第一作者简介：祝坚（-），男，北京人，高级工程师，本科，主要研究方向：矿山固定设备选型，工业配电及控制，数字化矿山等。
基金项目：中煤科工集团科技创新基金项目(XAYMK02)
摘要：为了提高液压支架的机械控制能力，利用电液换向阀完成支架控制箱动作控制。该文采用流体动力学仿真了电液换向阀的动态特征及流场特性。研究结果表明：当时间到达0.14s时二级阀芯发生运动，出口流量快速增大至一个峰值状态；随着阀芯到达一个稳定运动状态后，换向阀也达到L/min的稳定出口流量。换向阀在高压大流量系统内工作时将会快速到达峰值压力，产生液压冲击作用并使支架立柱受到破坏。当流体由阀套流至阀芯时因为过流断面的面积会迅速降低，使压力下降4.1MPa，形成压力集中损失的区域，同时在阀芯的主流道区域还会形成均匀的压力分布状态。从阀口的下游最初进入阀芯的主通道位置时将达到最大流速，等于m/s，表明该部位形成了最小的过流面积。
关键词：电液换向阀；仿真；动态特征；流场特性
0引言随着控制技术的不断进步，液压支架的控制方式也持续升级，由最初的手动控制模式转变为机械控制模式，之后又进一步发展为包括机械、液压、电子、通信、计算机处理等多种技术相融合的支架电液控制系统[1-3]。尤其是计算机技术的应用，可以通过电子信号来代替人工控制的方式。对各类工况进行实时检测，可以完成移架、喷射、推动等循环控制过程。该系统的工作原理是当立柱处于各工作状态下时，可以通过压力传感器以及行程传感器把液压系统的位移与压力信号转换为电信号并传输至支架控制箱，之后继续传递到井下主控计算机中完成数据分析的过程，把分析结果转变成电信号后再传输到支架控制箱中，利用电液换向阀完成支架控制箱动作控制，确保支架立柱能够准确完成各项动作指令[4-6]。
对于高压大流量系统来说，插装阀具备明显优越性，非常适合液压支架实际运行工况。插装阀具备如下几项优势[7-8]：
（1）插装阀比较适合在高压环境中使用，采用大流量的支架液压系统可以实现支架的快速转移及稳固支撑的效果。
（2）插装阀具备优异的密封性,在运行过程中可以达到很小的通流阻力,使液压系统达到较高的用液效率。
（3）良好的抗污染性能。不会发生堵塞与磨损的情况，可以实现更长的使用寿命，同时事故率低,使支架工作系统能够保持稳定工作状态。
为了提高液压支架的机械控制能力，利用电液换向阀完成支架控制箱动作控制。本文采用流体动力学仿真了电液换向阀的动态特征及流场特性。
1换向阀工作原理本文选择二位三通结构的换向阀，属于一种二级插装结构。通过二个阀芯来实现换向工作，有助于通流量的明显提高，同时满足良好的密封性要求[9-10]。图1显示了电液换向阀工作过程的电路结构。分别利用二个电磁先导阀完成相应换向阀的控制过程，使其成为支架工作过程的一个循环回路。在电磁先导阀处于1左位进行工作时，可以连通P口与主阀1控制油口K的油路，此时主控阀的左位开始工作，使高压油由P口通过主控阀1进入千斤顶的上腔区域，同时下腔油通过主控阀2进入油口O，实现降柱过程。当电磁铁2处于通电状态下时，先导阀2以及主阀2的左位开始工作，此时系统升柱过程完成。
图1换向阀工作原理图
加载过程：对电磁铁通电后，P口与K口连通回路，油液由泵站经过先导阀之后，开启K口到达换向阀的左端控制腔，引起该腔的压力增大来推动一级阀芯完成向右运动的过程，将回油口O关闭后，继续增大控制腔的压力直至二级阀芯的静压力与右端弹簧力被抵消，打开二级阀芯，此时高压液从P口流至A口，整个加载过程结束。
2动态仿真分析从图2中可以看到电液换向阀系统的AMESim模型。表1给出了电液换向阀系统的各项参数，定总时长等于0.5s，同时把时间步长设定在0.s。
图2换向阀AMESim模型图
从图3中可以看到换向阀的出口流量变化曲线，其中，当时间到达0.14s时二级阀芯发生运动，出口流量快速增大至一个峰值状态，因为开启阀芯的时候会发生振动，引起出口流量的明显波动；随着阀芯到达一个稳定运动状态后，换向阀也达到L/min的稳定出口流量；对于大流量高压系统来说，当流量发生波动时，将会引起系统不同部分受到明显的冲击作用，使液压元件较易发生损坏。
图3换向阀出口流量图
从图4中可以看到换向阀的出口压力变化情况。其中，时间到达0.14s时，二级阀芯发生运动，引起出口压力的明显上升，当时间到达0.s该压力增大为bar，之后出现快速波动的情况，之后在0.18s时到达24.6MPa的稳态状态。换向阀在高压大流量系统内工作时将会快速到达峰值压力，产生液压冲击作用并使支架立柱受到破坏。由此可见，对压力冲击问题进行分析与处理已经成为阀类结构开发的一项重要内容。
图4出口压力图
3流场特性分析标准k模型属于一类以耗散率输运与湍动能k方程作为依据的模型，同时利用能量守恒方程来求解获得包含热交换过程的流动系统定律。
先在GAMBIT内导入流道的三维模型数据，设置不同的网格质量并分析其对仿真结果的精度、运算速度与收敛性产生的影响，通过非结构四面体完成网格的划分处理。同时，考虑到阀口具有复杂的流道结构，流速与压力都会发生明显变化，因此必须细化网格，从而确保仿真数据的精确性。图5是对网格进行划分形成的模型。同时利用有限体积法的SIMPLEC对离散方程组进行求解。以一阶迎风格式作为对流项。
将边界条件设定成：入口压力与出口压力分别等于30.2MPa与4.9MPa。从图5中可以看到阀芯的剖面流道形成的压力场、速度场云图。
图5换向阀流场的网格划分
图6是处于加载状态下的阀压力场云图，并且在入口部位达到最高的内部流场压力，根据之前的出口边界条件25MPa，利用Fluent表面积分功能计算得到入口的压力等于31.16MPa，同时计算获得进口与出口的压力差等于6.13MPa。通过分析压力场云图可知，当流体由阀套流至阀芯时因为过流断面的面积会迅速降低，使压力下降4.1MPa，形成压力集中损失的区域，同时在阀芯的主流道区域还会形成均匀的压力分布状态。其中，具有较大压降的区域能量也会发生更大的损失，因此阀芯入口部位的能量损失达到最大。
从图6中可以看到流场形成的速度场云图，可以明显看到，从阀口的下游最初进入阀芯的主通道位置时将达到最大流速，等于m/s，表明该部位形成了最小的过流面积。考虑到油液速度会发生显著变化，从而引起明显的动量变化，并且高压大流量系统内还会引起液压冲击作用，从而对附近阀芯与阀套产生破坏作用。
图6阀芯的剖面流道形成的云图
4结论（1）当时间到达0.14s时二级阀芯发生运动，出口流量快速增大至一个峰值状态；随着阀芯到达一个稳定运动状态后，换向阀也达到L/min的稳定出口流量。换向阀在高压大流量系统内工作时将会快速到达峰值压力，产生液压冲击作用并使支架立柱受到破坏。
（2）当流体由阀套流至阀芯时因为过流断面的面积会迅速降低，使压力下降4.1MPa，形成压力集中损失的区域，同时在阀芯的主流道区域还会形成均匀的压力分布状态。从阀口的下游最初进入阀芯的主通道位置时将达到最大流速，等于m/s，表明该部位形成了最小的过流面积。
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该文刊登于我刊年第1期
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