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【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.