基于液压支架的液控单向阀故障分析与处理.docxVIP

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38 mm和51 mm,前部供液系统流量达到610 L/min,在支架质量达到24 t、截深1 m的条件下单架移架时间成功控制在12 s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320 L/min,使用寿命数万次,国产同类产品流量只有200 L/min,寿命只有6 000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d2d3,结合式(2),F0,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,F0,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