论文部分内容阅读
【摘要】在山西朔州、大同及周边矿区，液压支架立柱用安全阀在使用过程中内嵌套发生断裂，这种情况多发于放顶煤支架，即放顶后后柱承压较小，前柱压力过高。以崇升煤矿为例，该矿综采工作面支架立柱前柱压力表显示最大压力值在56MPa以上。针对这一情况，在不影响安全阀流量特性的前提下，通过solidworks软件仿真分析，对目前使用的安全阀内部结构进行优化改进，改进后产品经过仿真分析和试验验证，完全满足该矿区的使用要求，产品的可靠性得到显著提高。
【关键词】安全阀；内嵌套；可靠性；放顶煤
1. 前言
安全阀广发用于煤矿液压支架立柱的泄压保护环节，内嵌套与阀芯配合形成密封，当阀芯动作时，阀芯过流孔越过内嵌套密封圈与外部联通，释放压力，为了减少弹簧的行程，提高寿命，所以内嵌套密封圈沟槽至过流端面尽可能的减少尺寸，这样导致在压力突然增高，冲击压力来临时，内嵌套所受压力过高，而阀芯来不及开启泄压，便导致内嵌套端部断裂现象。针对这种情况，使用solidworks对安全阀内部结构受力进行仿真分析及优化设计，提高安全阀内嵌套的承压能力，改进后的产品通过井下实际应用已经完全满足使用要求。
图1安全阀内部结构图图2内嵌套受力模型2. 内部结构模型建立与仿真
2.1安全阀内部结构。该矿区所使用安全阀主要由接头、阀壳、内嵌套、阀芯、弹簧座、弹簧、调压丝堵以及密封件组成，具体结构如图1所示，其中件6为内嵌套。
2.2内嵌套仿真模型建立。
（1）由于该阀内部结构比较简单，而且内部受力只有阀壳支撑及压力冲击，因此采用solidworks建模及仿真运算即可满足设计要求。其中受力分析设定条件如下：内嵌套按照阀壳实际支撑面建立零自由度位移约束。载荷作用于密封圈沟槽整个内部环面，设定为50MPa。材料定义为HPb59，材料特性按照机械设计手册建立。
（2）内嵌套三维模型结构尺寸为测绘尺寸，模型如图2所示。 2.3solidworks仿真分析结果。根据以上设定条件，运行软件分析计算，得到应力分布和位移分布如图3和图4所示。
3.1仿真结果分析。
（1）如图3、图4所示，内嵌套在公称压力50MPa作用下，安全系数仅为1.1，即在55MPa情况下失效，这与前期安全阀损坏时压力表显示压力值56MPa以上基本吻合（考虑冲击因素，个别压力会较高）。前期压力监测数据（已压力表记忆最高压力为准）如表1所示。
（2）分析应力分布及位移分布图发现，应力最大值发生在沟槽底部，沿斜45°方向发生变形。这与实际内嵌套断裂的方向是一致的。内嵌套断裂情况如图5所示。
3.2改进方案。
3.2.1为了提高内嵌套强度，根据以上分析结果，通过以下几点对原结构进行改进，改进后结构如图6所示。
3.2.2改进后主要体现在以下几点，（1）是沟槽槽底圆弧半径由原来R0.2改为R0.4。（2）是阀壳支撑点直径由原来的20mm改为14.5mm。
4. 改进后仿真分析
4.1仿真计算。同前期仿真一样，在原有基础上调整为改进后的尺寸，约束环面调整为为优化后的设计尺寸。运行仿真分析，结果如图7和图8所示。
结论
通过对安全阀内嵌套的仿真分析及优化设计，从理论和实际使用中验证了改进方案的正确性和可靠性。这不仅解决了该矿区的使用问题，同时也提高了原有产品的安全系数和可靠性，扩大了产品的使用范围。难能可贵的是，本次改进并未在原有基础增加新的成本投入，这也充分体现了它的经济价值，值得推广应用。
参考文献
[1]雷天觉.液压工程手册[M].北京：机械工业出版社，1990.
[2]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002.
[3]邢启恩.solidworks三维设计一点通.[M]北京：化学工业出版社，2011.
[文章编号]1006-7619（2013）04-12-299
【关键词】安全阀；内嵌套；可靠性；放顶煤
1. 前言
安全阀广发用于煤矿液压支架立柱的泄压保护环节，内嵌套与阀芯配合形成密封，当阀芯动作时，阀芯过流孔越过内嵌套密封圈与外部联通，释放压力，为了减少弹簧的行程，提高寿命，所以内嵌套密封圈沟槽至过流端面尽可能的减少尺寸，这样导致在压力突然增高，冲击压力来临时，内嵌套所受压力过高，而阀芯来不及开启泄压，便导致内嵌套端部断裂现象。针对这种情况，使用solidworks对安全阀内部结构受力进行仿真分析及优化设计，提高安全阀内嵌套的承压能力，改进后的产品通过井下实际应用已经完全满足使用要求。
图1安全阀内部结构图图2内嵌套受力模型2. 内部结构模型建立与仿真
2.1安全阀内部结构。该矿区所使用安全阀主要由接头、阀壳、内嵌套、阀芯、弹簧座、弹簧、调压丝堵以及密封件组成，具体结构如图1所示，其中件6为内嵌套。
2.2内嵌套仿真模型建立。
（1）由于该阀内部结构比较简单，而且内部受力只有阀壳支撑及压力冲击，因此采用solidworks建模及仿真运算即可满足设计要求。其中受力分析设定条件如下：内嵌套按照阀壳实际支撑面建立零自由度位移约束。载荷作用于密封圈沟槽整个内部环面，设定为50MPa。材料定义为HPb59，材料特性按照机械设计手册建立。
（2）内嵌套三维模型结构尺寸为测绘尺寸，模型如图2所示。 2.3solidworks仿真分析结果。根据以上设定条件，运行软件分析计算，得到应力分布和位移分布如图3和图4所示。
3.1仿真结果分析。
（1）如图3、图4所示，内嵌套在公称压力50MPa作用下，安全系数仅为1.1，即在55MPa情况下失效，这与前期安全阀损坏时压力表显示压力值56MPa以上基本吻合（考虑冲击因素，个别压力会较高）。前期压力监测数据（已压力表记忆最高压力为准）如表1所示。
（2）分析应力分布及位移分布图发现，应力最大值发生在沟槽底部，沿斜45°方向发生变形。这与实际内嵌套断裂的方向是一致的。内嵌套断裂情况如图5所示。
3.2改进方案。
3.2.1为了提高内嵌套强度，根据以上分析结果，通过以下几点对原结构进行改进，改进后结构如图6所示。
3.2.2改进后主要体现在以下几点，（1）是沟槽槽底圆弧半径由原来R0.2改为R0.4。（2）是阀壳支撑点直径由原来的20mm改为14.5mm。
4. 改进后仿真分析
4.1仿真计算。同前期仿真一样，在原有基础上调整为改进后的尺寸，约束环面调整为为优化后的设计尺寸。运行仿真分析，结果如图7和图8所示。
结论
通过对安全阀内嵌套的仿真分析及优化设计，从理论和实际使用中验证了改进方案的正确性和可靠性。这不仅解决了该矿区的使用问题，同时也提高了原有产品的安全系数和可靠性，扩大了产品的使用范围。难能可贵的是，本次改进并未在原有基础增加新的成本投入，这也充分体现了它的经济价值，值得推广应用。
参考文献
[1]雷天觉.液压工程手册[M].北京：机械工业出版社，1990.
[2]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002.
[3]邢启恩.solidworks三维设计一点通.[M]北京：化学工业出版社，2011.
[文章编号]1006-7619（2013）04-12-299