项目“600万吨全球转移供水设备”在兴庄煤矿3286条支流进行了工业测试。该工作面长度为300多公里，配备了203套zfs6800、18.35和建筑物。支架安装了由德国进口的电液控制系统,主进回液管路采取环行供液和分组供液方式,管路通径分别达到38mm和51mm,前部供液系统流量达到610L/min,在支架质量达到24t、截深1m的条件下单架移架时间成功控制在12s以内,实现了快速移架,而工作面高月产量达到63万t,达到了预期目标。在工业性试验过程中,部分设备出现不同程度的故障,本文主要分析对象是支架的立柱液控单向阀(如图1)在使用过程中存在的问题、处理方法和改进方案。该元件与国产同类产品相比,流量大,达到320L/min,使用寿命数万次,国产同类产品流量只有200L/min,寿命只有6000次。另外,设计中采用了插装式结构,便于井下更换,有利于维护和检修工作,因此,总体上该阀比国产同类产品具有很明显的优越性。但是该产品在中国首次使用却出现了问题,从系统角度分析,已排除了系统其他环节存在问题的可能性,本文注重研究液控单向阀在结构、原理方面存在的不足,提出解决的方案。2单向阀使用过程中存在的一些问题作为立柱液控单向阀,其主要功能是在与系统联结的A1、A2口压力为零时实现立柱下腔(与A口相连)的闭锁,从而平衡工作阻力F,阻止支架顶梁下降,实现支架支护顶板的功能。整个阀的动作过程如下:(1)保压状态——A1、A2口压力为零,液控单向阀处于关闭状态,立柱下腔液体不能排出,支架不能下降。(2)进液及增压过程——A2口供液,单向阀打开,立柱下腔进液,支架升起。(3)卸压及降柱过程——A1口供液,液控口C进液,阀芯在顶杆推动下被强行打开卸压,同时立柱上腔供液,下腔液体排出,支架下降。以上3个过程完成支架的升降操作。在使用过程中,液控单向阀及安全阀存在以下问题:(1)降支架时,液控单向阀产生很大的声响,同时,与闭锁腔相连的安全阀(见图1)开启,这在其它支架的操作中是没有的,是一种异常现象。(2)液控单向阀和安全阀损坏严重,主要损坏零件是液控单向阀顶杆(见图1)、安全阀阀芯和阀口密封圈。3液控单向阀运动机理该液控单向阀卸载瞬时,其动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(图2)压力;d1、d2、d3——对应阀芯和顶杆直径。此时Pc值为液控单向阀开启压力。由于开启瞬间Pb=0,因此公式(1)可以简化为Pad21=Pcd23(2)Ρad12=Ρcd32(2)随Pc增大,式(2)平衡打破,阀芯左移,阀口开启量加大。阀开启后,由于阀芯和阀座之间存在间隙节流,节流行程为L(图2),此时液控单向阀阀芯的受力为F=πPad224−πPcd234(3)F=πΡad224-πΡcd324(3)由于d2<d3,结合式(2),F<0,阀芯快速完成节流行程L,以很快的速度打开阀口(处于图2状态),此时阀芯的受力为F=πPad224+πPb(d23−d22)4−πPcd234(4)F=πΡad224+πΡb(d32-d22)4-πΡcd324(4)很明显,打开阀口后Pb突然增大,F>0,阀芯又迅速往回运动,阀口趋于关闭,关闭后处于式(3)甚至退回关闭状态,如此反复,引起阀芯和顶杆的振动。这种振动可以导致以下2个后果:①阀口突然打开再关闭,液体流速发生急变,导致水锤现象发生;②阀芯和顶杆发生振动,降低元件的使用寿命。理论分析表明,该阀在结构方面存在问题,振动是不可避免的。在井下采煤工作面、试验室测试的结果同样可以说明这个问题。图3～图5表示了在工作面和试验室测试得的该阀卸载时封闭腔压力动态变化(振动)曲线。曲线1:其中Pa为液控单向阀封闭腔压力,P0为安全阀开启压力,Pa接近于P0,开启液控单向阀,图2所示a腔压力Pa出现波动,振幅在15%左右,同时安全阀卸载,伴随卸载出现很大的振动声响。曲线2:液控单向阀封闭腔压力大于Pa小于安全阀开启压力P0,与图3曲线相比,虽然开启单向阀时有振动,但振动峰值未超过安全阀开启压力P0,安全阀没有卸载。曲线3:与曲线所示封闭腔压力相同,卸载同样出现波动,振动呈衰减状态,压力峰值没有超过安全阀开启压力P0,安全阀没有卸载。以上3种试验结果,除液控单向阀封闭腔压力不同之外,开启压力(Pc)也不同,同时也与试验地点有关。表1反映了不同试验条件与该阀各种振动曲线的关系。进一步试验分析。根据公式(2)建立图6所示的液控单向阀开启压力Pc与封闭腔压力Pa关系图,图中阴影部分为液控单向阀开启区,产生曲线3、4所示振动现象的区域为开启区紧靠单向阀开启线部分,其宽度用ΔP表示。理论和试验结果表明,ΔP与工作阻力(如图1中的F)特性以及其它系统环节有关,在实际使用时,由于支架具有很大的弹性变形,顶板随支架下沉等原因,ΔP值较大,这就是为什么工作面供液系统压力很高时出现卸载振动的根本原因。因此,该阀在卸载时必然要出现阀芯的振动,造成对系统及元件本身影响较大的是图3、4所示的情况。理论计算和试验室均能通过提高开启压力(系统压力)消除这2种振动的影响,但在实际使用时如果负载恶劣则很难做到,需要从根本上解决问题。4减少振动的主要途径是通过扩展阀芯密封来减少阀芯振动,从而减轻振动图7是改进后液控单向阀阀芯部分的结构示意图,新结构有4处与原结构不同,因而阀的开启力学模型相应有所变化(由于篇幅限制不细述),改造思路有以下几点:(1)加大阀芯节流长度L,延长阀芯动作从式(3)进入式(4)的时间,使高压液体的卸压时间延长,降低Pa值,从而减小振动。(2)取消原顶杆与阀座之间的间隙,用“O”形圈密封,同时增加2个小孔与B腔连通,在阀芯进入式(4)状态后以PB代替Pb,由于PB<Pb,从而可以消除部分阀芯回复的力,达到减小振动的目的。(3)C口与顶杆腔之间增加了节流。阀芯振动,必然导致顶杆腔C的容积变化,在其与系统接口处增加节流,可以降低容腔变化速度