本論文首先研究高壓高水基液壓閥的沖蝕磨損與密封泄漏機理等關鍵技術問題。然后,將該成果應用于液壓支架電磁先導閥的理論分析和結構設計中,使基礎研究與實際應用相結合,為成功開發(fā)高水基電磁先導閥提供理論支持。作者以計算流體力學(CFD)理論、分形(FRACTAL)理論與多剛體系統(tǒng)動力學理論等為依托,采用理論、仿真、試驗相結合的方法,建立液壓閥流場仿真模型、泄漏機理模型、動力學仿真模型和系統(tǒng)仿真模型,并進行數值計算分析,為此類液壓閥的設計提供可靠的理論依據。 高水基液壓閥流動過程的壁面磨損行為,嚴重影響液壓閥的使用壽命。作者綜合應用計算流體動力學(CFD)理論與沖蝕(EROSION)理論的分析方法,研究高速高壓條件下液壓閥的沖蝕磨損機理,建立高水基液壓閥流體湍流和沖蝕的數學模型。通過可視化模擬,預測了煤粒對高水基平面閥和球閥不同部位的沖蝕磨損分布,比較準確地確定了沖蝕磨損對關鍵元件的影響區(qū)位和程度。研究閥芯和頂桿間的微動磨損與沖蝕的交互破壞,指出了采用側頂桿結構可以避免磨損疊加。另外,作者對幾種非金屬材料的沖蝕磨損特性進行實驗研究,為高水基液壓閥密封副材料的優(yōu)選提供了依據。 作者使用現代數字技術,開展高水基介質液壓閥氣蝕(CAVITATION)問題的研究,以解決這個難于用實驗方法研究的問題。通過高水基液壓閥流體氣蝕的數學模型,研究高水基液壓閥低壓密封的汽穴形成,找出易產生氣穴與氣蝕現象的位置。分析表明,低壓區(qū)對應氣體體積百分比高的氣穴區(qū)域,側頂桿結構同樣可以減輕液壓閥的氣蝕磨損。 分形(FRACTAL)幾何學的建立,為研究復雜無規(guī)律的現象提供了新的理論與方法。在考慮端面形貌變化的基礎上,作者提出了基于分形理論研究高水基液壓閥的微觀密封機理的思路。分析了密封副端面粗糙輪廓波谷面積和彈性接觸點面積的微觀接觸機理及相互關系。以縫隙流動的N-S方程為基礎,推導出泄漏量與表面粗糙度、分形參數、密封接觸比壓之間的關系及相應的計算公式,建立了泄漏量分形模型。通過數值仿真,討論了分形參數、密封力與泄漏量間的相互關系,結果表明,控制表面形貌參數可以有效降低液壓閥泄漏量。另外,作者對泄漏量與不同的表面粗糙度、密封比壓、密封面寬度之間的關系進行了試驗研究,得出了具有工程應用指導意義的定量結論。

    針對電液控制支架的特殊要求,作者設計了先導閥的螺線管結構電磁鐵。模擬了磁感應強度的大小及其在空間的磁場分布情況,并對電磁鐵的關鍵結構參數進行優(yōu)化,保證該電磁鐵響應速度快,動作平穩(wěn)可靠。通過可視化模擬和分析得知,磁通密度高的地方是銜鐵與極靴導套端重疊部分,極靴內徑單側間隙的變化對吸力起決定作用。后,對電磁鐵的吸力特性進行試驗,驗證了數值分析的正確性。 在研究電磁先導閥的運動特性時,虛擬樣機技術有助于做出前瞻性的決策。為了評定先導閥動態(tài)特性,作者引入位移響應曲線來衡量其動態(tài)性能。通過求解先導閥的動態(tài)數學模型,獲得反映動態(tài)特性的數值計算結果。綜合考慮先導閥內部運動元件的接觸碰撞及運動拓撲關系,建立先導閥詳細的三維實體模型。研究阻尼系數、質量和剛度變化對先導閥動力學特性的影響,準確地預知其在實際工況下的動態(tài)性能。根據預定的系統(tǒng)性能和預期的目標反復修正幾何參數,終達到預期的動態(tài)響應性能,為先導閥的設計開辟了一條新的思路。 電磁先導閥工作口壓力的變化,會引起其內部流場相應變化,而先導閥出口壓力又受到液控主閥、立柱等負載的影響。因此,作者從系統(tǒng)角度對先導閥的動態(tài)響應進行研究,建立了基于AMESim的支架電液控制系統(tǒng)的仿真模型,得到先導閥工作口的不同壓力、流量響應曲線,為先導閥流場仿真的初始邊界條件的設定提供依據。在此基礎上,研究先導閥的流場分布。根據先導閥的壓力損失、速度分布等隨流量、出口壓力和入口位置的變化關系,確定高水基電磁先導閥的*合理結構。 本文的研究工作涉及多學科理論和現代試驗技術,主導思想是在創(chuàng)新體系下進行多種學科的交叉與融合,以此途徑對高壓高水基液壓閥的理論問題及設計方法進行研究,從而解決實際問題。

液壓閥塊特征設計 
3．1液壓閥塊的結構特點及設計

3．1．1液壓閥塊的結構特點 
按照結構和用途劃分，液壓閥塊有條形塊(Bar Manifolds)、小板塊(Subplates)，蓋板(Cover plates)、夾板(Sandwich Plates)、閥安裝底板(Valve Adaptors)、泵閥塊(PumpManifolds)、邏輯閥塊(Logic Manifolds)、疊加減壓閥塊(Accumulator Manifolds)、閥塊(Specialty Manifolds)、集流排管和連接塊(Header and Junction Blocks)等多種形式[35][36]。實際系統(tǒng)中的液壓閥塊是由閥塊體以及其上安裝的各種液壓閥、管接頭、附件等元件組成。

(1)閥塊體 
閥塊體是集成式液壓系統(tǒng)的關鍵部件，它既是其它液壓元件的承裝載體，又是它們油路連通的通道體。閥塊體一般都采用長方體外型，材料一般用鋁或可鍛鑄鐵。閥塊體上分布有與液壓閥有關的安裝孔、通油孔、連接螺釘孔、定位銷孔，以及公共油孔、連接孔等，為保證孔道正確連通而不發(fā)生干涉有時還要設置工藝孔。一般一個比較簡單的閥塊體上至少有40-60個孔，稍微復雜一點的就有上百個，這些孔道構成一個縱橫交錯的孔系網絡。閥塊體上的孔道有光孔、階梯孔、螺紋孔等多種形式，一般均為直孔，便于在普通鉆床和數控機床上加工。有時出于特殊的連通要求設置成斜孔，但很少采用。 (2)液壓閥 
液壓閥一般為標準件，包括各類板式閥、插裝閥、疊加減壓閥等，由連接螺釘安裝在閥塊體上，實現液壓回路的控制功能。

(3)管接頭 
管接頭用于外部管路與閥塊的連接。各種閥和閥塊體組成的液壓回路，要對液壓缸等執(zhí)行機構進行控制，以及進油、回油、泄油等，必須與外部管路連接才能實現。

(4)其它附件 
包括管道連接法蘭、工藝孔堵塞、油路密封圈等附件。

3．1．2液壓閥塊的布局原則 
閥塊體外表面是閥類元件的安裝基面，內部是孔道的布置空間。閥塊的六個面構成一個安裝面的集合。通常底面不安裝元件，而是作為與油箱或其它閥塊的疊加面。在工程實際中，出于安裝和操作方便的考慮，液壓閥的安裝角度通常采用直角。 液壓閥塊上六個表面的功用(僅供參考)： (1)頂面和底面 液壓閥塊塊體的頂面和底面為疊加接合面，表面布有公用壓力油口P、公用回油口O、泄漏油口L、以及四個螺栓孔。 
(2)前面、后面和右側面 
(a)右側面：安裝經常調整的元件，有壓力控制閥類，如溢流閥，安全閥、減壓閥、順序閥等：流量控制閥類，如節(jié)流閥、調速閥等。 
(b)前面：安裝方向閥類，如電磁換向閥、單向閥等；當壓力閥類和流量閥類在右側面安裝不下時，應安裝在前面，以便調整。 
(c)后面：安裝方向閥類等不調整的元件。

(3)左側面 
左側面設有連接執(zhí)行機構的輸出油口，外測壓點以及其他輔助油口，如蓄能器油孔、接備用壓力繼電器油孔等。液壓閥塊塊體的空間布局規(guī)劃是根據液壓系統(tǒng)原理圖和布置圖等的設計要求和設計人員的設計經驗進行的。經常性的原則如下： 
(1)安裝于液壓閥塊上的液壓元件的尺寸不得相互干涉。 
(2)閥塊的幾何尺寸主要考慮安裝在閥塊上的各元件的外型尺寸，使各元件之間有足夠的裝配空間。液壓元件之問的距離應大于5mm，換向閥上的電磁鐵、壓力閥上的先導閥以及壓力表等可適當延伸到閥塊安裝平面以外，這樣可減小閥塊的體積。但要注意外伸部分不要與其他零件相碰。 
(3)在布局時，應考慮閥體的安裝方向是否合理，應該使閥芯處于水平方向，防止閥芯的自重影響閥的靈敏度，特別是換向閥一定要水平布置。    
(4)閥塊公共油孔的形狀和位置尺寸要根據系統(tǒng)的設計要求來確定。而確定閥塊上各元件的安裝參數則應盡可能考慮使需要連通的孔道正交，使它們直接連通，減少不必要的工藝孔。 
(5)由于每個元件都有兩個以上的通油孔道，這些孔道又要與其它元件的孔道以及閥塊體上的公共油孔相連通，有時直接連通是不可能的，為此必須設計必要的工藝孔。閥塊的孔道設計就是確定孔道連通時所需增加工藝孔的數量、工藝孔的類型和位置尺寸以及閥塊上孔道的孔徑和孔深。 (6)不通孔道之間的小壁厚必須進行強度校核。 
(7)要注意液壓元件在閥塊上的固定螺孔不要與油道相碰，其小壁厚也應進行強度校核等等。 根據以上原則，液壓閥塊布局的優(yōu)化方法如下： 
(1)如果在液壓閥塊某面上的液壓元件的數量不超過4個，則分別布置液壓元件在4個角附近，不一定在角上．這樣可以保證在兩個邊附近進行工藝孔設計。 
(2)如果在液壓閥塊某面上的液壓元件的數量不超過8個，則除了分別布置液壓元件在4個角附近以外，其它液壓元件可根據情況分別布置在4個邊附近。這樣可以保證在一個到兩個邊附近進行工藝孔設計。 (3)如果液壓閥塊某面上的液壓元件的數量超過8個以上，可以考慮使用智能方法進行優(yōu)化設計。 
由于一般情況下，液壓閥塊包含的液壓元件總和不會超過10個以上，所以分配到各個面上的液壓元件數量不會超過lO個，一般在3到5個左右。 
由于在一般液壓閥塊設計中很少涉及到大量的液壓元件布置，所以根據前兩條的規(guī)則可以滿足系統(tǒng)設計的基本要求。 
3．1．3液壓閥塊的設計思路 
集成塊單元回路圖實質上是液壓系統(tǒng)原理的一個等效轉換，它是設計塊式集成液壓控制裝置的基礎，也是設計集成塊的依據。閥塊圖紙上要有相應的原理圖，原理圖除反映油路的連通性外，還要標出所用元件的規(guī)格型號、油口的名稱及孔徑，以便液壓閥塊的設計。 
設計閥塊前．首先要讀通原理圖，然后確定哪一部分油路可以集成。每個塊體上包括的元件數量應適中。閥塊體尺寸應考慮兩個側面所安裝的元件類型及外形尺寸，以及保證塊體內油道孔間的小允許壁厚的原則下，力求結構緊湊、體積小、重量輕。

3．2基于特征的液壓閥塊的交互設計

3．2．1基于閥塊的特征分析 
    特征是設計者對涉及對象的功能、形狀、結構、制造、裝配、檢驗、管理與使用信息及其關系等具有確切的工程含義的深層次抽象的描述，是產品描述信息的集合[37][38]。不同的應用領域和不同的對象，特征的抽象和分類方法有所不同。在機械產品中，將構成零件的特征分為以下幾大類：輔助特征、幾何特征等(1)輔助特征 
輔助特征是進行基于特征的零件實體建模設計的輔助工具，并不是所設計實體模型的組成部分。在實體建模時，如何恰當地使用輔助特征來順利完成實體建模，具有很大的技巧性。在實體模型的特征創(chuàng)建完畢后，輔助特征可被隱藏或重新顯示。輔助特征主要包括：工作平面、工作軸、工作點、構造特征和特征管理設計樹。工作平面又稱工作基準面，是輔助創(chuàng)建草圖及其特征和執(zhí)行特征操作終止的工作平面。是一個無限邊界的平坦面，因實體建模的設計必須在某一平面上完成二維草圖繪制后，進行特征操作。所以，工作平面主要作用是確定草圖平面，同時也可以作為特征操作的終止參數平面和創(chuàng)建其他工作平面的中間媒體。

(2)幾何特征 
幾何特征是構成零件實體模型的基本要素，是基于特征的實體建模的含義所在，是創(chuàng)建基體特征和進行細節(jié)特征操作的主要部分。根據創(chuàng)建方式不同，將幾何特征分為草圖特征和直接生成特征。草圖特征是由二維輪廓線或橫斷面進行拉伸、旋轉、掃描和放樣形成的特征，因此草圖特征又分為拉伸特征、旋轉特征、掃描和放樣特征。直接生成特征是直接參數地創(chuàng)建在實體模型上的特征，是系統(tǒng)或設計者已定義好的參數化特征，在建模時，只需進行特征定位和輸入參數化尺寸值即可形成的特征。 
閥塊的特征可以知道，有基本的基體特征，其余就是孔道及沉槽，整體設計特征如下圖所示：

    采煤工作面用的液壓支架是一種復雜的煤礦機械,它能夠可靠有效地支撐和控制工作面的頂板,保證工人安全和各種作業(yè)的正常進行。電液控制液壓支架是當前采煤技術裝備的重要標志之一,而高壓高水基電磁先導閥是電液控制系統(tǒng)的核心元件,其結構復雜、精密度高,目前世界上只有德國和美國等少數國家研究和生產制造,屬高難技術。我國曾嘗試過自行設計、制造這種液壓閥,但由于沒有運用多學科理論和現代數字技術等手段去深入研究液壓閥的關鍵技術問題,只是憑借經驗和已有的資料進行設計,致使研制失敗。因此,目前我國高壓高水基電磁先導閥仍然依靠進口,成為制約我國采煤技術由機械化向自動化發(fā)展的關鍵技術之一。 
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