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(jī)理等關(guān)鍵技術(shù)問題。然后,將該成果應(yīng)用于液壓支架電磁先導(dǎo)閥的理論分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,使基礎(chǔ)研究與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合,為成功開發(fā)高水基電磁先導(dǎo)閥提供理論支持。作者以計(jì)算流體力學(xué)(CFD)理論、分形(FRACTAL)理論與多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論等為依托,采用理論、仿真、試驗(yàn)相結(jié)合的方法,建立液壓閥流場(chǎng)仿真模型、泄漏機(jī)理模型、動(dòng)力學(xué)仿真模型和系統(tǒng)仿真模型,并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析,為此類液壓閥的設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。 高水基液壓閥流動(dòng)過程的壁面磨損行為,嚴(yán)重影響液壓閥的使用壽命。作者綜合應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(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(jī)理,建立高水基液壓閥流體湍流和沖蝕的數(shù)學(xué)模型。通過可視化模擬,預(yù)測(cè)了煤粒對(duì)高水基平面閥和球閥不同部位的沖蝕磨損分布,比較準(zhǔn)確地確定了沖蝕磨損對(duì)關(guān)鍵元件的影響區(qū)位和程度。研究閥芯和頂桿間的微動(dòng)磨損與沖蝕的交互破壞,指出了采用側(cè)頂桿結(jié)構(gòu)可以避免磨損疊加。另外,作者對(duì)幾種非金屬材料的沖蝕磨損特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,為高水基液壓閥密封副材料的優(yōu)選提供了依據(jù)。 作者使用現(xiàn)代數(shù)字技術(shù),開展高水基介質(zhì)液壓閥氣蝕(CAVITATION)問題的研究,以解決這個(gè)難于用實(shí)驗(yàn)方法研究的問題。通過高水基液壓閥流體氣蝕的數(shù)學(xué)模型,研究高水基液壓閥低壓密封的汽穴形成,找出易產(chǎn)生氣穴與氣蝕現(xiàn)象的位置。分析表明,低壓區(qū)對(duì)應(yīng)氣體體積百分比高的氣穴區(qū)域,側(cè)頂桿結(jié)構(gòu)同樣可以減輕液壓閥的氣蝕磨損。 分形(FRACTAL)幾何學(xué)的建立,為研究復(fù)雜無規(guī)律的現(xiàn)象提供了新的理論與方法。在考慮端面形貌變化的基礎(chǔ)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(jī)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(diǎn)面積的微觀接觸機(jī)理及相互關(guān)系。以縫隙流動(dòng)的N-S方程為基礎(chǔ),推導(dǎo)出泄漏量與表面粗糙度、分形參數(shù)、密封接觸比壓之間的關(guān)系及相應(yīng)的計(jì)算公式,建立了泄漏量分形模型。通過數(shù)值仿真,討論了分形參數(shù)、密封力與泄漏量間的相互關(guān)系,結(jié)果表明,控制表面形貌參數(shù)可以有效降低液壓閥泄漏量。另外,作者對(duì)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(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得出了具有工程應(yīng)用指導(dǎo)意義的定量結(jié)論。

    針對(duì)電液控制支架的特殊要求,作者設(shè)計(jì)了先導(dǎo)閥的螺線管結(jié)構(gòu)電磁鐵。模擬了磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小及其在空間的磁場(chǎng)分布情況,并對(duì)電磁鐵的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,保證該電磁鐵響應(yīng)速度快,動(dòng)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(dǎo)套端重疊部分,極靴內(nèi)徑單側(cè)間隙的變化對(duì)吸力起決定作用。后,對(duì)電磁鐵的吸力特性進(jìn)行試驗(yàn),驗(yàn)證了數(shù)值分析的正確性。 在研究電磁先導(dǎo)閥的運(yùn)動(dòng)特性時(shí),虛擬樣機(jī)技術(shù)有助于做出前瞻性的決策。為了評(píng)定先導(dǎo)閥動(dòng)態(tài)特性,作者引入位移響應(yīng)曲線來衡量其動(dòng)態(tài)性能。通過求解先導(dǎo)閥的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,獲得反映動(dòng)態(tài)特性的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。綜合考慮先導(dǎo)閥內(nèi)部運(yùn)動(dòng)元件的接觸碰撞及運(yùn)動(dòng)拓?fù)潢P(guān)系,建立先導(dǎo)閥詳細(xì)的三維實(shí)體模型。研究阻尼系數(shù)、質(zhì)量和剛度變化對(duì)先導(dǎo)閥動(dòng)力學(xué)特性的影響,準(zhǔn)確地預(yù)知其在實(shí)際工況下的動(dòng)態(tài)性能。根據(jù)預(yù)定的系統(tǒng)性能和預(yù)期的目標(biāo)反復(fù)修正幾何參數(shù),終達(dá)到預(yù)期的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能,為先導(dǎo)閥的設(shè)計(jì)開辟了一條新的思路。 電磁先導(dǎo)閥工作口壓力的變化,會(huì)引起其內(nèi)部流場(chǎng)相應(yīng)變化,而先導(dǎo)閥出口壓力又受到液控主閥、立柱等負(fù)載的影響。因此,作者從系統(tǒng)角度對(duì)先導(dǎo)閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)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(dǎo)閥工作口的不同壓力、流量響應(yīng)曲線,為先導(dǎo)閥流場(chǎng)仿真的初始邊界條件的設(shè)定提供依據(jù)。在此基礎(chǔ)上,研究先導(dǎo)閥的流場(chǎng)分布。根據(jù)先導(dǎo)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(guān)系,確定高水基電磁先導(dǎo)閥的*合理結(jié)構(gòu)。 本文的研究工作涉及多學(xué)科理論和現(xiàn)代試驗(yàn)技術(shù),主導(dǎo)思想是在創(chuàng)新體系下進(jìn)行多種學(xué)科的交叉與融合,以此途徑對(duì)高壓高水基液壓閥的理論問題及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究,從而解決實(shí)際問題。

液壓閥塊特征設(shè)計(jì) 
3．1液壓閥塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)

3．1．1液壓閥塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 
按照結(jié)構(gòu)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(shí)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(guān)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(zhǎng)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(guān)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(shí)還要設(shè)置工藝孔。一般一個(gè)比較簡(jiǎn)單的閥塊體上至少有40-60個(gè)孔，稍微復(fù)雜一點(diǎn)的就有上百個(gè)，這些孔道構(gòu)成一個(gè)縱橫交錯(cuò)的孔系網(wǎng)絡(luò)。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(shù)控機(jī)床上加工。有時(shí)出于特殊的連通要求設(shè)置成斜孔，但很少采用。 (2)液壓閥 
液壓閥一般為標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)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(duì)液壓缸等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，以及進(jìn)油、回油、泄油等，必須與外部管路連接才能實(shí)現(xiàn)。

(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(nèi)部是孔道的布置空間。閥塊的六個(gè)面構(gòu)成一個(gè)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(shí)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(gè)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(gè)螺栓孔。 
(2)前面、后面和右側(cè)面 
(a)右側(cè)面：安裝經(jīng)常調(diào)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(diào)速閥等。 
(b)前面：安裝方向閥類，如電磁換向閥、單向閥等；當(dāng)壓力閥類和流量閥類在右側(cè)面安裝不下時(shí)，應(yīng)安裝在前面，以便調(diào)整。 
(c)后面：安裝方向閥類等不調(diào)整的元件。

(3)左側(cè)面 
左側(cè)面設(shè)有連接執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出油口，外測(cè)壓點(diǎn)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(jù)液壓系統(tǒng)原理圖和布置圖等的設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的。經(jīng)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(yīng)大于5mm，換向閥上的電磁鐵、壓力閥上的先導(dǎo)閥以及壓力表等可適當(dāng)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(shí)，應(yīng)考慮閥體的安裝方向是否合理，應(yīng)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(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求來確定。而確定閥塊上各元件的安裝參數(shù)則應(yīng)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(gè)元件都有兩個(gè)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(shí)直接連通是不可能的，為此必須設(shè)計(jì)必要的工藝孔。閥塊的孔道設(shè)計(jì)就是確定孔道連通時(shí)所需增加工藝孔的數(shù)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(jìn)行強(qiáng)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(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核等等。 根據(jù)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(shù)量不超過4個(gè)，則分別布置液壓元件在4個(gè)角附近，不一定在角上．這樣可以保證在兩個(gè)邊附近進(jìn)行工藝孔設(shè)計(jì)。 
(2)如果在液壓閥塊某面上的液壓元件的數(shù)量不超過8個(gè)，則除了分別布置液壓元件在4個(gè)角附近以外，其它液壓元件可根據(jù)情況分別布置在4個(gè)邊附近。這樣可以保證在一個(gè)到兩個(gè)邊附近進(jìn)行工藝孔設(shè)計(jì)。 (3)如果液壓閥塊某面上的液壓元件的數(shù)量超過8個(gè)以上，可以考慮使用智能方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 
由于一般情況下，液壓閥塊包含的液壓元件總和不會(huì)超過10個(gè)以上，所以分配到各個(gè)面上的液壓元件數(shù)量不會(huì)超過lO個(gè)，一般在3到5個(gè)左右。 
由于在一般液壓閥塊設(shè)計(jì)中很少涉及到大量的液壓元件布置，所以根據(jù)前兩條的規(guī)則可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求。 
3．1．3液壓閥塊的設(shè)計(jì)思路 
集成塊單元回路圖實(shí)質(zhì)上是液壓系統(tǒng)原理的一個(gè)等效轉(zhuǎn)換，它是設(shè)計(jì)塊式集成液壓控制裝置的基礎(chǔ)，也是設(shè)計(jì)集成塊的依據(jù)。閥塊圖紙上要有相應(yīng)的原理圖，原理圖除反映油路的連通性外，還要標(biāo)出所用元件的規(guī)格型號(hào)、油口的名稱及孔徑，以便液壓閥塊的設(shè)計(jì)。 
設(shè)計(jì)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(gè)塊體上包括的元件數(shù)量應(yīng)適中。閥塊體尺寸應(yīng)考慮兩個(gè)側(cè)面所安裝的元件類型及外形尺寸，以及保證塊體內(nèi)油道孔間的小允許壁厚的原則下，力求結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。

3．2基于特征的液壓閥塊的交互設(shè)計(jì)

3．2．1基于閥塊的特征分析 
    特征是設(shè)計(jì)者對(duì)涉及對(duì)象的功能、形狀、結(jié)構(gòu)、制造、裝配、檢驗(yàn)、管理與使用信息及其關(guān)系等具有確切的工程含義的深層次抽象的描述，是產(chǎn)品描述信息的集合[37][38]。不同的應(yīng)用領(lǐng)域和不同的對(duì)象，特征的抽象和分類方法有所不同。在機(jī)械產(chǎn)品中，將構(gòu)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(jìn)行基于特征的零件實(shí)體建模設(shè)計(jì)的輔助工具，并不是所設(shè)計(jì)實(shí)體模型的組成部分。在實(shí)體建模時(shí)，如何恰當(dāng)?shù)厥褂幂o助特征來順利完成實(shí)體建模，具有很大的技巧性。在實(shí)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(diǎn)、構(gòu)造特征和特征管理設(shè)計(jì)樹。工作平面又稱工作基準(zhǔn)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(gè)無限邊界的平坦面，因?qū)嶓w建模的設(shè)計(jì)必須在某一平面上完成二維草圖繪制后，進(jìn)行特征操作。所以，工作平面主要作用是確定草圖平面，同時(shí)也可以作為特征操作的終止參數(shù)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(gòu)成零件實(shí)體模型的基本要素，是基于特征的實(shí)體建模的含義所在，是創(chuàng)建基體特征和進(jìn)行細(xì)節(jié)特征操作的主要部分。根據(jù)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(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)、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(zhuǎn)特征、掃描和放樣特征。直接生成特征是直接參數(shù)地創(chuàng)建在實(shí)體模型上的特征，是系統(tǒng)或設(shè)計(jì)者已定義好的參數(shù)化特征，在建模時(shí)，只需進(jìn)行特征定位和輸入?yún)?shù)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(shè)計(jì)特征如下圖所示：

    采煤工作面用的液壓支架是一種復(fù)雜的煤礦機(jī)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(jìn)行。電液控制液壓支架是當(dāng)前采煤技術(shù)裝備的重要標(biāo)志之一,而高壓高水基電磁先導(dǎo)閥是電液控制系統(tǒng)的核心元件,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密度高,目前世界上只有德國和美國等少數(shù)國家研究和生產(chǎn)制造,屬高難技術(shù)。我國曾嘗試過自行設(shè)計(jì)、制造這種液壓閥,但由于沒有運(yùn)用多學(xué)科理論和現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)等手段去深入研究液壓閥的關(guān)鍵技術(shù)問題,只是憑借經(jīng)驗(yàn)和已有的資料進(jìn)行設(shè)計(jì),致使研制失敗。因此,目前我國高壓高水基電磁先導(dǎo)閥仍然依靠進(jìn)口,成為制約我國采煤技術(shù)由機(jī)械化向自動(dòng)化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。 
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