原作者:王勇1，2，姜金球2，翟京2 出处:
【论文摘要】本文从多方面研究分析综采液压支架立柱专用液控单向阀振动产生的机理、振动对系统性能的影响、常见单向阀的结构特点和消除振动的措施，首次提出并初步探讨了建立能模拟单向阀实际运行工况、可以测试振动特性的试验系统模型。
1、 支架液控单向阀的作用
液压支架（简称支架）是综合机械化采煤关键设备之一，而支架立柱液控单向阀（简称单向阀）是保证其实现有限支护顶板作用的关键液压元件之一（原理见图1），它有两个主要性能指标：密封的可靠性和流量。足够的流量可以显著提高立柱的伸缩速度，保证系统的高效；可靠的密封性能保证立柱能够提供足够的抗负载的阻力，支护顶板。振动是液压元件和系统运行时的常见现象，对统性能和元件寿命等影响很大，因此使用中需要考虑并严格控制振动的有关参数。本文从单向阀工作原理、配套液压系统和负载环境等多方面分析振动产生的机理、振动对系统性能的影响，剖析国内外常见单向阀的结构特点和消除振动的措施，探讨建立试验室模拟单向阀振动特性的试验系统模型和测试方法，为设计和改进提供实用的试验数据。
2、 单向阀卸载振动机理及影响
2．1、单向阀卸载振动机理
单向阀振动发生在立柱收缩操作过程中，图1是立柱控制原理，操作操纵阀，A1口接系统压力P，A2口接系统回液R，单向阀在A1的控制下打开，立柱下腔液体排除，立柱实现收缩下降动作。图2是单向阀结构原理，单向阀卸载瞬时，阀芯的受力为：
ΔF=π*P3*d22/4+π*P2*（d12-d22）/4
-π*P1*d12/4+f （1）
其中，P1 、P2 、P3分别为A1、A2、A3腔（图2）压力。d1 、d2为对应阀芯和顶杆直径，f为弹簧力（可以不计）。开启前瞬间P2≈0，
ΔF≈0，因此公式（1）可以简化为：
P1*d12= P3*d22 （2）
图2、液控单向阀结构原理
此时P1值定义为液控单向阀开启压力。随着P1增大，公式（2）平衡打破，ΔF〈0，阀芯左移，阀口开启量加大，P2值迅速增加，ΔF>0，阀芯又迅速往回运动，阀口趋于关闭，甚至退回关闭状态；随着阀口开启量的减小，P2值减小，ΔF〈0，阀口又开启，如此反复，引起阀芯和顶杆的振动。
2．2、振动对系统及元件的影响
通常单向阀是和安全阀组合使用，当顶板移动量增加并超过一定值时，立柱下腔内液体压强增高，安全阀开启，释放出部分液体，使立柱下腔液体压强保持在一个设定值内，保护立柱和支架其它结构件。单向阀开启时立柱下腔压力往往很高，如果此时单向阀振动，将严重恶化安全阀的使用环境，导致安全阀的非正常开启，开启次数成倍增加，明显降低安全阀的使用寿命（参照文献1）。
单向阀本身实际使用寿命较试验寿命明显降低，除常见的密封件损坏外，出现成批的零件损坏现象，元件不能进行常规修复再使用。振动导致其附近管路辅件和结构件受迫振动，影响正常使用，如橡胶密封件，使用寿命将明显降低。
1、 振动控制方法分析
3．1、振动因素分析
如前所述，ΔF>0是阀芯右移，阀口开启的条件，在阀口开启过程中，P1 、P3相对固定，导致ΔF在“零”值左右振荡的直接影响因素是P2在不断变化，控制P2值在一定范围内可以减少甚至消除ΔF>0的几率，消除振动。结合图1、图2，P2可计算如下：
P2=ζ*QK+ ΔPR （3）
其中，Q：为阀口打开后阀的流量；
K：为单向阀“流量-压差”指数，K≈2；
ζ：阀口之后与系统连接之间部分的压差系数；
ΔPR：系统回液背压。
很明显，降低阀的压差系数ζ和系统回液背压可以降低P2值，后者决定于系统结构。对于阀结构，降低流量和阀口后部分的阻力系数均可以降低P2值。
根据公式（1），降低P3和提高开启压力P1也可以降低的P2的相对值，减少对ΔF的影响。
3．2、振动控制方法
常用振动控制方法主要有三种：阻尼减振、二级卸载和消除振源。
1）阻尼减振
阀口开启有一个过程，建立P2也需要一个过程，延长这个过程，在这个过程中单向阀封闭的压力腔液体逐步排出，P2被控制的同时P3也降低了，最后再全部打开阀口，大流量排液，油缸动作。实现这个过程需要控制P1的变化，一般在A1腔与系统高压之间增加阻尼，这个阻尼也可以阻止阀芯的反方向运动，控制振动。配合阻尼的使用，通常在阀口部位增加节流结构，阀芯运动过程中逐步打开节流，最后打开阀口。
2）二级卸载
二级卸载将单向阀的卸压和排液区分开，首先小流量卸压，控制P2，当P3降低到一定范围内完全打开阀口，大量排液，这两个过程通过结构设计明显区分开，有两个不同的力学模型，可以看成两个阀的组合。常见结构形式有两种：单顶杆、双阀口结构，卸载时顶杆首先打开小阀口，P3下到一定数值后顶杆再打开大阀口；单阀芯、复合顶杆结构，卸载时顶杆打开阀口，但开启量小，只能产生小的流量，P3下到一定数值后顶杆再做第二个动作，完全打开阀口。
3）消除振源
图3、无振动单向阀原理
这类单向阀的特点是：顶杆背对控制压力P1端面的部分或全部不受回液压力P2大小影响，如图3，部分轴肩直接与大气压相通，阀开启的过程中阀芯受力可表示为：
ΔF=π*P3*d22/4-π*P1*d12/4+f （4）
因此，单向阀开启后，不会出现ΔF>0的情况。消除了振源，单向阀避免了振动。
由于阀口突然开启，这种结构可能导致系统“水锤现象”，冲击大。
3．3、振动控制方法比较分析
这三种控制方法中，采用最多是前两种，在本质上两者接近，“消除振源”这种方法较为新颖，目前使用较少，有些单向阀则将几种消振方法组合使用，以达到更好的效果。不同控制方法以及采用不同控制方法的单向阀的特点综合比较如下表：
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阻尼减振 |
二级卸载 |
消除振源 |
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结构复杂性 |
简单 |
复杂 |
较复杂 |
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技术复杂性 |
复杂 |
简单 |
简单 |
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机加工精度 |
较高 |
低 |
低 |
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对使用系统要求 |
负载的影响大，回液路径、背压影响实际应用效果 |
适应性强 |
回液背压可能引起误动作，需注意 |
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应用范围 |
较广，其它千斤顶控制回路应用成熟 |
在中国基本采用这种结构 |
少 |
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技术成熟度 |
成熟，在该领域有研究发展前景 |
成熟 |
成熟 |
综合分析各种结构的单向阀（包括控制其它千斤顶的单向阀），阻尼消振的特点是：结构简单，故障率低，易于提高寿命；元件可以设计得紧凑、使用形式多样化，便于推广；产生阻力损失的环节少，易于提高产品技术参数—“流量”，但在技术方面要求较高，需要完善。二级卸载特点是：结构较复杂，但技术非常成熟，无振动影响，应用范围广，可以实现低成本制造，用于对使用寿命较低的系统，如果提高寿命，制造成本明显增高，对于双阀芯结构的单向阀，密封可靠性也受到影响。消除振源的单向阀，具有阻尼消振的所有优点，不确定因素是其使用环境较恶劣，在不操作情况下，控制口接回液，如果回液背压高，可能出现误动作，因此这一优点也可能是缺点，包括卸载水锤现象的影响等方面均需要进行深入探讨和研究，加以完善。
1、 测试振动特性的模拟试验
1．1、单向阀试验分析实例
图4曲线是一种单向阀在不同条件试验环境和试验系统下测到的两种不同类型的结果：曲线（a）只能在液压支架的试验和实际使用过程中测得，曲线（b）在实验室测得唯一结果。该阀通过了“型式试验”的检验，可以投入实际使用。在使用过程中，该阀出现明显振动现象，其配套使用的安全阀异常开启，损坏严重，后期该阀大量损坏，经过试验，发现该阀卸载特性与实验室测得数据相比有很大差距，Pm值大大超过单向阀开启之前立柱封闭腔的压力，而型式试验中测得的振动衰减很快。基于试验分析，采取增加增加阻尼的振动控制措施，改进后阀的振动特性与实验室数据相似，改进了阀的性能，消除了振动及其对系统的影响（详件参考文献1）。
图4、卸载振动特性
1．1、单向阀试验台与实际使用环境的差异
分析试验与实际应用环境里影响振动特性的因素，包括负载、系统参数等，结果表明单向阀运行时立柱负载F的不同是关键：图5是单向阀试验台结构图，由于固定框架刚性很高，试验时变形量ε1值很小，必须用仪器测量；单向阀在使用过程中，立柱上下支撑点之间建立作用力F产生的位移量ε2（不是空载行程）很大，最大达到40mm左右，可以目测到。根据弹性力学原理，变形吸收能量与变形量ε平方成正比，因此实际应用时单向阀要排除大量的高压液体和能量（是试验的数百倍），振动延续时间长。目前国内外普遍采用图5结构的试验台对单向阀进行检验，测试结果不能反映真实情况，需要改进。
图5、单向阀试验装置
图6、模拟振动测试装置
1．1、
模拟振动测试装置
图6是改进后的试验台方案，在原有方案的基础上增加了能进行能量吸收和释放的蓄能机构，该机构要求能模拟单向阀在实际使用过程中负载的变化规律，具备技术可行性。初步观察分析表明，位移量ε2主要由支架变形产生，尤其是支架受偏载时变形量大，而支架完全由钢材焊接而成，因此可以近似认为支架某点的变形为弹性变形，能量吸收和释放机构采用的弹性体，其变形量ε2与F应成正比或线形关系。对于液压试验台来说，采用液压蓄能器作为蓄能机构是一个很好的方案，弹性变形大，线性好，体积小，配合其它结构，能够模拟真实负载，实现对单向阀进行振动模拟试验。
1、 结论
目前国内外煤矿开采提倡“高产高效”，大流量液压元件的应用是必然趋势，事实说明，单向阀提高流量，其制约因素首先是振动的控制。但无论采取的是什么振动控制方案，需要在实践中检验。传统对单向阀的检验方法没有对阀振动测试的要求，经过实验室“型式试验”的立柱液控单向阀还必须进行工业性试验。在实验室对单向阀的振动性能进行测试，能提前检验和矫正振动控制方案，强化“型式试验”的作用，还能提高新技术、新产品的研发速度，缩短周期。本文研究表明，有多种方法可以实现这个目的，而完善检验手段对控制方法的研究应用才具有实际意义。
