本论文首先研究高压高水基液压阀的冲蚀磨损与密封泄漏机理等关键技术问题。然后,将该成果应用于液压支架电磁先导阀的理论分析和结构设计中,使基础研究与实际应用相结合,为成功开发高水基电磁先导阀提供理论支持。作者以计算流体力学(CFD)理论、分形(FRACTAL)理论与多刚体系统动力学理论等为依托,采用理论、仿真、试验相结合的方法,建立液压阀流场仿真模型、泄漏机理模型、动力学仿真模型和系统仿真模型,并进行数值计算分析,为此类液压阀的设计提供可靠的理论依据。 高水基液压阀流动过程的壁面磨损行为,严重影响液压阀的使用寿命。作者综合应用计算流体动力学(CFD)理论与冲蚀(EROSION)理论的分析方法,研究高速高压条件下液压阀的冲蚀磨损机理,建立高水基液压阀流体湍流和冲蚀的数学模型。通过可视化模拟,预测了煤粒对高水基平面阀和球阀不同部位的冲蚀磨损分布,比较准确地确定了冲蚀磨损对关键元件的影响区位和程度。研究阀芯和顶杆间的微动磨损与冲蚀的交互破坏,指出了采用侧顶杆结构可以避免磨损叠加。另外,作者对几种非金属材料的冲蚀磨损特性进行实验研究,为高水基液压阀密封副材料的优选提供了依据。 作者使用现代数字技术,开展高水基介质液压阀气蚀(CAVITATION)问题的研究,以解决这个难于用实验方法研究的问题。通过高水基液压阀流体气蚀的数学模型,研究高水基液压阀低压密封的汽穴形成,找出易产生气穴与气蚀现象的位置。分析表明,低压区对应91视频黄色网体积百分比高的气穴区域,侧顶杆结构同样可以减轻液压阀的气蚀磨损。 分形(FRACTAL)几何学的建立,为研究复杂无规律的现象提供了新的理论与方法。在考虑端面形貌变化的基础上,作者提出了基于分形理论研究高水基液压阀的微观密封机理的思路。分析了密封副端面粗糙轮廓波谷面积和弹性接触点面积的微观接触机理及相互关系。以缝隙流动的N-S方程为基础,推导出泄漏量与表面粗糙度、分形参数、密封接触比压之间的关系及相应的计算公式,建立了泄漏量分形模型。通过数值仿真,讨论了分形参数、密封力与泄漏量间的相互关系,结果表明,控制表面形貌参数可以有效降低液压阀泄漏量。另外,作者对泄漏量与不同的表面粗糙度、密封比压、密封面宽度之间的关系进行了试验研究,得出了具有工程应用指导意义的定量结论。

    针对电液控制支架的特殊要求,作者设计了先导阀的螺线管结构电磁铁。模拟了磁感应强度的大小及其在空间的磁场分布情况,并对电磁铁的关键结构参数进行优化,保证该电磁铁响应速度快,动作平稳可靠。通过可视化模拟和分析得知,磁通密度高的地方是衔铁与极靴导套端重叠部分,极靴内径单侧间隙的变化对吸力起决定作用。后,对电磁铁的吸力特性进行试验,验证了数值分析的正确性。 在研究电磁先导阀的运动特性时,虚拟样机技术有助于做出前瞻性的决策。为了评定先导阀动态特性,作者引入位移响应曲线来衡量其动态性能。通过求解先导阀的动态数学模型,获得反映动态特性的数值计算结果。综合考虑先导阀内部运动元件的接触碰撞及运动拓扑关系,建立先导阀详细的三维实体模型。研究阻尼系数、质量和刚度变化对先导阀动力学特性的影响,准确地预知其在实际工况下的动态性能。根据预定的系统性能和预期的目标反复修正几何参数,终达到预期的动态响应性能,为先导阀的设计开辟了一条新的思路。 电磁先导阀工作口压力的变化,会引起其内部流场相应变化,而先导阀出口压力又受到液控主阀、立柱等负载的影响。因此,作者从系统角度对先导阀的动态响应进行研究,建立了基于AMESim的支架电液控制系统的仿真模型,得到先导阀工作口的不同压力、流量响应曲线,为先导阀流场仿真的初始边界条件的设定提供依据。在此基础上,研究先导阀的流场分布。根据先导阀的压力损失、速度分布等随流量、出口压力和入口位置的变化关系,确定高水基电磁先导阀的*合理结构。 本文的研究工作涉及多学科理论和现代试验技术,主导思想是在创新体系下进行多种学科的交叉与融合,以此途径对高压高水基液压阀的理论问题及设计方法进行研究,从而解决实际问题。

液压阀块特征设计 
3．1液压阀块的结构特点及设计

3．1．1液压阀块的结构特点 
按照结构和用途划分，液压阀块有条形块(Bar Manifolds)、小板块(Subplates)，盖板(Cover plates)、夹板(Sandwich Plates)、阀安装底板(Valve Adaptors)、泵阀块(PumpManifolds)、逻辑阀块(Logic Manifolds)、叠加91视频看看簧色块(Accumulator Manifolds)、阀块(Specialty Manifolds)、集流排管和连接块(Header and Junction Blocks)等多种形式[35][36]。实际系统中的液压阀块是由阀块体以及其上安装的各种液压阀、管接头、附件等元件组成。

(1)阀块体 
阀块体是集成式液压系统的关键部件，它既是其它液压元件的承装载体，又是它们油路连通的通道体。阀块体一般都采用长方体外型，材料一般用铝或可锻铸铁。阀块体上分布有与液压阀有关的安装孔、通油孔、连接螺钉孔、定位销孔，以及公共油孔、连接孔等，为保证孔道正确连通而不发生干涉有时还要设置工艺孔。一般一个比较简单的阀块体上至少有40-60个孔，稍微复杂一点的就有上百个，这些孔道构成一个纵横交错的孔系网络。阀块体上的孔道有光孔、阶梯孔、螺纹孔等多种形式，一般均为直孔，便于在普通钻床和数控机床上加工。有时出于特殊的连通要求设置成斜孔，但很少采用。 (2)液压阀 
液压阀一般为标准件，包括各类板式阀、插装阀、叠加91视频看看簧色等，由连接螺钉安装在阀块体上，实现液压回路的控制功能。

(3)管接头 
管接头用于外部管路与阀块的连接。各种阀和阀块体组成的液压回路，要对液压缸等执行机构进行控制，以及进油、回油、泄油等，必须与外部管路连接才能实现。

(4)其它附件 
包括管道连接法兰、工艺孔堵塞、油路密封圈等附件。

3．1．2液压阀块的布局原则 
阀块体外表面是阀类元件的安装基面，内部是孔道的布置空间。阀块的六个面构成一个安装面的集合。通常底面不安装元件，而是作为与油箱或其它阀块的叠加面。在工程实际中，出于安装和操作方便的考虑，液压阀的安装角度通常采用直角。 液压阀块上六个表面的功用(仅供参考)： (1)顶面和底面 液压阀块块体的顶面和底面为叠加接合面，表面布有公用压力油口P、公用回油口O、泄漏油口L、以及四个螺栓孔。 
(2)前面、后面和右侧面 
(a)右侧面：安装经常调整的元件，有压力控制阀类，如溢流阀，安全阀、91视频看看簧色、顺序阀等：流量控制阀类，如节流阀、调速阀等。 
(b)前面：安装方向阀类，如电磁换向阀、单向阀等；当压力阀类和流量阀类在右侧面安装不下时，应安装在前面，以便调整。 
(c)后面：安装方向阀类等不调整的元件。

(3)左侧面 
左侧面设有连接执行机构的输出油口，外测压点以及其他辅助油口，如蓄能器油孔、接备用压力继电器油孔等。液压阀块块体的空间布局规划是根据液压系统原理图和布置图等的设计要求和设计人员的设计经验进行的。经常性的原则如下： 
(1)安装于液压阀块上的液压元件的尺寸不得相互干涉。 
(2)阀块的几何尺寸主要考虑安装在阀块上的各元件的外型尺寸，使各元件之间有足够的装配空间。液压元件之问的距离应大于5mm，换向阀上的电磁铁、压力阀上的先导阀以及压力表等可适当延伸到阀块安装平面以外，这样可减小阀块的体积。但要注意外伸部分不要与其他零件相碰。 
(3)在布局时，应考虑阀体的安装方向是否合理，应该使阀芯处于水平方向，防止阀芯的自重影响阀的灵敏度，特别是换向阀一定要水平布置。    
(4)阀块公共油孔的形状和位置尺寸要根据系统的设计要求来确定。而确定阀块上各元件的安装参数则应尽可能考虑使需要连通的孔道正交，使它们直接连通，减少不必要的工艺孔。 
(5)由于每个元件都有两个以上的通油孔道，这些孔道又要与其它元件的孔道以及阀块体上的公共油孔相连通，有时直接连通是不可能的，为此必须设计必要的工艺孔。阀块的孔道设计就是确定孔道连通时所需增加工艺孔的数量、工艺孔的类型和位置尺寸以及阀块上孔道的孔径和孔深。 (6)不通孔道之间的小壁厚必须进行强度校核。 
(7)要注意液压元件在阀块上的固定螺孔不要与油道相碰，其小壁厚也应进行强度校核等等。 根据以上原则，液压阀块布局的优化方法如下： 
(1)如果在液压阀块某面上的液压元件的数量不超过4个，则分别布置液压元件在4个角附近，不一定在角上．这样可以保证在两个边附近进行工艺孔设计。 
(2)如果在液压阀块某面上的液压元件的数量不超过8个，则除了分别布置液压元件在4个角附近以外，其它液压元件可根据情况分别布置在4个边附近。这样可以保证在一个到两个边附近进行工艺孔设计。 (3)如果液压阀块某面上的液压元件的数量超过8个以上，可以考虑使用智能方法进行优化设计。 
由于一般情况下，液压阀块包含的液压元件总和不会超过10个以上，所以分配到各个面上的液压元件数量不会超过lO个，一般在3到5个左右。 
由于在一般液压阀块设计中很少涉及到大量的液压元件布置，所以根据前两条的规则可以满足系统设计的基本要求。 
3．1．3液压阀块的设计思路 
集成块单元回路图实质上是液压系统原理的一个等效转换，它是设计块式集成液压控制装置的基础，也是设计集成块的依据。阀块图纸上要有相应的原理图，原理图除反映油路的连通性外，还要标出所用元件的规格型号、油口的名称及孔径，以便液压阀块的设计。 
设计阀块前．首先要读通原理图，然后确定哪一部分油路可以集成。每个块体上包括的元件数量应适中。阀块体尺寸应考虑两个侧面所安装的元件类型及外形尺寸，以及保证块体内油道孔间的小允许壁厚的原则下，力求结构紧凑、体积小、重量轻。

3．2基于特征的液压阀块的交互设计

3．2．1基于阀块的特征分析 
    特征是设计者对涉及对象的功能、形状、结构、制造、装配、检验、管理与使用信息及其关系等具有确切的工程含义的深层次抽象的描述，是产品描述信息的集合[37][38]。不同的应用领域和不同的对象，特征的抽象和分类方法有所不同。在机械产品中，将构成零件的特征分为以下几大类：辅助特征、几何特征等(1)辅助特征 
辅助特征是进行基于特征的零件实体建模设计的辅助工具，并不是所设计实体模型的组成部分。在实体建模时，如何恰当地使用辅助特征来顺利完成实体建模，具有很大的技巧性。在实体模型的特征创建完毕后，辅助特征可被隐藏或重新显示。辅助特征主要包括：工作平面、工作轴、工作点、构造特征和特征管理设计树。工作平面又称工作基准面，是辅助创建草图及其特征和执行特征操作终止的工作平面。是一个无限边界的平坦面，因实体建模的设计必须在某一平面上完成二维草图绘制后，进行特征操作。所以，工作平面主要作用是确定草图平面，同时也可以作为特征操作的终止参数平面和创建其他工作平面的中间媒体。

(2)几何特征 
几何特征是构成零件实体模型的基本要素，是基于特征的实体建模的含义所在，是创建基体特征和进行细节特征操作的主要部分。根据创建方式不同，将几何特征分为草图特征和直接生成特征。草图特征是由二维轮廓线或横断面进行拉伸、旋转、扫描和放样形成的特征，因此草图特征又分为拉伸特征、旋转特征、扫描和放样特征。直接生成特征是直接参数地创建在实体模型上的特征，是系统或设计者已定义好的参数化特征，在建模时，只需进行特征定位和输入参数化尺寸值即可形成的特征。 
阀块的特征可以知道，有基本的基体特征，其余就是孔道及沉槽，整体设计特征如下图所示：

    采煤工作面用的液压支架是一种复杂的煤矿机械,它能够可靠有效地支撑和控制工作面的顶板,保证工人安全和各种作业的正常进行。电液控制液压支架是当前采煤技术装备的重要标志之一,而高压高水基电磁先导阀是电液控制系统的核心元件,其结构复杂、精密度高,目前世界上只有德国和美国等少数国家研究和生产制造,属高难技术。我国曾尝试过自行设计、制造这种液压阀,但由于没有运用多学科理论和现代数字技术等手段去深入研究液压阀的关键技术问题,只是凭借经验和已有的资料进行设计,致使研制失败。因此,目前我国高压高水基电磁先导阀仍然依靠进口,成为制约我国采煤技术由机械化向自动化发展的关键技术之一。 
1 李谨,邓卫华;AMESim与MATLAB/Simulink联合仿真技术及应用[J];情报指挥控制系统与仿真技术;2004年05期 
2 朱碧海,李壮云,贺小峰,朱玉泉,张铁华;水压阀关键技术的研究[J];润滑与密封;2004年03期 
3 查柏林,王汉功,徐可为;硬密封球阀耐冲蚀陶瓷涂层研究[J];润滑与密封;2005年04期 
4 潘仁度;密封副的细微泡沫状泄漏[J];润滑与密封;2005年05期 
5 董洪波;钱志博;陈建宁;何正嘉;;阀座组件的密封特性分析和实验研究[J];润滑与密封;2005年06期 
6 徐滟;王渭;;三偏心蝶阀密封接触问题的有限元分析[J];润滑与密封;2006年06期 
7 孙见君;顾伯勤;魏龙;;弹簧比压对机械密封性能影响的分形分析[J];润滑与密封;2006年06期 
8 冯秀;顾伯勤;;金属垫片泄漏模型理论研究[J];润滑与密封;2006年08期 
9 陈孙艺;流体对管件冲蚀的研究和防护[J];石油化工腐蚀与防护;2003年05期 
10 顾永泉;机械密封比压选用原则[J];石油化工设备;2000年02期