高压大流量安全阀设计及实验系统研究_畅军亮.pdf

博士学位论文 高压大流量安全阀设计及实验系统研究 Research on the High Pressure and Large Flow Relief Valve Design and Experimental System 作 者：畅军亮 导 师：赵继云 教授 中国矿业大学 二一五年六月 中图分类号 TH137.331;TD528 学校代码 10290 UDC 621 密 级 公开 中国矿业大学 博士学位论文 高压大流量安全阀设计及实验系统研究 Research on the High Pressure and Large Flow Relief Valve Design and Experimental System 作 者 畅军亮 导 师 赵继云 申请学位 工学博士 培养单位 机电工程学院 学科专业 机械电子工程 研究方向 液压传动及控制 答辩委员会主席 陆金桂 评 阅 人 二一五年六月 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 畅军亮 在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。导师签字：年 月 日 致致 谢谢 本论文的研究工作是在导师赵继云教授的悉心指导和帮助下完成的。从论文选题、文献查阅、理论分析、实验台搭建和测试到论文写作等无不倾注着导师的心血。赵老师渊博的学识、严谨的治学态度、积极敏锐的学术洞察力、忘我的工作精神以及优秀的做人品质给学生树立了良好的典范，使我终生受益。衷心感谢恩师在我学习、生活和做人做事等各方面的关怀，最终使我能够顺利完成论文，并在各方面不断取得了进步。在此，谨向恩师致以最崇高的敬意、最真挚的感谢和最美好的祝福。感谢肖兴明教授、杜长龙教授、程志红教授和程刚教授对论文选题提供的宝贵建议；感谢孟德远讲师在实验数据处理上给予的指导和帮助；感谢徐州华东机械厂李海平对论文提出的宝贵修改建议。感谢课题组卢宁、石高亮、刘磊、李皓楠、李家宁、李亚丽以及丁海港博士、陈世其博士和赵亮博士在理论分析、仿真模拟和实验过程中的配合和帮助，正是大家的共同努力，才使论文得以完成。感谢父母多年来对我的关心和爱护、感谢爱人李霞和儿子畅轩在论文完成过程中给予的支持和理解以及亲友们多年来对我的支持和关心，是他们给我了坚持的勇气和信心。感谢高等学校博士学科点专项科研基金“高压大冲击流量条件下高水基液压阀的失效机理研究”项目（20130095110012）的资金支持。感谢论文中引用文献的作者所提供的理论方法和实验结果。最后，感谢各位专家的批评指正，在此谨向各位专家表示最崇高的谢意。I 摘摘 要要 高压大流量安全阀是控制液压支架工作的关键基础件，工作时能够及时释放冲击载荷下液压支架立柱内极易损害设备的高压乳化液，从而达到保护液压支架的目的。随着高产高效采煤工作面的迅速发展，要求安全阀向高压大流量方向发展，并对其可靠性及寿命提出了更高要求。目前国内对高压大流量安全阀的生产设计主要通过对国外产品进行测绘模仿，缺乏相关设计理论的指导，同时国内缺少兼顾大流量、近似工况和通用性强的安全阀综合性能实验台，严重制约着安全阀技术的发展和产品质量的提升，也影响着液压支架高压大流量安全阀标准的实施。结构设计及实验手段是安全阀技术研究的核心，工作压力高、流量大，且存在冲击工况以及使用乳化液为工作介质是液压支架用高压大流量安全阀的典型特征。本文在满足上述典型工况的条件下，以提高高压大流量安全阀设计水平和完善实验手段为目标，理论分析和实验验证相结合，围绕安全阀主要技术参数设计、结构设计和实验台设计等关键问题展开了研究。相关研究工作主要包括以下5 个方面：（1）分析了高压大流量安全阀工作介质乳化液的理化性能和工况特性要求，对不同结构形式(直动式、先导式和差动式)、不同弹性元件（弹簧式、充气式）、不同阀口密封形式（锥阀式、滑阀式和球阀式）的安全阀进行了对比分析和研究，在此基础上研究不同类型的安全阀结构对其性能的影响，为高压大流量安全阀的设计奠定了基础。根据本文拟设计的高压大流量安全阀的额定流量和工作压力，确定采用直动式滑阀结构形式，在阀芯结构设计上首次采用了跑道形卸油孔，并依据安全阀工作原理进行了相关力学计算，初步确定了安全阀的主要技术参数。（2）利用 Fluent 软件对四种阀芯结构安全阀的流场静压、动压、速度等方面进行了三维仿真分析，研究了阀芯结构和参数对安全阀阀芯内部流动状态的影响。通过对比分析得出在相同卸油孔形状不同卸油孔面积的条件下，卸油孔的面积大小直接关系着流体在阀体内的流动速度和压力的大小变化，流体在流道内的最小负压和流动速度随着卸油孔面积的增大逐渐降低；在相同卸油孔面积